SFT tilstandsklassifisering

No terceiro cenário, foram realizados testes nos quais o vibrador permaneceu no interior do acrílico em funcionamento durante todo processo de alimentação. Em um primeiro momento o vibrador permaneceu estático e posteriormente foram realizados testes onde o vibrador subiu a uma velocidade constante acompanhando o nível de carvão no acrílico.

A Figura 4.9 ilustra os pontos onde houve vibração em cada um dos testes. De A à D foram os testes nos quais a alimentação era interrompida para o procedimento de vibração ser realizado. A Figura 4.9 (E.1 e E.2) mostra o teste onde a vibração ocorreu do início ao fim do processo de alimentação.

46

Figura 4.9: Nível de preenchimento nos quais a alimentação foi interrompida para a vibração A) Uma inserção; B) Duas inserções; C) Três inserções; D) Quatro inserções; E.1) Início do processo com vibração constante; E.2) Final do processo com vibração constante;

Importante ressaltar que, no caso onde a vibração foi realizada de maneira constante a alimentação foi deslocada para as laterais, ora a esquerda ora a direita, como mostram as setas das Figuras 4.9 E.1) e 4.9 E.2). Isso por que, além do vibrador estar localizado na posição destinada a alimentação, o diâmetro do vibrador é poucos centímetros menor que a largura do acrílico. Desse modo o fluxo de material no interior do acrílico da esquerda para a direita, ou vice-versa, fica prejudicado.

4.5 T

RATAMENTO DE

D

ADOS

Testes iniciais indicaram que um efeito de aumento de densidade de carga poderia ocorrer acumulativamente a medida que as amostras fossem submetidas ao

47

processo de vibração. Em ensaios aonde eram realizados repetições de 5 vezes por condição testada, e um teste sucedido por outros, o tempo de exposição de uma amostra a vibração chegou a ordem de milhares de segundo. Nesse tempo de vibração, as amostras apresentaram uma densidade de carga significativamente superior a sua densidade de carga de uma amostra que nunca foi vibrada.

Matematicamente, pode-se considerar apenas procedimentos de alimentação do acrílico sem vibração, sendo P0 o peso de uma amostra que nunca sofreu vibração e Pn o peso de uma amostra alimentada nas mesmas condições com n segundos de vibração. Tem-se que: Pn > P0. Como em todos os casos o volume dos testes se manteve constante, podemos dizer que ρn>ρ0. Logo, quando se compara a densidade após um processo de vibração com relação a ρ0 encontrar-se-ia um valor de aumento percentual superior ao encontrado quando utilizado o valor de ρn como referência. Portanto, para anular o efeito acumulativo, e determinar um valor no qual somente aquele processo de vibração impacta no aumento da densidade de carga, é preciso utilizar o valor de ρn como referência.

Considerando o exposto, foi adotada a metodologia de testes de densidade de carga sem vibração entre os ensaios que eram realizados a vibração, afim de obter uma densidade à granel que representasse a mistura naquela condição. O parâmetro resposta de cada teste então não era meramente a densidade à granel que a mistura apresentou ao final do processo de vibração, e sim a variação percentual entre e a densidade de carga medida após a vibração e a densidade de carga sem vibração, recém medida. A equação 4.1 representa essa relação.

𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 % = 𝑃𝑝ó𝑠 𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎 çã𝑜𝑉 −𝑃𝑛𝑉 𝑃𝑛

𝑉

= 𝑃𝑝ó𝑠 𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎 çã𝑜−𝑃𝑛

𝑃𝑛 (4.1)

Em uma segunda análise, a equação 4.2 avalia a alteração da densidade de carga somente por conseqüência da vibração acumulada, ρn, em relação a densidade de carga da amostra antes de ser submetida a qualquer vibração, ρ0.

𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 % = 𝑃𝑛𝑉−𝑃0𝑉 𝑃0

𝑉

=𝑃𝑛−𝑃0

48

Repare que, cada equação reflete um processo distinto. A primeira representa uma simulação de um processo com um número definido de inserções, por um tempo definido que pode variar de 30 a 120 segundos. Tal aumento é relacionado ao processo em si de adensamento, sendo alterado caso a amostra fosse novamente manuseada.

A segunda equação expressa o comportamento do carvão por um longo processo de vibração, causando alterações que lhe confeririam uma densidade à granel maior após isso independente de manuseio.

