Análisis comparativo del flujo y modelado de la transferencia de calor para una mezcla de gas y partículas en secadores ciclónicos por aspersión



Documentos relacionados
DIPLOMADO DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL CFD

CAPITULO 4 FLUIDIZACIÓN EMPLEANDO VAPOR SOBRECALENTADO. Potter [10], ha demostrado en una planta piloto que materiales sensibles a la

CAPITULO 6 ANALISIS Y ESTUDIO DE SECADO. El secado de sólidos se puede definir de distintas maneras, según el enfoque que se

Caída de Presión en Tubos de Diferente Diámetro

CAPITULO 5. PROCESO DE SECADO. El secado se describe como un proceso de eliminación de substancias volátiles (humedad)

TEMA 1 Conceptos básicos de la termodinámica

CAPITULO 4 FLUIDIZACIÓN EMPLEANDO VAPOR SOBRECALENTADO. 4.1 Comparación del proceso de sacado con vapor sobrecalentado y aire.

MODELADO Y ANÁLISIS DE CONTROLABILIDAD DE UNA TORRE DESECADO POR ATOMIZACIÓN. Madalyd Yurani Vera Peña 1, Hernán Alvarez 1

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA VICERRECTORADO ACADEMICO COMISION CENTRAL DE CURRICULUM

1. INTRODUCCIÓN 1.1 INGENIERÍA

Ficha Técnica Secado Solar

Dr. José Vicente García Pérez. Resumen

Uso de combustibles fósiles: las centrales térmicas

Los gases combustibles pueden servir para accionar motores diesel, para producir electricidad, o para mover vehículos.

En esta tesis se presenta el proyecto Integración de un sistema Virtual Full-

Auditorías Energéticas

PROBLEMAS. Segundo Principio. Problema 1

Potenciales de optimización de reacciones de laboratorio -

Condensación y ebullición ING Roxsana Romero Ariza Junio 2013

7. REFRIGERACIÓN DE MOTOR

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA QUÍMICA. La mecánica cuántica estudia la estructura atómica, los enlaces en moléculas y la espectroscopia.

INTERÉS Y POSIBILIDADES DE LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

krones VarioSpin El eficiente sistema de desgasificación del producto

EQUIPOS UTILIZADOS EN HUMIDIFICACIÓN

ANALISIS FLUIDODINAMICO DE INYECTORES BI-PROPELENTES

1. Definición. 2. Proceso Productivo

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Eficiencia de calderas: Casos de estudio y alternativas de mejora

SISTEMA DE CONTROL DE LAS VARIABLES OPERACIONALES EN LA POLIMERIZACIÓN DE PROPILENO A ESCALA PILOTO

OPTIMIZACIÓN DE LOS SUBLIMADORES DE AZUFRE

doc 027 E INCRUSTACIONES EN CALDERAS DE VAPOR A FUEL-OIL

ANÁLISIS DE EXERGÍA EN PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL PARA POTENCIALES DESARROLLOS EN VENEZUELA

Una caldera de vapor para cada necesidad Generador de vapor rápido o caldera pirotubular

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIHUAHUA

MODELO ESTACIONAL DE LLUVIAS EN BASE A PROCESOS DE POISSON NO HOMOGÉNEOS.

D E S C R I P C I O N

1. Transferencia de calor y operaciones unitarias

Dirección de Planificación Universitaria Dirección de Planificación Universitaria Panamá, Rep. de Panamá Panamá, Rep.

Aplicaciones en ingeniería química.

ESTUDIO DEL SISTEMA ESTÁTICO DE PROTECCIÓN DE UNA TURBINA A GAS

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Entropía s [KJ/Kg.ºK]

ANSYS-Fluent como herramienta de diseño y evaluación de sistemas auxiliares en Invernaderos

CURSO INTERNACIONAL: PRODUCCION Y APROVECHAMIENTO ENERGETICO DE BIOMASA

MÓDULO 3 CURVAS DE INFILTRACIÓN

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

[1] Si se analiza en un perfil del suelo la distribución vertical del agua en profundidad

Capítulo 6. Valoración respiratoria

A continuación se presenta los resultados obtenidos en las pruebas realizadas en

Introducción

A.N.E.P. Consejo de Educación Técnico Profesional. Educación Media Tecnológica TERMODINÁMICA ASIGNATURA: TERMOFLUIDOS II

PROGRAMA DE ESTUDIO. Básico ( ) Profesional ( ) Especializado ( X ) Teórica (X) Teórica-práctica () Práctica ( )

JORNADA: EFICIENCIA ENERGÉTICA: UN CAMINO EN EL AHORRO Y LA MEJORA DE LA COMPETITIVIDAD EN LA INDUSTRIA Y LA ADMINISTRACIÓN.

