Uma história de sucesso global – Robustez e ampla aplicabilidade de máquinas rotativas de deslocamento positivo
Máquinas rotativas de deslocamento positivo são indispensáveis para vários processos industriais devido à sua robustez e capacidade de lidar com fluidos altamente viscosos, abrasivos ou corrosivos e manter taxas de fluxo constantes. Elas podem operar sob condições de pressão variáveis, garantindo operações eficientes e confiáveis, e são mais eficientes ao lidar com cabeças mais baixas em altas taxas de fluxo.
Bombas de parafuso podem transportar fluidos de viscosidade muito alta, como petróleo bruto, lamas ou polpa de papel, e são, por exemplo, implantadas na indústria química, petroquímica e de processos. Na área de alimentos e bebidas, laticínios, xaropes, sucos e outros ingredientes alimentares precisam ser bombeados, garantindo condições sanitárias. O fluxo suave e contínuo as predestina também para produtos farmacêuticos, apoiando a transferência e dosagem de compostos e soluções médicas.
Bombas de engrenagem são normalmente utilizadas em sistemas de lubrificação, para injeção de combustível ou aplicações hidráulicas.
Compressores de parafuso podem ser usados na indústria de processos para comprimir vários gases, por exemplo, ar pressurizado, mas também hidrogênio ou dióxido de carbono.
Compressores scroll são frequentemente aplicados em unidades de refrigeração e resfriamento, garantindo uma operação estável e silenciosa ao comprimir e bombear refrigerantes.
Os expansores do tipo scroll ou parafuso desempenham um papel importante no contexto dos ciclos orgânicos de Rankine, por exemplo, em aplicações geotérmicas, bombas de calor ou sistemas de recuperação de calor residual, mas também para processos de redução de pressão – como em redes de distribuição de gás natural – ou para armazenamentos de energia de ar comprimido.
Sopradores de lóbulos são dispositivos relativamente baratos e confiáveis para movimentar ar e gases em muitas aplicações industriais, por exemplo, como bombas de vácuo ou em sistemas de secagem ou extração.
A gama de aplicações é obviamente vasta e, embora os exemplos fornecidos aqui não sejam exaustivos, eles certamente oferecem um vislumbre das inúmeras possibilidades e da importância e impacto desses dispositivos.
Bombas sob pressão – os desafios do projeto eficiente de máquinas rotativas
A conservação de energia está se tornando cada vez mais importante para a sociedade e a indústria. Regulamentações nacionais e internacionais exigem maior eficiência em quase todos os setores, e as empresas estão tentando reduzir sua pegada ambiental. Portanto, vale a pena reduzir o consumo de energia também para máquinas industriais .
Para máquinas rotativas de deslocamento positivo, a otimização pode ser especialmente desafiadora: elas devem lidar com condições variadas e apresentam geometria extremamente complexa. Caracterizadas por formas tridimensionais complicadas, elas transportam fluidos através do movimento de câmaras de volume rotativas. Lacunas estreitas entre as câmaras formadas pelos rotores ou entre rotores e peças estacionárias, como carcaças, não podem ser evitadas e estão causando vazamento de fluxo e perdas, levando a reduções de eficiência.
Bomba de Engrenagem: Geometria Discretizada
Melhorar o design pode ser desafiador devido à dificuldade em obter insights sobre o campo de fluxo. Afinal, é muito complicado ou até mesmo impossível medir o comportamento detalhado do fluido diretamente em cavidades fechadas, pois as sondas de medição não podem ser colocadas no lugar ou afetariam e distorceriam o fluxo significativamente.
Complexidade física do modelo de máquinas rotativas de deslocamento positivo com CFD de alta fidelidade
Mas há uma saída inteligente: a simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) pode superar esse problema e fornecer insights detalhados sobre variáveis de fluxo, como campos de velocidade, temperaturas ou distribuições de pressão. O fluxo através de lacunas pode ser analisado em detalhes. Muito entendimento pode ser obtido sobre o fluxo de líquido e gás e efeitos físicos complexos.
Fenômenos de fluxo e fluidos, como turbulência, camadas limites, compressibilidade ou propriedades reológicas complexas do material, cavitação, bem como a superfície livre de líquidos adicionais para vedação, resfriamento ou lubrificação (quando necessário) são cruciais para a operação de máquinas de deslocamento rotativo.
Como um software CFD multifísico, o Simcenter STAR-CCM+ fornece os recursos de modelagem necessários para simular com precisão essas máquinas com todos os efeitos típicos relevantes. Por exemplo, a representação do fluxo de superfície livre ou cavitação de folga radial pode ser obtida usando modelos de fluxo e cavitação multifásicos. A simulação de superfícies molhadas é facilitada pela utilização de modelos de filme de parede. A inclusão da integração de tempo permite a simulação de movimento transiente, apenas para mencionar alguns recursos.
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Resultados CFD de bomba de lóbulo: magnitudes da velocidade do fluxo | Resultados CFD de bomba de lóbulo: vetores de velocidade, lacuna radial |
O desafio de malhas de simulação CFD de alta qualidade para máquinas rotativas de deslocamento positivo
E embora o Simcenter STAR-CCM+ ofereça todos os recursos de alta fidelidade para permitir que os engenheiros modelem a complexidade física das máquinas rotativas de deslocamento positivo, isso por si só não é suficiente. O sucesso da simulação numérica depende significativamente da qualidade da discretização do domínio do fluido – os engenheiros de simulação se referem a isso como “malha”. O número de células deve ser minimizado o máximo possível, para evitar tempos de computação excessivos, enquanto as células não devem ser distorcidas ou apresentar relações de aspecto extremas. E para máquinas rotativas de deslocamento positivo, este é um desafio muito delicado:
Máquinas rotativas de deslocamento positivo obviamente contêm partes móveis. Então, qualquer método CFD deve considerar esse movimento. Além disso, essas máquinas são geralmente caracterizadas por lacunas de folga muito pequenas que precisam ser resolvidas adequadamente para capturar a física subjacente. E discretizar pequenos volumes em constante mudança não é moleza. A escolha do esquema de malha é, portanto, crucial para simular com precisão essas máquinas, ao mesmo tempo em que garante eficiência e confiabilidade do processo.