49

5 R

ESULTADOS E

D

ISCUSSÕES

5.1 P

RIMEIRO

C

ENÁRIO

A primeira série de simulações da influência da vibração na densificação de uma mistura de carvão foi realizada com apenas uma inserção do vibrador de imersão na amostra. Primeiramente a mistura de carvão era alimentada até próximo da borda. Depois a inserção do vibrador ocorria por um tempo determinado, onde diferentes tempos de vibração foram testados. E então o vaso acrílico era completamente preenchido para a pesagem e verificação do percentual de aumento da densidade. A Tabela 5.1, assim como o gráfico da Figura 5.1 mostram os resultados obtidos.

Tabela 5.1: Resultados do processo de densificação com uma inserção.

Tempo de processo ∆ρ 10s 8% 20s 11% 30s 11% 60s 14% 120s 12%

50

Figura 5.1: Gráfico de variação de densidade x tempo de vibração para o processo de densificação com uma inserção.

Observando os resultados nota-se que a grande variação de densidade de carga ocorre nos primeiros segundos no qual o vibrador entra em contato com a amostra.

Para tempos inferiores a 10 segundos, a metodologia utilizada não era interessante, haja vista que os tempos de inserção e retirada do vibrador da amostra ficariam da mesma ordem de grandeza do tempo de medição. Isso acarretaria dificuldade de manter o mesmo padrão operacional na medição e como conseqüência grande variância na medição. Com essa justificativa o tempo mínimo testado foi de 10 segundos.

Para um tempo superior a 20 segundos de vibração pouca variação da densidade de carga é percebida.

A princípio, o ganho com o aumento percentual de densidade com 60 segundos de vibração em comparação com 120 segundos foi maior. Em uma primeira análise, para confirmar ou não tal afirmação um teste de hipóteses, onde H0 seria a possibilidade de as densidades de carga em cada condição serem iguais quando comparadas caso a caso, foi realizada.

𝐻0: 𝜇1 =𝜇2 𝐻1: 𝜇1 ≠ 𝜇2 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 0 20 40 60 80 100 120 140 ∆ Densidad e de Ca rg a (% )

51

Considerou-se que as amostras seguem uma distribuição normal com desvios padrões diferentes conhecidos e iguais a 1,1%, que foi a média dos desvios padrões encontrados considerando todas os experimentos realizados. Desse modo, para o teste de hipótese proposto z é obtido pela equação 5.1.

𝑧 = (𝑋 1−𝑋 2) 𝑆1

𝑛1+𝑆2𝑛2

(5.1)

Onde, Xi é a média da condição a ser comparada i, Si é o desvio padrão da condição i e ni é o número de testes feitos na condição i. Tabela 5.2 mostra uma matriz com o valor de z aplicado teste a teste.

Tabela 5.2: Valores de Z para o teste de hipótese comparando cada condição de tempo testado umas com as outras.

Valor de Z entre cada condição Tempo de

processo 10 s 20 s 30 s 60 s 120 s Tempo de processo Ganho % 8% 11% 11% 14% 12%

10 s 8% * 4,855 4,768 8,608 6,431 20 s 11% -4,855 * -0,087 3,753 1,576 30 s 11% -4,768 0,087 * 3,840 1,664 60 s 14% -8,608 -3,753 -3,840 * -2,177 120 s 12% -6,431 -1,576 -1,664 2,177 *

Já a Tabela 5.3, a partir dos valores de z encontrados, e considerando um valor de 98% de confiança, que corresponde a z = 2,326, mostra os casos onde se rejeitou H0. Rejeitar H0 significa dizer que não se pode dizer estatisticamente dentro do nível de confiança estabelecido que as médias divergiram. Para tal, o Z calculado deve ser superior ao Z relativo ao nível de confiança estabelecido:

52

Tabela 5.3: Resultado do teste de hipótese caso a caso nas condições testadas:

Tempo de

processo 10 s 20 s 30 s 60 s 120 s Tempo de

processo Ganho % 8% 11% 11% 14% 12% 10 s 8% * Rejeita Rejeita Rejeita Rejeita 20 s 11% Rejeita * Não Rejeita Rejeita Não Rejeita 30 s 11% Rejeita Não Rejeita * Rejeita Não Rejeita 60 s 14% Rejeita Rejeita Rejeita * Não Rejeita 120 s 12% Rejeita Não Rejeita Não Rejeita Não Rejeita *

Interessante ressaltar que, a Tabela 5.3 é uma matriz simétrica em módulo, porém sempre apresenta sinais invertidos. Isso acontece por que a condição testada é a mesma nas células espelhos, porém com inversão de qual média está fazendo o papel de 𝑋 1ou 𝑋 2. O valor negativo representa que 𝑋 1é menor do que 𝑋 2.

