Análise de tensões de origem térmica em um aquecedor de um sistema de processamento de cana de açúcar

Introdução

O setor sucroenergético opera com equipamentos de grande porte submetidos a regimes térmicos e de pressão severos, em que a confiabilidade e a continuidade operacional são determinantes para produtividade e custo. Entre esses equipamentos, destacam-se os aquecedores de caldo do tipo Roberts, que realizam a transferência de calor a partir de vapor, operando em condições que podem envolver transientes e variações de carga ao longo da rotina industrial. Nessa realidade, a análise estrutural é relevante para avaliar tensões e deformações, identificar regiões críticas e apoiar decisões de integridade e confiabilidade, com base nos fundamentos de resistência dos materiais

Objetivo

Desenvolver o modelo geométrico tridimensional do aquecedor usando os parâmetros de projeto e simular o processo de expansão, com base na pressão de operação usando o Método dos Elementos Finitos visando a análise estrutural e melhorias na geometria.

Método

Inicialmente foi construída a modelagem do equipamento no software Autodesk Inventor®, organizando o conjunto em subconjuntos (casco, calandra, espelhos, tirantes e feixe tubular) para garantir rastreabilidade e consistência dimensional. Em sequência, foi conduzida a análise estrutural por elementos finitos no software ANSYS®, empregando, quando aplicável, modelagem por elementos de casca nos componentes de parede delgada. Para as simulações, foram aplicados carregamentos de pressão de 0,6 MPa, 0,8 MPa e 1 MPa. A avaliação foi baseada nos resultados de tensão equivalente de Von Mises visando identificar as regiões de maior solicitação subsidiando recomendações de melhoria geométrica ou construtiva de forma localizada.

Resultados e discussão

Os resultados do modelo global evidenciaram que as maiores tensões se concentram na região de transição entre tampa e casco, enquanto o corpo cilíndrico apresenta níveis mais uniformes. Para capturar com maior resolução os gradientes locais nessa interface, foi aplicado o recurso de submodelagem, refinando a discretização apenas na região crítica previamente identificada. Observou-se que o submodelo apresenta picos superiores aos do modelo global, o que é esperado em análises lineares quando há refinamento em áreas de descontinuidade geométrica e maior rigidez local, e confirma a interface tampa–casco como o ponto de maior interesse para aprofundamento e proposição de melhorias. Como a formulação adotada é linear, as tensões calculadas crescem proporcionalmente ao aumento da pressão aplicada. Assim, pressões maiores resultam diretamente em valores mais elevados de tensão (em crescimento linear), o que permite comparar os diferentes cenários de carregamento e definir, de forma objetiva, a condição mais crítica para a continuidade do estudo.

Conclusão

As simulações estruturais usando análise de elementos finitos permitiram identificar as regiões mais críticas de tensão no aquecedor, concentradas principalmente na interface casco–tampo e nas regiões de solda associadas ao acoplamento do espelho. Esses resultados indicam potencial para melhorias localizadas, como revisão de qualidade de solda no acabamento e ajustes de espessura e rigidez na região do espelho.

Palavras-chave

• análise estrutural
• aquecedor do tipo Robert
• método dos elementos finitos
• vasos de pressão