Calentadores y Sistemas de Fluido Térmico.

ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE FRONTERA EN LA INTERFASE AIRE AGUA (SUPERFICIE) PARA LA SIMULACIÓN HIDRODINÁMICA DE LAGUNAS FACULTATIVAS SECUNDARIAS

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES

4. Ecuaciones integrales de la transferencia de calor.

PLAN DE ASIGNATURA. Presentación

FLUJOGRAMA DE PROCESOS. SELECCIÓN

PARTE III OBTENCIÓN DE MODELOS OBTENCIÓN DE MODELOS MODELADO E IDENTIFICACIÓN ASPECTOS A TENER EN CUENTA MODELADO IDENTIFICACIÓN OBTENCIÓN DE MODELOS

II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. Secado generalmente se refiere a la remoción de líquido de un sólido por evaporación ( Perry, 1984)

GUIA DE EJERCICIOS DE OPERACIONES UNITARIAS II SECADO

Análisis del diseño de una chimenea solar

39ª Reunión Anual de la SNE Reus (Tarragona) España, septiembre 2013

Estudio de la evaporación

TORRE DE ENFRIAMIENTO CICLO COMBINADO HÍBRIDO

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

MEDICION DEL IMPACTO DE LAS REDES SOCIALES EN LOS ESTUDIANTES DE LICENCIATURA DE LA FACULTAD DE INGENIERIA DE LA UACH Y SU EFICIENCIA ACADEMICA

Transferencia de calor Intercambiadores de calor

Determinación del equivalente eléctrico del calor

ETAPA DE PREPROCESADO. Generación de geometría. Generación de malla ETAPA DE RESOLUCIÓN. Definición de modelos físicos

C()n()cer- el C()WP()rtamient() del air-e pe..-mite aplicar- cñteñ()s C()r-r-ect()s de manej() en el ac()ndici()namient() y almacenaie..

1. Proyecto de intervención

LABORATORIO DE QUÍMICA ANALÍTICA E INSTRUMENTAL GUÍA No 2.3- METODOS DE SEPARACIÓN POR DESTILACIÓN

PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Industrial. Sistemas de Ventilación en Ferrocarriles Metropolitanos: Panorámica y Estrategias de Diseño

CÁLCULO DE PARÁMETROS AERODINÁMICOS TRIDIMENSIONALES UTILIZANDO OPENFOAM APLICACIÓN A CLASES DE GRADO

Aire acondicionado y refrigeración

PROGRAMA DE CAPACITACIÓN AÑO 2012 ANALISIS, DIMENSIONAMIENTO E INGENIERIA DE OLEODUCTOS

Práctica No 1. Separación de Cationes por Cromatografía de Papel

Objetivo Docente del Tema 4:

Integración de una resistencia calefactora de SiC y un tubo de nitruro de silicio en baños de aluminio fundido

UNEFM TERMODINAMICA APLICADA ING. ANA PEÑA GUIA DE PSICOMETRIA

INTRODUCCIÓN: LA FÍSICA Y SU LENGUAJE, LAS MATEMÁTICAS

Turbinas de vapor. Introducción

Monitoreo de condiciones meteorológicas en Baja California Sur. Luis M. Farfán CICESE, Unidad La Paz, B.C.S.

2. Redes de Medición de la Calidad del Aire

Modelización Climática de Alta Resolución en terrenos de orografía compleja

Mecánica de Energía. Pérdidas de Energía Total

EFICIENCIA ENERGETICA Y ADMINISTRACION DE LA DEMANDA EN EL SECTOR PRODUCTIVO

Parte II: Ensayos físicos de Caracterización de Materiales Procedimientos de ensayo para caracterizar el comportamiento físico de los Materiales

La evapotranspiración: concepto y métodos para su determinación. Capítulo I

LIMPIEZA Y DESINFECCIÓN EN LA INDUSTRIA LÁCTEA

Relevancia para la toma de decisión

of a suspension de una suspensión Sadoth Sandoval Torres 1, Marc Valat 2, Pascal Ginisty FOULAYRONNES, France FOULAYRONNES, France.

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA SÍLABO ASIGNATURA: MÁQUINAS TÉRMICAS I

ASIGNATURA: OPERACIONES UNITARIAS PARA TRATAMIENTO DE AGUAS.