Para o valor de confiança estabelecido, somente o tempo de vibração igual a 10 segundos difere de todos os demais valores. Esse resultado reforça o observado no gráfico, que a maior parte da densificação ocorre anterior a 20 segundos. Já o valor de ganho de densidade em 60 segundos de vibração em relação ao ganho de densidade dos tempos de 20 e 30 segundos, apresentaram um aumento comprovado estatisticamente. Por outro lado, com relação aos valores medidos de densidade de carga entre 120 segundos e de 20, 30 e 60 segundos de vibração não se pode afirmar com 98% de confiança que o processo com 120 segundos de vibração foi diferente em valor dos processos de 20, 30 e 60 segundos.

De qualquer modo, a magnitude do ganho de densidade de carga após 20 segundos é consideravelmente inferior ao ganho nos primeiros 20 segundos.

Logo, é recomendado um tempo de processo de no máximo 20 segundos de vibração, de modo a conseguir um ganho significativo em densidade a granel da ordem de 11%, sem precisar perder em tempo de processo.

A amplitude dos dados em relação ao valor de variação de densidade de carga foi medida e está em forma de gráfico na Figura 5.2.

53

Figura 5.2: Gráfico da Amplitude dos resultados do primeiro cenário.

De acordo com o gráfico, a dispersão dos resultados com 10 segundos de vibração é muito mais significante que os demais. Pelos dados da Figura 5.2, pode-se perceber nos primeiros segundos a variação percentual de densidade de carga é grande, sendo suavizada a medida que o tempo aumenta. Como a condição de 10 segundos de vibração ocorre na fase de grande variação de densidade de carga qualquer erro natural de medição do tempo de vibração, ou variação no tempo de descida do vibrador, afeta fortemente o resultado. Sendo por isso que nessa condição a amplitude foi mais significativa.

Em termos de processo, a vibração realizada por uma inserção do vibrador após a mistura ser alimentada pode ter aplicação industrial. Poderia ser realizado o processo de vibração tanto instalando o conjunto de vibradores no próprio Coal Bunker, na sua parte lateral, de maneira ao possibilitar o alinhamento dos vibradores com as bocas de carga pelo movimento de translação do carro.

O processo ocorreria com Coal Bunker alimentando o forno da coqueria, realinhando com os vibradores faceando as bocas de carga de modo a realizar o processo de vibração e voltando posição de alimentação para possibilitar uma alimentação de carga complementar.

Uma outra hipótese é a instalação de um carro exclusivo para os vibradores, caminhando sobre o mesmo trilho do Coal Bunker. A vantagem dessa hipótese seria o ganho em tempo de processamento, pois ele possibilita que a alimentação e a vibração

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 10 20 30 60 120 Amp litu de do s dado s (A /∆ ρ )

54

ocorresse ao mesmo tempo em fornos distintos. Nesse caso o tempo de alimentação, e consequentemente a produtividade do Coal Bunker é pouco afetada.

As vantagem desse método: 1) O método não demanda alterações nos fornos da Coqueria, sendo necessário somente alterações ou instalação de periféricos; 2) Como os vibradores só adentrariam nos fornos já preenchidos de carvão por um tempo de vibração reduzido a exposição ao calor dos vibradores, e seu desgaste, seria reduzida acarretando em maior segurança operacional. Isso por que, por estar envolto ao carvão o mecanismo de transferência de calor por radiação das paredes do forno para o vibrador seria minimizado. E segundo por que com menor tempo de exposição menor seria o calor transferido do forno para a haste de vibração; 3) Acoplando os vibradores no Coal

Bunker o custo de instalação seria reduzido.

5.2 S

EGUNDO

C

ENÁRIO

A segunda série de simulações estudou a influência do número de inserções na densificação. As inserções foram realizadas garantindo a proporção entre o nível de alimentação e número de inserções. Por exemplo, no processo com duas inserções a primeira ocorria com metade da alimentação e a segunda com o vaso acrílico próximo a sua carga máxima. No processo com três inserções, a primeira ocorria com vaso no nível de 1/3 de carga, a segunda no nível de 2/3 da carga e a terceira com o acrílico próximo de sua carga máxima. E, por fim, no processo com quatro inserções as vibrações ocorreram nos níveis de carga de 1/4, 1/2, 3/4 e próximo aos 100% de carga. Todas as inserções realizadas nessa série de ensaios duraram 30 segundos.

A Tabela 5.4 apresenta os valores de percentual de aumento de densidade a granel encontrado em cada caso simulado.

