C042 Simulación computacional en eyector de efecto Coanda acoplado a un generador de cuchilla de aire

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1 C042 Simulación computacional en eyector de efecto Coanda acoplado a un generador de cuchilla de aire Computational simulation at Coanda effect ejector coupling with air knife device Jorge A. Sierra del R. 1, Diego A. Hincapié Z 1, Juan G. Ardila M. 1 y Manuel A. Ospina A 1 1 Facultad de Ingenierías, Instituto Tecnológico Metropolitano, Medellín (Colombia). jorgesierra@itm.edu.co RESUMEN Se presenta la simulación computacional en Ansys Fluent V 17.0 de un eyector de efecto Coanda comercial acoplado a un dispositivo generador de cuchillas de aire, el cual es implementado en la industria alimentaria para realizar la operación de secado. Se realizaron cuatro modelos CAD del eyector y una del dispositivo que genera la cuchilla. Las condiciones de operación se establecieron iguales para ambos casos, flujo másico de 0.01 kg s -1 y presión de 0.15 MPa. El modelo de turbulencia seleccionado corresponde al k-ε RNG ( Grupo Re-Normalizado) con tratamiento de paredes. Se encuentra un aumento en el flujo másico secundario (extraído) respecto al flujo másico primario (inyectado) cuando se disminuyó la separación que comunica la zona de alta presión y de mezcla, obteniéndose un ahorro energético del 43 % en el proceso de secado. Palabras clave: Fluent, eyector, secado, industria alimentaria. ABSTRACT This paper presents the computational simulation in ANSYS FLUENT V 17.0 at Coanda effect ejector coupling with air knife device, which is implemented in the food industry for the drying operation in the commercial packing line. Four CAD models of commercial

2 ejector were made and one for device generating the air knife. Operating conditions were set same in both cases, corresponding to a mass flow of 0,01 kg s -1 and a pressure of 0.15 MPa. k-ε RNG (Re-Normalization Group) turbulence model with walls treatment was implemented. Increase in flow rates of secondary mass (extracted) to the primary mass flow (injected) were found when the separation between the high pressure zone and mixing zone communicates decreases, obtaining an energy saving of 43% in the drying process. Keywords: Fluent, ejector, drying, food industrial. INTRODUCCIÓN La operación de secado es un proceso complejo, de alto consumo energético y es ampliamente utilizado a nivel industrial. Según Defraeye, T (2014) el costo energético de la operación de secado se encuentra entre el 10-25% del consumo total de energía en la industria, específicamente en la industria alimenticia. Luego del proceso de lavado y sanitización de los alimentos, se debe realizar el proceso de secado; para realizar esta operación se utilizan dispositivos denominados generadores de cuchillas de aire acoplados a sistemas convencionales de ventilación (Figura 1), los cuales retiran por arrastre las partículas de líquido retenido en la superficie de los alimentos; regularmente estos sistemas utilizan ventiladores con altos costos de inversión y consumo energético. Para H. D, Kim et al. (2006), los eyectores de efecto Coanda son utilizados como amplificadores de aire, estos aprovechan la capacidad que presentan los fluidos (líquidos y gases) en seguir una superficie curva sin presentar desprendimiento de capa límite o recirculación. Según D. Valentin, et al. (2013) los eyectores de efecto Coanda presentan algunas ventajas respecto a los sistemas de ventilación convencionales, baja vibración, no requieren grandes estructuras ni instalaciones eléctricas, bajo mantenimiento debido a que no integran partes móviles, fácil operación y bajo costo, por esta razón, la combinación de eyectores de efecto Coanda con dispositivos generadores de cuchillas de aire para el secado de alimentos por arrastre resulta una alternativa interesante para la industria alimentaria.