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


MARCO METODOLÓGICO CAPITULO III

1. Construcción de Planes de Acción Sectoriales (PAS)

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

Transcripción:

Análisis comparativo del flujo y modelado de la transferencia de calor para una mezcla de gas y partículas en secadores ciclónicos por aspersión Dr. Javier Morales Castillo UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México tequilaydiamante@yahoo.com.mx Marco Antonio Merino Rodarte UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA Facultad de Ciencias Químicas Campus Universitario #2 Chihuahua, Chih, Mexico mmerinorodarte@gmail.com Dr. Antonino Pérez Hernández CENTRO DE INVESTIGACION EN MATERIALES AVANZADOS Ave. Miguel de Cervantes 120 Complejo Industrial Chihuahua Chihuahua, Chihuahua, México antonino.perez@cimav.edu.mx Dr. F. Javier Almaguer Martínez UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Facultad de Ciencias Físico Matemáticas Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México almagerjavier@gmail.com RESUMEN Los secadores ciclónicos por aspersión han sido ampliamente utilizados para secar partículas dispersas en gases. En este trabajo, un ciclón fue usado como un sistema de transferencia de calor entre un fluido caliente y partículas de menor temperatura. El comportamiento del flujo del aire y las partículas en estado estacionario fue modelado por Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) [1]. En este trabajo se comparó el comportamiento de un secador de flujo cruzado y uno de flujo paralelo. El efecto del tamaño de partícula, velocidad y temperatura fueron analizados. Los resultados de la simulación confirmaron la aplicabilidad de los modelos de CFD como una herramienta para el estudio de las variables críticas en los secadores ciclónicos. º PALABRAS CLAVE: Secador Aspersión, CFD, Flujo cruzado, Flujo paralelo. 1 INTRODUCCIÓN El secado es el proceso de remoción térmica de sustancias volátiles (humedad) para producir un producto sólido. Cuando un sólido húmedo es sometido al proceso de secado térmico, ocurren simultáneamente dos procesos, transferencia de energía (en su mayoría en forma de 1

calor) del ambiente circundante hacia la superficie húmeda y la difusión del agua interna hacia la superficie del sólido, y posteriormente transferencia de masa por evaporación. La difusión de la humedad interna dentro del sólido, está en función de la temperatura, concentración de agua y de las propiedades físicas del sólido. La eliminación de agua como vapor, en la superficie del sólido, depende de la superficie expuesta y las condiciones externas de temperatura, presión, humedad y flujo del aire [2]. El secado por aspersión es un proceso que convierte pequeñas gotas de un líquido en polvo seco por contacto con una corriente de aire caliente. La rápida evaporación mantiene baja temperatura de la gota, sin que las altas temperaturas del gas afecten al producto [3]. En la industria se utiliza una gama amplia de mecanismos de aspersión (boquillas, discos rotatorios, etc.) y de posiciones de la aspersión, donde los más comunes son de flujo cruzado y flujo paralelo. El estudio y comprensión del comportamiento físico del secado por aspersión se puede facilitar al separarlo en dos volúmenes de control. El volumen de control macroscópico, que comprende la entrada del aire a la cámara de secado, define los procesos termodinámicos globales basados sobre mediciones y monitoreo de parámetros del proceso de secado. El balance de materia y energía se calcula con las entradas y salidas de la cámara de secado. Dentro del volumen de control macroscópico, el volumen de control de aspersión es donde se analiza de formación individual en cada gota, la interacción con el gas caliente que la rodea inmediatamente, y la evaporación del solvente para formar partículas secas. El desarrollo en los procesos de secado por aspersión es, comúnmente, empírico y basado en la experimentación. Los métodos tradicionales usan diseños de experimentos con análisis estadístico de los parámetros de proceso, y como resultado, las propiedades del producto. Estas son metodologías intensivas y costosas, en tiempo e insumos [4]. Además los flujos turbulentos de aire, en tres dimensiones, complican la comprensión fundamental del comportamiento del proceso de secado [5]. El rápido desarrollo de las herramientas computacionales para la simulación numérica, para predecir el comportamiento de los secadores ha tomado un rol importante en el estudio y desarrollo de esto equipos. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un conjunto de técnicas numéricas para la solución de los modelos matemáticos que describen la dinámica de fluidos, en un dominio discretizado. Son de gran utilidad en la solución de problemas relacionados con procesos dinámicos de transferencia de calor y masa, interacciones sólido-fluido, reacciones químicas, cambio de fase y radiación [6], pues se obtienen resultados detallados sobre el comportamiento del sistema en cada punto del mismo. 2 METODOLOGÍA 2.1 Volumen de control: Geometría y Mallado La simulación se llevó a cabo en un secador ciclónico. Se construyó el volumen de control macroscópico a partir de los planos del equipo, con el software de diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés) Design Modeler [1]. La discretización del dominio o mallado consistió en dividir el volumen de control en pequeños elementos con formas de hexaédricas, donde para cada uno de ellos y por interpolación se resuelven las ecuaciones propias del modelo. 2