Tabela 5.4: Resultado do teste de hipótese caso a caso nas condições testas:

N° de inserções Tempo Acumulado (s) ∆ρ

1 30 11%

2 60 22%

3 90 28%

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O gráfico da Figura 5.3 correlaciona o tempo acumulado de vibração por processo com o aumento percentual de densidade de carga atingido.

Figura 5.3: Gráfico de variação de densidade x tempo total de vibração para o processo de densificação com várias inserções.

Nessa segunda série de simulações, ao contrário da primeira, há uma tendência nítida de aumento da variação percentual de densidade de carga com o aumento do tempo de exposição total do material a vibração no intervalo acima de 30 segundos. Isso nos leva a concluir que só o tempo de vibração não é um fator determinante para o aumento da densidade, mas o modo como essa vibração é realizada afeta diretamente o resultado. Porém, é possível perceber que a medida que cresce o número de inserções o aumento na variação percentual da densidade de carga é cada vez menor. Os valores de aumento de densidade chegaram a atingir 30% em média quando quatro inserções são realizadas no sistema.

A mesma metodologia estatística utilizada no item 5.1 foi empregada na análise nessa segunda série de experimentos. O mesmo nível de confiança, 98%, foi utilizado. Porém, esses ensaios apresentaram uma maior dispersão, e o desvio padrão médio apresentou o valor de 1,64%. A Tabela 5.5 apresenta uma matriz com os valores de Z encontrados para comparação de valores médios de aumento de densidade de carga em cada ensaio. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 0 20 40 60 80 100 120 140 ∆ Densidad e de Ca rg a (% )

56

Tabela 5.5: Valores de Z para o teste de hipótese comparando cada condição de número de inserções testado umas com as outras.

N° de Inserções 1 2 3 4 N° de Inserções Ganho % 11% 22% 28% 30% 1 11% * 10,371 16,370 18,172 2 22% -10,371 * 5,999 7,801 3 28% -16,370 -5,999 * 1,802 4 30% -18,172 -7,801 -1,802 *

A Tabela 5.6 aponta o resultado do teste de hipótese correspondente aos valores da tabela 5.6:

Tabela 5.6: Resultado do teste de hipótese caso a caso nas condições testas:

N° de Inserções 1 2 3 4 N° de Inserções Ganho % 11% 22% 28% 30%

1 11% * Rejeita Rejeita Rejeita 2 22% Rejeita * Rejeita Rejeita 3 28% Rejeita Rejeita * Não Rejeita 4 30% Rejeita Rejeita Não Rejeita *

Os resultados confirmam o observado no gráfico. O aumento é relevante estatisticamente a medida que se aumenta o número de inserções. Porém, esse aumento é cada vez menos expressivo quando se compara o aumento entre 1 inserção e 2 inserções com o aumento entre 2 inserções e 3 inserções.

Por sua vez, na comparação entre o processo com 3 e 4 inserções, apesar de se perceber a tendência de aumento de densidade, não é possível afirmar com a confiança estabelecida que há aumento de densidade. A probabilidade que ocorra esse aumento é de 90,8%, considerando o valor obtido de Z e seu respectivo valor α tabelado. Do ponto de vista prático, independente se há aumento ou não com uma quarta inserção, a contribuição dessa inserção para o aumento da densidade de carga se torna pouco vantajosa considerando o aumento de tempo de processo em conseqüência de sua execução.

57

Por tanto, ao se cogitar realizar várias inserções no sistema, tomando como base os resultados nesse trabalho, deveria se realizar no máximo 3 inserções. A terceira inserção apresenta um ganho de 5% que é menor do que a segunda e a primeira inserção que representam um ganho de 10% e 11% respectivamente. Dito isso, a realização da terceira inserção deveria ser um parâmetro operacional correlacionado a produtividade do Coal Bunker, a produtividade da Coqueria como um todo e dos custos de processo envolvidos.

Aceitas essas condições, o potencial de aumento de densidade carga dessa técnica é 28%.

Com relação a amplitude dos dados desse processo, a Figura 5.4 apresenta os seus valores para os diferentes tempos.

Figura 5.4: Gráfico da Amplitude dos resultados do segundo cenário.