3 (a) Figura 1. Elementos comerciales utilizados: (a) Eyector comercial ZH30-X185 de la marca SMC. (b) Cuchilla de aire comercial de la marca Solvair. (b) METODOLOGÍA El dominio de la simulación corresponde al volumen de aire ocupado al interior del ensamble entre el eyector y el generador de la cuchilla de aire tal como se muestra en la Figura 2, las 4 geometrías correspondientes a las separaciones de y 0.8mm en el eyector junto con el aire contenido por el generador de la cuchilla de aire se realizaron en el módulo DesignModeler del Ansys Workbench. El proceso de discretización del volumen de control se realizó en el módulo Meshing del Ansys Workbench, un tratamiento de paredes y una malla adaptativa en función del gradiente de velocidad normalizado entre 0.3 y 0.5 determina dinámicamente la cantidad de elementos a refinar o engrosar, esto determina la configuración de la malla adecuada para garantizar independencia de los resultados respecto a variaciones en la malla, entre 3.2 a 4.3 millones de elementos fueron necesarios para los casos analizados. Las condiciones de frontera establecidas para el dominio de la simulación corresponden a un flujo másico de entrada como flujo primario (0.01 kg s -1 a 0.15 MPa), presión de entrada en la zona de arrastre referente al flujo secundario y presión a la salida correspondientes a la presión atmosférica a condiciones normales de operación (0.101 MPa), condiciones de pared sin movimiento con fricción representan las paredes sólidas de los dispositivos comerciales utilizados. El proceso de solución de las ecuaciones de cantidad de movimiento y conservación de la masa para un flujo tridimensional y compresible se realizaron en el programa Ansys Fluent V17.0. Un método de solución implícito, de tipo de flujo Roe-FDS y

4 discretización espacial de segundo orden garantizan una solución confiable referente al termino inercial presente en un flujo turbulento. El fluido seleccionado es aire como gas ideal. El modelo de turbulencia corresponde al k-ε Re-Normalisation Group (RNG por sus siglas en inglés) en conjunto con la ecuación de energía para tener en cuenta la variación en la densidad del fluido por efectos de la presión. Para inicializar el sistema de ecuaciones, se recomienda la opción de inicialización híbrida, la cual disminuye el tiempo de cálculo considerablemente para un flujo compresible en conjunto con la función Full MultiGrid (FMG por sus siglas en inglés) la cual es recomendada para flujos con altos gradientes de velocidad y presión. El equipo de cómputo utilizado para desarrollar el proceso de simulación corresponde a una Workstation Dell T7600 perteneciente al grupo de Materiales Avanzados y Energía (MATyER), tiempos de simulación entre 10 y 15 horas fueron necesarios para garantizar resultados con residuos inferiores a 1E-4 RMS (Root Mean Square) en el balance de masa y cantidad de movimiento, además del monitoreo temporal del flujo másico inyectado y aspirado fueron implementados como parámetro de convergencia, verificando un comportamiento constante frente a las variaciones de la malla cada 100 iteraciones, así se verifica convergencia en resultados e independencia de la malla. (a) Figura 2. Dominio de la simulación. (a) Volumen de aire contenido por el ensamble eyector-generador de la cuchilla de aire. (b) Detalle separación en eyector. Fuente propia. (b) RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5 Se presentan resultados cualitativos y cuantitativos referentes al aumento de flujo másico de aire secundario o arrastrado obtenido por la implementación del eyector de efecto Coanda, el cual será utilizado por el generador de la cuchilla de aire para el secado de los alimentos previo al proceso de empacado. En la Tabla 1 se presentan los parámetros y resultados de la simulación. En el trabajo presentado por H. D, Kim et al. (2006), se define el parámetro w como la relación del flujo másico arrastrado (ms) respecto al flujo másico de aire comprimido (mp), determinando así la eficiencia energética del dispositivo. Tabla 1: Parámetros y resultados cuantitativos del proceso de simulación. Separación [mm] 0.8 Presión Aire Comprimido [MPa] Flujo másico aire comprimido m p [kg/s] Flujo másico aire arrastrado m s [kg/s] w = ms m p Se encuentra que para una separación menor, se presenta una eficiencia energética w mayor, presentando este comportamiento hasta una separación de 0.3mm, esto se traduce en mayor flujo de aire volumétrico arrastrado para las mismas condiciones de operación del aire comprimido, generando una amplificación del caudal de aire inyectado y un ahorro energético en el secado de los alimentos previos al proceso de empaque. Este resultado se presenta debido a que las condiciones del flujo a través de la separación equivalente a 0.3mm están más cercanas a las condiciones críticas de presión y velocidad del flujo que el escenario para una separación de 0.5 y 0.8mm. Este comportamiento también fue evidenciado en las simulaciones computacionales realizadas por H. D, Kim et al. (2006), donde se presenta un factor w mayor a una separación menor. Para una separación de 0.2mm, se obtuvo una disminución en la eficiencia del dispositivo, esto se debe a que en esta configuración el fluido presenta condiciones de presión y velocidad superiores a las condiciones críticas del fluido, lo cual se traduce en restricción y pérdida de velocidad a la salida de la zona de alta presión hacia la zona de mezcla y por ende a una disminución en el

