ANÁLISIS Y SIMULACIÓN NUMERICA DE SECADOR POR INFRARROJO PARA EL ACABADO DEL CUERO

Transcripción

1 ANÁLISIS Y SIMULACIÓN NUMERICA DE SECADOR POR INFRARROJO PARA EL ACABADO DEL CUERO Dr. Sergio Alonso Romero M.C. José Eduardo Frías Chimal Ing. Fernando Bravo Bravo (estudiante de maestría PICYT) San Miguel de Allende Gto.; 29 de Mayo de 2015

2 Introducción Planteamiento del problema Estado del arte Objetivo Simulación numérica Condiciones de frontera Geometría y Malla Modelo matemático estacionario Modelo matemático transitorio Modelo de evaporación Validación de resultados Conclusiones Contenido

3 Introducción Etapas del acabado del cuero 1. Pintado 2. Secado 3. Planchado 4. Ablandado 5. Clasificación 6. Medición El objetivo fundamental del acabado es mejorar las propiedades físicas y estéticas del material curtido. Incrementa la protección frente a la humedad y la suciedad. También mejora el aspecto del cuero. Aumentar las resistencias de solideces en pruebas físicas.

4 Planteamiento del problema Secado del acabado del cuero Convección forzada, tecnología típicamente utilizada en tenerías Radiación del sol como el secado al aire Infrarrojo eléctrico o gas La tecnología infrarroja en el secado muestra ahorros comparado con otras tecnologías como convección (Sánchez, et al., 2006). Equipo diseñado a tamaño planta piloto Escalable Temperaturas internas desconocidas Altas temperaturas afectan la calidad Uso de herramientas numéricas para reproducir el funcionamiento del equipo piloto Perfiles de temperatura experimentales: base del desarrollo del modelo numérico Equipo de secado optimizado Escala adecuada para la industria Comparación de secadores Convección Infrarrojo Longitud 12 m 4 m Tiempo para secar 4.3 gr/ft 2 de agua 33 s 27 s Consumo de gas 8 Kg/h 6 Kg/h

5 Estado del arte Jons, S.; Alonso, S.; Zitzumbo Guzmán R.; Ornelas Rodríguez F.J. (2006) CIATEC A.C., Omega 201, fraccionamiento industrial Delta, C. P. (37545), León Gto. México. INFRARED DRYING : A LEATHER FINISHING APPLICATION Jons, S.; Alonso, S.; Zitzumbo Guzmán R.; Ornelas Rodríguez F.J. (2007) CIATEC A.C., Omega 201, fraccionamiento industrial Delta, C. P. (37545), León Gto. México. IMPROVEMENTS FOR INFRARED DRYING : A LEATHER FINISHING APPLICATION Jesús M. Nieto, Jons A. Sánchez, Manuel R. Carbajal and Hector I. Castañeda (2012). Design of radiation shields for infrared heaters Diseño de escudos de radiación para secadores infrarrojos, 35(3), Aquiles Martínez R, Roger J. Carrillo Castellanos (Comp.) Tomo II (2004) (S. Pérez, Normand Thérien, R.Dhib y A.D.Broadbent) Modelaje del proceso de secado en continuo de textiles mediante un horno a infrarrojo. Páginas Krishnamurthy, K., Khurana, H. K., Jun, S., Irudayaraj, J., & Demirci, A. (2008). Infrared Heating in Food Processing : An Overview.

6 Objetivos 1. Replicar el modelo físico del horno en un modelo de transferencia de calor por el método de volumen finito, con el propósito de obtener un modelo base para el escalamiento a tamaño industrial. MX Realizar la simulación del porcentaje de sustrato evaporado en el proceso de secado para validarlo con resultados experimentales.

7 Simulación numérica 1 Etapa: simulación y validación de modelo térmico estacionario Modelo de simulación de temperatura en estado estacionario de una hoja metálica. Condiciones de frontera del modelo virtual: temperatura en una hoja metálica real bajo el panel de infrarrojo en equilibrio estático. 2 Etapa: simulación y validación de modelo térmico transitorio Perfiles de temperatura experimentales a emplear para validación de modelo de simulación

8 Simulación numérica 3 Etapa: simulación y validación de modelo de evaporación estacionario y transitorio Arreglo experimental para comparar la simulación de evaporación Corrida A B Evaporación % Temperatura de salida( C) A = Gramaje de la película (3.99, 6.30 gr) B = Velocidad de transporte (7.68, m/min) se utilizaron 3 paneles y la distancia de cada uno hasta las probetas se mantuvo en 20 centímetros.

9 Temperatura 60 Temperatura C Ubicación de paneles infrarrojos Tiempo (s)

10 Datos técnicos Panel infrarrojo entrada: 26,000 BTU Temperatura superficial en panel de cerámica: 982 C Emisividad de cerámica: 0.94 Temperatura del cuero al entrar al túnel: 20 C Temperatura del aire circundante: 20 C Humedad relativa aire: 40% Humedad del cuero antes de sustrato: 14% Humedad del cuero seco después del sustrato: 10-12% Altura del sustrato al panel cerámico: 20 cm Espesor de la película aproximada: 0.14 mm Peso de capa del sustrato: 3.14 ± 0.15 g Medida de la muestra empleada: x x 2 mm Numero de paneles encendidos: 3 Separación entre ellos: 82.5 cm

11 Generación de malla Horno de secado Sustrato

12 Modelo matemático estacionario Transferencia de calor con perdida por convección libre temperatura ambiente Q rad: flujo de calor de la fuente de radiación Transferencia de calor sin perdida por convección libre temperatura ambiente Temperatura calculada en la superficie de la hoja metálica en estado estacionario

13 Modelo matemático estacionario Transferencia de calor con perdida por convección libre temperatura ambiente

14 Cambios de temperatura transitoria Error promedio 2.4%

15 Resultados 60 Temperatura C Tiempo (s)

16 Transferencia de masa en evaporación

17 Modelo de evaporación % de masa evaporada en estado estacionario con temperatura constante de 55 C % de masa evaporada en estado estacionario con perfiles de temperatura transitorio

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19 Conclusiones Modelo estacionario sin evaporación: validación de resultados experimentales. Modelo transitorio sin evaporación: buena correlación entre los perfiles de temperatura obtenidos mediante la simulación y los datos experimentales. Modelo estacionario con evaporación: contornos de temperatura calculados. Modelo transitorio con evaporación: en curso.

20 Contacto Sergio Alonso Romero / Ext.: salonso@ciatec.mx Omega 201, Col. Industrial Delta C.P León, Guanajuato, México. +52 (477) LADA sin costo