Análise transiente do aquecimento em fornos com diferentes geometrias de filamentos aquecedores

Abstract

Uma característica bastante desejada em fornos é a uniformidade de aquecimento. Tal aspecto é obtido através de uma distribuição uniforme do fluxo de calor na peça submetida ao aquecimento. Considerando-se um forno retangular tridimensional, com um filamento aquecedor na superfície superior, buscou-se minimizar a maior diferença de temperatura atingida na superfície inferior durante o processo de aquecimento. Sendo a forma e a disposição do aquecedor parâmetros essenciais em relação à distribuição de temperatura no interior do forno, fez-se a aplicação de uma metodologia de análise inversa, através do algoritmo da otimização extrema generalizada (GEO), visando à obtenção de uma nova geometria de filamento aquecedor que proporcionasse um aquecimento mais uniforme. O método das radiosidades foi empregado para o cálculo do fluxo radiante em todas as faces do sistema, o qual foi considerado como não tendo um meio participante em seu interior, sendo também desprezados os efeitos de convecção. O novo filamento gerado foi submetido a comparações, através de simulação computacional, com o primeiro filamento aquecedor, nas quais foi possível identificar que ocorreu uma redução na máxima diferença de temperatura de 0,0512 para 0,0229 (valores adimensionais) com a utilização do novo aquecedor. Também foi realizada uma comparação entre o forno com o filamento novo partindo da temperatura ambiente, e o forno com o primeiro filamento partindo da temperatura de operação. Esse teste foi realizado com a finalidade de analisar a distribuição de temperatura gerada pelo novo filamento em uma condição sem preaquecimento, frente a um forno preaquecido. Nessa situação, as simulações apresentaram valores próximos em termos de amplitude máxima de temperatura, sendo 0,0283 para o forno com preaquecimento e 0,0229 para o forno com o novo filamento.

A very desirable characteristic in ovens is the heating uniformity. Such aspect is obtained by a uniform distribution of heat flow in the piece subjected to the heating. Considering a three-dimensional rectangular oven, with a heater filament on the top surface, it was sought to minimize the greatest amplitude of temperature difference reached on the bottom surface during the heating process. Since the shape and the layout of the heater are essential parameters in relation to the temperature distribution inside the oven, an inverse analysis methodology was applied through the generalized extreme optimization (GEO) algorithm, aiming at obtaining a new heater filament format, that would provide a more uniform heating. The radiosity method was used to calculate the radiant flux in all the faces of the system, which was considered as having no participant medium in its interior, and the convection effects were also neglected. The new generated filament was submitted to comparisons, through computer simulation, against the first heater filament, in which was possible to identify that occurred a reduction of the maximum temperature difference from 0,0512 to 0,0229 (dimensionless values) with the use of the new filament heater. A comparison was also made between the oven starting at room temperature with the new filament, against the oven starting at operation temperature with the first filament. That test was performed with the purpose of analyzing the temperature distribution generated by the new filament in a condition without preheating, in front of a preheated oven. In this situation, the simulations presented close values in terms of maximum temperature range, with 0,0283 for the preheated oven and 0,0229 for the oven with the new filament.