Os esquemas de malha mais amplamente utilizados, comprovados e testados para simular peças geométricas móveis ou rotativas em CFD podem apresentar deficiências quando aplicados a máquinas rotativas de deslocamento positivo.
Malhas overset são usadas para discretizar um domínio computacional com diferentes malhas sobrepostas umas às outras. Para representar o movimento, a malha é atualizada regularmente durante o tempo de execução da simulação. Outra abordagem é usar morphing e remeshing de malha. Aqui, a topologia da malha muda de acordo com a geometria em movimento. O remeshing é acionado sempre que a qualidade da malha cai abaixo dos critérios de qualidade de malha definidos pelo usuário.
Embora sejam valiosos para diversas aplicações, os métodos descritos acima podem levar a uma alta contagem de malhas quando pequenos detalhes – como lacunas – precisam ser resolvidos, especialmente porque geralmente são baseados em malhas tetraédricas ou poliédricas. A mudança de malhas sempre exibirá um certo grau de não conservação de massa devido à interpolação. As configurações de malha precisam ser controladas cuidadosamente para garantir que a preparação do modelo e o processo de simulação numérica sejam estáveis e robustos – resultando em esforço para o praticante de CFD.
Em termos de precisão e tempo de simulação, a malha estruturada com elementos hexaédricos é ideal para simular máquinas rotativas de deslocamento positivo. No entanto, construir essas malhas manualmente não é uma alternativa prática, pois pode ser extremamente demorado – a geração da malha pode levar dias ou mais, dependendo da experiência do usuário.
É aqui que o TwinMesh™ entra em ação: a CFX Berlin Software GmbH desenvolveu um método para superar todos os desafios, oferecendo uma solução de malhagem automatizada adaptada para máquinas rotativas de deslocamento positivo.
Vá mais rápido: fluxo de trabalho de malha automatizado com TwinMesh™
O software de pré-processamento TwinMesh™ da CFX Berlin Software GmbH permite a malha automática dos volumes de fluxo variáveis no tempo nas câmaras de trabalho de máquinas rotativas de deslocamento positivo. O TwinMesh™ gera malhas para as câmaras e lacunas para cada posição rotacional e realiza uma verificação de qualidade da malha. As malhas são estruturadas em blocos e hexaédricas, o que ajuda a limitar o número total de células da grade, ao mesmo tempo em que resolução suficiente das camadas de limite e liberação de lacunas podem ser realizadas. Em combinação com uma topologia de malha consistente para cada posição rotacional – ou seja, os números de nós e a conectividade permanecem os mesmos – o tempo geral de simulação pode ser mantido razoavelmente breve.
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Malha do compressor de parafuso | Malha de bomba de lóbulo |
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Malha de bomba gerotor | Malha do compressor de rolagem |
E assim, com capacidades de modelagem CFD de alta fidelidade e uma tecnologia de malhagem robusta de alta qualidade, todos os elementos que você precisa para desenvolver máquinas rotativas de deslocamento positivo inovadoras estão na mesa. Só falta uma revolução: combinar os dois.
Mantenha-se integrado com TwinMesh™ e Simcenter STAR-CCM+
Juntas, a Siemens e a CFX Berlin Software GmbH desenvolveram um fluxo de trabalho perfeito para alavancar o TwinMesh™ em combinação com o Simcenter STAR-CCM+. Isso permite que você aproveite os benefícios do CFD 3D moderno para muitos tipos diferentes de máquinas rotativas de deslocamento positivo.
Malhas de alta qualidade, com qualidade definida em termos de distorção e proporção de aspecto, são exportadas como um conjunto de arquivos junto com todas as informações de configuração necessárias, para que a simulação possa ser iniciada diretamente no Simcenter STAR-CCM+. Este procedimento automatizado garante a confiabilidade do processo durante o desenvolvimento do produto e ajuda a acelerar significativamente o processo de design.
Com a simulação 3D fornecendo insights detalhados sobre as propriedades do fluxo interno, novas maneiras de design inovador e melhoria do desempenho de máquinas rotativas de deslocamento positivo são abertas.
Empresas, pequenas e médias empresas, bem como instituições de pesquisa podem atingir ciclos de desenvolvimento mais rápidos, criar designs inovadores, melhorar a eficiência energética e atender aos rigorosos requisitos da indústria, ganhando assim vantagem competitiva no mercado. Com isso, a próxima revolução das máquinas rotativas de deslocamento positivo apenas começou.
Agende uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como nossas soluções avançadas de simulação e otimização de máquinas rotativas de deslocamento positivo podem transformar seus projetos industriais. Combinando tecnologia de ponta em CFD e ferramentas como TwinMesh™ e Simcenter STAR-CCM+, ajudamos a impulsionar a inovação, melhorar a eficiência energética e encurtar os ciclos de desenvolvimento. Entre em contato agora mesmo!
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