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Purificación Iglesias Carrasco
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1 INCREMENTO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA HORNILLA PANELERA MEDIANTE EL USO DE UNA PAILA PIROTUBULAR PhD. LA MADRID OLIVARES RAÚL PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDER PhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL PhD. MARCELO ALDANA DANIEL Sección Energía Universidad de Piura Av. Ramón Mugica 131, Piura

2 INTRODUCCIÓN 2

3 Industria Panelera Panela También llamado azúcar no centrifugado, es un alimento endulzante y energético, producto de la concentración de los sólidos solubles presentes en el jugo de la caña de azúcar. Azúcar orgánico 3

4 Proceso de producción 1. Recepción de la caña 2. Molienda 4. Almacenamiento del jugo 3. Filtrado y decantación 4

5 Proceso de producción 5. Clarificado 6. Evaporación y Concentración 12. Tamizado 11. Batido y enfriado 10. Punteo 5

6 PROPÓSITO DE LA INVESTIGACIÓN 6

módulo Cruz Misionera jaggery con la finalidad de incrementar la eficiencia térmica y

7 Utilizar un modelo numérico CFD como herramienta en el diseño de una nueva paila pirotubular que reemplazará a una paila plana aleteada existente instalada en el módulo Cruz Misionera jaggery con la finalidad de incrementar la eficiencia térmica y por ende aumentar la capacidad de producción del módulo. paila plana aleteada paila pirotubular 7

8 ADQUISICIÓN DE DATOS DE CAMPO 8

9 Módulo de procesamiento de panela, Cruz Misionera, en operación, destacando los equipos utilizados para la adquisición de datos. Hualambi Sensores de temperatura Tablero de adquisición de datos 9

10 METODOLOGÍA 10

11 Descripción del problema CASO 1: Dominio computacional de la hornilla original Representación geométrica de los dominios computacional y de los subdominios que lo conforman.

12 Descripción del problema CASO 2: Dominio computacional de la hornilla modificada Representación geométrica de los dominios computacional y de los subdominios que lo conforman.

13 Metodología - Geometría Dominio de Cálculo (Configuración Original)

14 Mallado Mallado del dominio Parámetro Valor Número de elementos Aprox. 20 millones Calidad Ortogonal promedio 0,86 Razón de aspecto medio 2,86 Asimetría promedio 0,25

15 Condiciones de frontera Gases de combustión Condiciones de frontera asignadas a los gases de combustión

16 Condiciones de frontera CC. FF. de los subdominios ducto de gases original y ducto de gases modificado REGION Entrada Salida Paredes (Inferior, laterales y superior del ducto de gases) Interfaces (contacto con las pailas) CONDICIONES DE FRONTERA Y CO = , Y CO2 = , Y H2O = 0.037, Y N2 = e Y O2 = p abs = 0.86 atm (@1264 m. and 15 C) T in = 825 o C, I t = 0.05 (Intensidad turbulenta). m = ρ g p, T u out A t = kg/s u w = 0 m/s (condición de no deslizamiento). ε w = 0.94 (emisividad ladrillo refractario). T w : variación lineal desde 625 C hasta 200 C u w = 0 m/s (condición de no deslizamiento). ε w = 0.4 (emisividad de acero inoxidable). q w : Flujo de calor total transferido a las pailas.

17 Condiciones de frontera q w = q w1 + q w2 q w1 q w2 q w Condiciones de frontera asignadas a las pailas

18 Condiciones de frontera CC.FF. asignadas a la Paila semicilíndrica, Paila Semiesférica I, Paila semiesférica 2, Paila plana aleteada y Paila plana pirotubular. REGION Interface (paredes externas en contacto con los gases de combustion) Interface (paredes de la base interna de las pailas) Interface (paredes laterales de la base de la paila) Interface (paredes laterales externas de la paila) Solido: Acero inoxidable CONDICIONES DE FRONTERA q w (Flujo calor total desde los gases de combustion hasta la base externa de la paila). Solido: Acero inoxidable q w (Flujo calor total desde la base interna de la paila al jugo de caña de azúcar). q w2 = 0 (Pared adiabática) q w2 = 0 (Pared adiabática) CC.FF. asignadas a los dominios de Jugo de caña de azúcar REGION Interface (Jugo caña de azúcar base interna de la paila) Interfaces (Jugo caña de azúcar paredes laterales internas de la paila) Espejo CONDICIONES DE FRONTERA q w (Flujo de calor total transferido desde la base interior de las pailas al jugo de la caña de azúcar). q w2 =0 (pared adiabática) Condición de superficie libre

