M.C. José Eduardo Frias Chimal Dr. Sergio Alonso Romero M.C. Miguel Ángel Corzo Velázquez M.I. Raúl Lesso Arroyo

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1 Rediseño Geométrico y Validación Numérica de la Optimización de la Transferencia de Calor en Campañas de Cocción de Ladrillo Rojo en el Estado de Guanajuato M.C. José Eduardo Frias Chimal Dr. Sergio Alonso Romero M.C. Miguel Ángel Corzo Velázquez M.I. Raúl Lesso Arroyo

2 Contenido Introducción Planteamiento del problema Justificación Objetivo Modelo matemático Geometría Malla Materiales Condiciones de frontera Procesamiento Validación de resultados Conclusiones

3 Que es CIATEC? CIATEC, desde su fundación, hace 35 años, ha respondido a las necesidades de la industria en materia de innovación tecnológica en áreas como Cuero-Calzado. Adicionalmente ha diversificado su atención hacia Materiales, Biomecánica e Ingeniería Ambiental.

4 Que es CIATEC? Pertenecemos a la RED de CENTROS PUBLICOS CONACYT, lo que nos permite interactuar con otros 26 centros tecnológicos y de investigación del país que juntos suman el esfuerzo de 5,000 tecnólogos e investigadores de distintas áreas del conocimiento.

5 Introducción

6 Planteamiento del problema Debido al gran impacto como actividad contaminante, es preciso contribuir a mejorar los efectos nocivos generados por la elaboración de ladrillos Deforestación Contaminación ambiental Ineficiencia térmica

7 Justificación Tabla 1. Datos generales de la producción de ladrillos 2,362 hornos 0.8 % Grafica 1. Combustibles utilizados en hornos ladrilleros del Estado de Guanajuato Instituto de Ecología. Gto, 2008

8 Tipos de hornos ladrilleros Tipo de Horno Horno MK2 Horno de 2 cámaras Horno semicontinuo Horno continuo Horno Vertical VSK Horno tradicional mejorado Campaña tradicional Horno fijo semienterrado Cap. Miles Cargas por mes Recup e- ración de calor 5-10 /5 días 20 /5 días 2-5 /días 15/8dias 8-50/6-9 dias /3-4 dias 6 6 Continua Continua 3.5 por mes Si solo para secado de siguient e carga. Si (en tres de las cuatro etapas) Si Si Si No No No

9 Objetivo Realizar un modelo numérico mediante el método de volumen finito que represente la transferencia de calor de una campaña de cocción de ladrillo rojo.

10 Fenómenos en el horno Conducción por la superficie de contacto entre los ladrillos. Conducción en el gas que ocupa los espacio vacíos formados por el estibado de ladrillos. Conducción de las partículas del ladrillo. Convección natural en el gas de combustión. Convección natural gas-sólido. Convección forzada en el gas. Radiación entre los ladrillos del horno. Radiación entre los espacios vacíos vecinos. Radiación por el quemado del combustible.

11 Modelo matemático

12 Planteamiento del Modelo matemático Ecuación de continuidad + ρρρρ = 0

13 Planteamiento del Modelo matemático Ecuaciones de cantidad de movimiento FF = mm aa FF = dddd dddd + ρρρρρρ = + ττ xxxx + ττ yyyy + ττ zzzz + ρρgg xx + ρρρρρρ = + ττ xxxx + ττ yyyy + ττ zzzz + ρρgg yy + ρρρρρρ = + ττ xxxx + ττ yyyy + ττ zzzz + ρρgg zz VV + ρρvvvv = pp ττ + ρρgg

14 Planteamiento del Modelo matemático Ecuación de la energía fluido ρρρρ + ρρρρρρ = λλ + λλ + λλ + uuττ xxxx + uuττ yyyy + uuττ zzzz + vvττ xxxx + vvττ yyyy + vvττ zzzz + wwττ xxxx + wwττ yyyy + wwwwww + ρρ VV gg

15 Planteamiento del Modelo matemático Ecuación de la energía sólido ρρρ = kk ss + kk ss + kk ss

16 Planteamiento del Modelo matemático Modelo de Buoyanci o flotación ρρ ρρ rrrrrr = ρρ rrrrrr ββ TT TT rrrrrr ββ = 1 ρρ Densidad de referencia de 1.18 kg/m 3.