6 arrastre del flujo primario sobre el secundario. Al igual que los resultados positivos en cuanto al acoplamiento entre un eyector de efecto Coanda y una pared hueca con ventilación forzada, D. Valentin, et al. (2013), se encuentra que el conjunto eyector Coanda y generador de la cuchilla de aire representan una alternativa interesante para disminuir consumos energéticos en procesos de secado implementados en la industria alimentaria. En la Tab 2 se presentan resultados cualitativos del campo de velocidad a la salida del generador de la cuchilla de aire mediante un contorno de velocidad y vectores para cada una de las 4 geometrías analizadas correspondientes a separaciones de y 0.8mm. Cualitativamente se encuentran velocidades superiores a la salida del dispositivo generador de la cuchilla de aire para una separación de 0.3mm, sin embargo el perfil de velocidad es menos uniforme, lo cual se atribuye a que la geometría del fluido al interior del dispositivo generador de la cuchilla de aire no es una copia fiel del dispositivo comercial, este representa de manera esquemática su funcionamiento y evalúa la incidencia de la separación configurada en el eyector concerniente al desempeño y viabilidad de implementar industrialmente el acoplamiento entre los 2 dispositivos. Tabla 2: Resultados cualitativos a la salida del generador de la cuchilla de aire. Separación Descripción [mm] Perfil de velocidad en la salida del generador de la cuchilla de aire

7 Descripción Separación [mm] Vectores de velocidad a la salida del generador de la cuchilla de aire CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

8 La simulación computacional de la dinámica de fluidos (CFD por sus siglas en inglés) realizada para validar la incidencia de la separación en el eyector de efecto Coanda comercial acoplado con el generador de la cuchilla de aire, muestra que a menor separación se presenta un incremento del flujo arrastrado. Para el caso en el cual se configura una separación de 0.3mm se alcanza una eficiencia energética del 43%. Se concluye que tanto energética como económicamente es viable la implementación de un eyector de efecto Coanda para amplificar la cantidad de aire utilizada por el dispositivo generador de la cuchilla de aire con el fin de realizar operaciones de secado en cualquier proceso; sin embargo, se deben realizar estudios sobre el conjunto conformado por el eyector y el generador de la cuchilla de aire tanto numéricos como experimentales con el fin de determinar la mejor configuración de los parámetros geométricos de cada uno de los dispositivos comerciales analizados. Agradecimientos Los autores de este estudio agradecen la colaboración por parte de la empresa AUTOMATECH Industrial LTDA por el suministro del eyector comercial referencia ZH30-X185 de la marca SMC, a la dirección de investigación y al grupo de investigación de materiales avanzados y energía-matyer del Instituto Tecnológico Metropolitano por el préstamo del equipo y espacio utilizado para el desarrollo de esta investigación. Literatura citada Defraeye, T Advanced computational modelling for drying processes A review. Applied Energy. Vol 131, pp , Doi: /j.apenergy D. Valentin, A. Guardo, E. Egusquiza y P. Alavedra Use of Coanda nozzles for double glazed facades forced ventilation. Energy & Buildings, vol. 62, pp , Doi: /j.enbuild

9 H. D, Kim, G. Rajesh, T. Setoguchi y S. Matsuo Optimization Study of a Coanda Ejector. Journal of Thermal Science, vol. 15, pp , Doi: /s