Orientador: Marco Aurélio Cremasco

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Stringer (1989) sugeriu que um leito fluidizado gás-sólido pode ser um sistema caótico no qual seu comportamento irregular, entretanto determinístico, é causado por suas propriedades não-lineares. Desde então, surgiu uma nova forma de analisar flutuações de sinais em sistemas fluidizados: a...

Resumo: Stringer (1989) sugeriu que um leito fluidizado gás-sólido pode ser um sistema caótico no qual seu comportamento irregular, entretanto determinístico, é causado por suas propriedades não-lineares. Desde então, surgiu uma nova forma de analisar flutuações de sinais em sistemas fluidizados: a análise não linear de séries temporais, comumente referida como análise de caos. A análise de caos é uma técnica muito utilizada no processamento de sinais em sistemas fluidizados, porém pouco difundida a nível nacional. Este tipo de análise baseia-se na reconstrução de atratores imersos em um espaço de fase e no estudo das propriedades deste atrator. Nesta Tese de Doutorado, avalia-se o comportamento fluidodinâmico em leito fluidizado circulante (LFC) operando sob condição de transporte pneumático diluído utilizando a análise de caos e também outras análises no domínio do tempo, como a distribuição de frequência e desvio médio absoluto. Os sinais avaliados foram obtidos por uma sonda de fibras ópticas, gerando séries temporais de flutuação de sinais elétricos que representam concentração de sólidos. A análise de caos demonstrou que os sistemas estudados apresentam comportamento caótico, por apresentar entropia de Kolmogorov positiva para todas as situações. A vantagem deste tipo de análise em comparação com as ferramentas usuais no domínio do tempo e no domínio da frequência (espectro de Fourier) é que a mesma considera o comportamento não-linear que existe neste tipo de reator multifásico. A partir de seus resultados, pôde-se descrever detalhadamente a fluidodinâmica do LFC, permitindo relacionar os parâmetros encontrados com fenômenos físicos como formação e repartição de clusters, turbulência do gás, interações partícula-partícula e partícula-parede e má alimentação. Tal análise permitiu, inclusive, a identificação de três regimes distintos: diluído, resultante de um escoamento mais complexo devido à turbulência da fase gasosa; concentrado, onde a presença de clusters diminui o caminho médio das partículas e por conseqüência reduz o grau de complexidade do sistema; e um terceiro regime ainda não publicado em trabalhos anteriores, referente às condições extremamente diluídas, onde o aumento do fluxo de sólidos provocou o aumento da complexidade. Neste regime, a fase gasosa predomina e o escoamento é mais previsível quando há presença de poucas partículas. Pretende-se, com esta Tese de Doutorado, incentivar a utilização deste método para, pelo menos, servir como complementação da técnica usualmente utilizada na análise de sinais nesta área de pesquisa, que são os espectros de potência de Fourier

Abstract: Stringer (1989) was the first to suggest that a gas-solid fluidized bed may be a chaotic system, in which the irregular, yet deterministic, behavior is caused by its nonlinear properties. Since then, another way to analyze signals fluctuations in fluidized systems came to light: the...

Abstract: Stringer (1989) was the first to suggest that a gas-solid fluidized bed may be a chaotic system, in which the irregular, yet deterministic, behavior is caused by its nonlinear properties. Since then, another way to analyze signals fluctuations in fluidized systems came to light: the nonlinear time series analysis commonly referred to as chaos analysis. It is a technique widely used in the signal analysis in fluidized systems, but not very common at national level. This type of analysis is based on the reconstruction of attractors embedded in a phase space and the study of the properties of this attractor. This Ph.D. Thesis evaluates the fluid dynamic behavior of circulating fluidized bed (CFB) operating under conditions of dilute pneumatic conveying using chaos analysis of chaos and also further analysis in the time domain. The signals obtained were measured by an optical fiber probe which generated time series of fluctuating electrical signals representing solids concentration. The chaos analysis showed that the systems studied exhibit chaotic behavior, by having positive Kolmogorov entropy for all situations. The advantage of this type of analysis compared with the usual tools in the time domain and frequency domain (Fourier spectrum) is that it considers the nonlinear behavior that exists in this type of multiphase reactor. From their results, it was possible to describe in detail the fluid dynamics of the CFB, allowing correlating the parameters found with physical phenomena such as cluster formation and breakdown, the gas turbulence, particle-particle and particle-wall interactions and feed maldistribution. This analysis has led to the identification of three distinct regimes: diluted, resulted from a more complex flow due to turbulence of the gas phase; concentrated, where the presence of clusters decreases the average path length of particles and consequently reduces the complexity of the system; and a third regime not yet published in previous works, regarding the extremely dilute conditions, where the increased flow of solids caused the increase in complexity. In this condition, the gas phase and the predominant flow is more predictable when there is presence of a few particles. With this Ph.D. Thesis, it is intended to encourage the use of this method for at least as a complement to the technique usually used in signal analysis in this research area, that is, the Fourier power spectra