17 Planteamiento del Modelo matemático Ecuaciones de transporte para el modelo de turbulencia k-εε ρρρρ + xx jj kkkkuu jj = xx jj μμ + μμ tt σσ kk xx jj ρρρρ ρρρρ + xx jj εεεεuu jj = xx jj μμ + μμ tt σσ εε xx jj + εε kk CC εεερρρρ

18 Planteamiento del Modelo matemático El Modelo de Monte Carlo simula los las interacciones físicas entre los fotones y su entorno. Un fotón es seleccionado desde una fuente de fotones y seguido a través del sistema, cada vez que el fotón experimenta un evento por ejemplo, la dispersión o la absorción Modelo de radiación: Monte Carlo

19 Quema de Ladrillo

20 Quema experimental

21 Actividades realizadas Tipo de estibado de ladrillos Medición de dimensiones generales del horno Temperatura ambiente Velocidad del aire Humedad del aire Tipo de combustible Medición de la temperaturas en la pared exterior Medición de las temperaturas dentro del horno

22 Instrumentación 13 termopares tipo K por cara. Total 52 termopares

23 Toma de temperaturas

24 Toma de temperaturas

25 Equipo de medición pared exterior FLUKE Ti50 FT CALIBRADORES DE TEMPERATURA PARA RTD PIRÓMETRO INFRARROJO TIPO PISTOLA

26 Horno experimental

27 Graficas Experimentales

28 Simulación numérica

29 Geometría 3 secciones Estibado general Rejilla Arcos

30 Geometría Arcos Rejilla Modelo geométrico final de quema inicial

31 Geometría

32 Malla Elemento Hexaédrico con 8 nodos Elementos 6,475,586 Nodos 6,856,123

33 Materiales Para fines de la simulación del horno de ladrillos se generaron dos dominios Tabla 1. Propiedades del ladrillo Propiedad Magnitud Unidades Conductividad térmica 0.69 W m -1 K -1 Densidad 1600 kg m -3 Capacidad calorífica 840 J kg -1 K -1 Tabla 2. Propiedades del aire Propiedad Magnitud Unidades Conductividad térmica W m -1 K -1 Capacidad calorífica J kg -1 K -1

34 Consideraciones del modelo Sistema adiabático: no se tienen datos de coeficientes de transferencia de calor en las paredes. Transferencia de calor en la parte superior con el coeficiente de transferencia de calor estimado teóricamente. Humedad del 10% en adobes (dato muy variable adobe a adobe). Propiedades físicas constantes del adobe tomadas de la literatura: calor específico, densidad, difusividad térmica. Flujo de calor de alimentación constante (curva de temperatura). Perfil de velocidad de gases de alimentación definido.

35 Condiciones de frontera Entrada Opening 25 C

36 Condiciones de frontera Pared Simetría

37 Condiciones Inlet Temperatura de gases Velocidad de gases

38 Procesamiento Se realizó una solución en estado transitorio. Tiempo simulación de 15 horas. Timesteps de 0.1 segundos. El criterio de convergencia se usó el tipo residual (RMS) con una precisión de 1x10-4 Tiempo real 40 días. Intel(R) Exeon(R) CPU 2.4Ghz 2.39Ghz (2 procesadores) Memoria RAM de 24 GB Corridas seleccionadas se realizaron en el Centro de Computo del Grupo SSC

39 Resultados numéricos

40 Simulación numérica Temperaturas

41 Simulación numérica Vectores de velocidad

42 Comparación de resultados Experimental vs Simulación

43

44 Conclusiones Se cumplieron los objetivos debido a que se obtuvo una buena correlación (0.9521) entre los perfiles de temperatura obtenidos mediante la simulación y los datos experimentales, en la primeras horas y se identificaron los principales fenómenos que influyen en la transferencia de calor del horno. Durante las primeras horas de la quema los efectos de radiación no son significativos en la parte superior del horno, por lo tanto los efectos convectivos predominan en la transferencia de calor. Un fenómeno no modelado, pero que tiene gran influencia en los perfiles de temperatura en el interior horno, es la evaporación del agua contenida en los ladrillos ya que existe una transferencia de masa de agua desde el ladrillo hacia los gases de combustión.

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