Nesse cenário, a amplitude parece apresentar um ponto de máximo com duas inserções de 30 segundos, que equivale ao tempo total de vibração de 60 segundos. Dois fatores podem influenciar mais fortemente a amplitude dos dados nesses cenários. O primeiro fator seria o fato de haver erros experimentais relacionado a cada inserção. Sendo assim, ao aumentar o número de inserções se aumenta o erro experimental

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 30 60 90 120 Amp litu de do s dado s (A /∆ ρ )

58

acumulado, o que pode ser percebido na condição com duas inserções. Por outro lado, o segundo fator seria o potencial de aumento de densidade de carga, que é menor quanto maior a densidade de carga alcançada. Isso por que a medida que a fração de vazios entre as partículas é reduzida o potencial de aumentar a densidade de carga também é reduzido. Logo, em condições onde os aumentos de densidade de carga estão próximos ao máximo possível pela técnica, os dados tendem a apresentar pouca variação. Justificando assim a queda de flutuação dos dados com três e quatro inserções.

Em termos de processo, as mesmas considerações feitas para o caso de uma inserção se aplica nesse item. Com exceção que, um ponto negativo é aumento da exposição das hastes de vibração ao calor, tanto pelo maior tempo dentro do forno, como também pelo fato que em parte do processo a haste estaria exposta a transferência de calor por radiação.

5.3 T

ERCEIRO

C

ENÁRIO

Nessa série de testes foram realizadas simultaneamente a vibração e a alimentação de carvão. Em um primeiro momento o vibrador permaneceu estático dentro do vaso de acrílico enquanto o processo de alimentação ocorria.

No segundo teste dessa série o vibrador de imersão se movimenta para acompanhar o nível de carvão no acrílico, apresentando um movimento ascendente.

Os valores de aumento de densidade de carga encontrados e o tempo de vibração em cada teste realizado, assim como a média de cada processo simulado, estão na Tabela 5.7.

59

Tabela 5.7: Resultado dos ensaios com vibração concomitante com alimentação de carvão: Testes Estáticos Testes com Movimento Ascendente Tempo (s) ∆ρ (%) Tempo (s) ∆ρ (%) 80 17,9% 105 29,7% 83 19,8% 105 27,3% 75 22,1% 95 23,0% 80 23,3% 95 24,4% 76 19,1% 95 21,1% Média 20,4% Média 25,1%

O ensaio com vibração constante e vibrador estático apresentou um ganho de aumento da densidade de carga de 20,4% com um tempo de vibração médio de 79 s. Já o ensaio com vibrador em ascensão o ganho chegou a 25,1% em um tempo útil de vibração médio de 99 s.

Novos testes foram realizados padronizando o tempo de vibração em 95 segundos. Ambos os processos apresentaram o ganho em torno de 25% de adensamento, conforme a Tabela 5.8.

Tabela 5.8: Comparação entre os processos estático e móvel com tempo de vibração padronizado em 95 segundos.

Condição Densidade antes Densidade depois %∆ρ MÉDIA Vibrador Fixo 0,591 0,740 25,2% 25,0% Vibrador Fixo 0,630 0,786 24,8% Vibrador Subindo 0,599 0,739 23,4% 24,5% Vibrador Subindo 0,609 0,765 25,7%

A Figura 5.5 mostra as amplitudes dos dados em relação a variação de densidade de carga em cada um dos casos.

60

Figura 5.5: Gráfico da Amplitude dos resultados do segundo cenário.

Nesse cenário não se pode dizer muito a respeito das amplitudes. Na primeira condição com os tempos variáveis para os processos fixo e móvel influenciaram na dispersão dos dados. Contudo, nos ensaios com tempo fixo em 95 segundos a pouca reprodutibilidade prejudica qualquer análise nesse quesito.

Pensando na aplicação industrial, para realizar tal processo é preciso alterar a estrutura dos fornos de coqueria, construindo orifícios específicos para a introdução dos vibradores. A modificação no Coal Bunker também é de maior complexidade pois os vibradores devem estar alinhados com as bocas de carga, ou seja, quando suspenso ocupariam a mesma região que armazena o carvão.

No entanto, o processo de vibração concomitante com a alimentação possui a grande vantagem de não haver tempos perdidos entre a alimentação e a vibração. Em termos de operação é o que causaria menor impacto no tempo de processo. O valor alcançado de 25% de aumento de densidade de carga é bem próximo dos 28% do processo com três inserções, porém com um tempo total de processo significativamente menor. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Fixo de Tempo Variável Móvel de tempo variável

Fixo durante 95 s Móvel durante 95 s

Ampli tu de dos dados (A /∆ ρ ) Condições Experimentais

61

5.4 E

FEITO DA EXPOSIÇÃO ACUMULADA A VIBRAÇÃO NA DENSIDADE

In document Miljøtilstand og tilførsler til Karmsundet, 2001-02 (sider 53-63)