19 RESULTADOS 19

20 Resultados: Puntos de monitoreo CASO 1 : Original CASO 2 : Modificado Ubicación espacial de los puntos de monitoreo a lo largo del subdominio ducto de humos del modulo " Cruz Misionera"

Resultados: Comparación data campo vs CFD 650 600 550 Field data CFD 500 T [ C] 5 o 450 400 350 300 250 300 350 400 450

21 Resultados: Comparación data campo vs CFD Field data CFD 500 T [ C] 5 o T 4[ o C] Correlación de temperaturas de los gases de combustión en su Configuración Original

22 Resultados: Contornos de Temperatura en la sección longitudinal del ducto de humos Contornos de temperatura de los gases de combustión para los casos en que la hornilla panelera presenta configuraciones: Original (arriba) y Optimizada (abajo).

23 Resultados: Flujo de calor total en las pailas Potencia térmica total que transfiere cada una de las pailas de la hornilla panelera configuradas de acuerdo a los Casos 1 (Original) y 2 (Modificada)

24 Resultados: Comparación cuantitativa de temperaturas puntuales obtenidas mediante CFD Temperaturas puntuales de los gases obtenidas a diferentes posiciones del ducto de humos para los Casos 1 (Original) y 2 (Modificado)

25 Resultados: Comparaciones cuantitativas de los resultados de potencia térmica usando CFD Potencia térmica total que transfiere cada una de las pailas de la hornilla panelera configuradas de acuerdo a los Casos 1 (Original) y 2 (Modificada).

26 Resultados: Comparación cuantitativas obtenidas de la simulación en CFD Balance térmico global de la hornilla panelera del módulo Cruz Misionera de configuraciones descritas por los casos 1(Original) y 2 (Modificado) PARAMETROS CASO 1 (Original) CASO 2 (Modificado) Potencia Térmica Paila semicilíndrica 49.8 kw 49.9 kw Paila semiesférica I 20.6 kw 20.1 kw Paila semiesférica II 12.8 kw 12.7 kw Paila plana aleteada 44.9 kw - Paila pirotubular aleteada kw Total pailas kw kw Disponible: m(h ent H amb ) kw kw Eficiencia Térmica 31.4 % 42.8 %

27 CONCLUSIONES 27

28 Conclusiones El presente trabajo tuvo como objetivo la predicción de las prestaciones térmicas de la hornilla panelera del módulo Cruz Misionera en el supuesto caso en que la paila de tipo plana aleteada se sustituye por una de tipo pirotubular aleteada. Para ello, un modelo basado en la Dinámica de los Fluidos Computacional fue empleado como herramienta de análisis. Dicho modelo fue previamente validado por comparación de datos de campo obtenidos de la hornilla en funcionamiento.

29 Conclusiones Resultados de simulación evidenciaron un aumento apreciable sobre las prestaciones térmicas de la hornilla, cuando la paila plana aleteada es sustituida por una de tipo pirotubular aleteada. Con esta substitución, la potencia térmica que se aprovecha para los procesos de clarificación y evaporación es duplicada, lo cual representa un aumento en la eficiencia térmica de la hornilla de 36%.

30 ADICIONALES 30

31 Adicionales Análisis/Diseño Integridad Estructural

32 Adicionales Fabricación, Montaje y Pruebas

T 5 [ o C] Adicionales Resultados de pruebas Preliminares 650 600 550 500 450 400 350 300 Datos de Campo CFD 250 350

33 T 5 [ o C] Adicionales Resultados de pruebas Preliminares Datos de Campo CFD T 4 [ o C] Correlación de temperaturas de los gases de combustión en su Configuración Modificado

34 Agradecimientos Los autores agradecen al Programa Nacional de Innovación para la Competitividad y Productividad del Ministerio de Producción, por financiar el proyecto N 136-PNICP-PIAP-2015: Optimización Energética del Proceso de Elaboración de Azúcar Orgánica mediante la Implementación de un Intercambiador de Calor de Tipo Pirotubular.

35 GRACIAS!!! PhD. LA MADRID OLIVARES RAÚL PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDER PhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL PhD. MARCELO ALDANA DANIEL Sección Energía Universidad de Piura Av. Ramón Mugica 131, Piura

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