2.2 Condiciones de frontera De los parámetros iniciales de diseño y operación se identificaron las condiciones de frontera al sistema, es decir entradas y salidas de materia, cabe mencionar que se consideró como sistema adiabático. La entrada de gas se consideró como una entrada abierta a presión ambiental, en la cual ingresa el flujo de aire y pasa a través de un quemador de gas calentándolo a 200ºC. El flujo de aire caliente es controlado por extractor instalado a la salida del secador, el caudal se calculó a partir de las especificaciones técnicas del extractor. Los parámetros de aspersión se simularon para boquillas estándar comerciales con un flujo de 0.06 litros por segundo. 2.3 Modelado por CFD El aire entra, por la parte superior del secador, con una cierta velocidad y presión generadas por la succión del extractor en la parte inferior. El aire es tratado como una fase continua en la cual se resuelven las ecuaciones de conservación de masa, energía y momento, así como las de Navier-Stokes. Se usó el modelo k- realizable para el modelado la turbulencia del flujo del gas dentro del volumen de control. Se eligió este modelo por ser el más acorde al fenómeno y su comportamiento [7]. Para simular el comportamiento de la aspersión, así como su transferencia de masa y calor, se utilizó el Modelo de Fase Discreta (DPM), basado en la aproximación de Euler-LaGrange, donde la fase dispersa se resuelve por seguimiento de un número de partículas o gotas a través de la fase continua calculada. Se consideró el intercambio de momento, calor y masa entre ambas fases [7]. La solución del modelo y el análisis de resultados se llevaron a cabo en un software de CFD comercial: Ansys Fluent Inc [8]. 3 RESULTADOS El Flujo de aire caliente es entra por la parte superior, entra en contacto con el líquido asperjado y es sale junto con el producto seco por la parte inferior. En la parte inferior está instalado un extractor de aire. En la Figura 1, se muestra el dominio generado para la simulación del secador por aspersión, se indica la posición de la boquilla se aspersión según el caso de flujo paralelo (B1) y flujo cruzado o contra corriente (B2). 3

Entrada B1 B2 alida S Figura 1. Dominio del modelo, Volumen de control macroscópico La Figura 2 muestra el comportamiento del flujo del aire caliente, aquí se puede observar la importancia de la geometría de la entrada del aire, pues la inercia del flujo al momento de entrar por el ducto en 90, desvía el flujo hacia la pared del secador, generando un vórtice horizontal, el cual se ve directamente afectado por la posición de la aspersión, y a su vez el tiempo de residencia promedio de las partículas: 1.06264 s y 2.62229 s para el modelo a flujo paralelo y cruzado, respectivamente. B1 B2 A) B) Figura 2. Comportamiento del flujo de aire caliente en el modelo de A) flujo paralelo y B) flujo cruzado. Las líneas de flujo se presentan coloreadas en función de la velocidad. 4

La Figura 3 muestra el efecto de la evaporación del agua en el perfil de temperaturas del aire. Dicho perfil de temperaturas se grafica en una superficie con código de color en función de la temperatura (izquierda). Para cada una de las partículas (Gotas), generadas en la aspersión, se monitoreo su trayectoria, y su pérdida en masa por efecto de la evaporación del agua. En la figura 3 del lado derecho se muestra la trayectoria de cada partícula coloreada en función de su concentración de sólido. Para una boquilla de aspersión de doble fluido con mezclado externo, el tamaño de partícula es indirectamente proporcional a la viscosidad y tensión superficial del fluido, además depende del comportamiento externo del fluido [9]. ( ) --------------------------------------------------------------------(1) --------------------------------------------------------------------------------------------------(2) -----------------------------------------------------------------------------------------(3) Donde SDM, es el diámetro medio de Sauter, Re y We son los números de Reynolds y Weber respectivamente. El tamaño partícula calculado durante la simulación se comparó con el teórico revisado en la literatura[9]. Para una inyección en flujo paralelo resulto un tamaño de partícula medio de 195 micrómetros, y 223 micras para el contra flujo, cuando el encontrado aplicando las formulas (1)-(3) fue de 225 micras. Las diferencias encontradas entre los tamaños de partícula cada caso y el teórico, son debidas al comportamiento propio del flujo cruzado y contraflujo. Sin embargo no son significativas y permiten verificar que la aspersión modelada es adecuada. 5

B1 A) B2 B) Figura 3. Efecto de la evaporación del agua en el perfil de temperaturas. Contorno coloreado en función de la temperatura (izquierda) y concentración de sólidos en la partícula (derecha), correspondientes para el modelo de A) flujo paralelo y B) flujo cruzado. La Figura 4 muestra el perfil de fracción másica del vapor de agua para cada uno de los casos. Se calculó una tasa promedio de evaporación en el secador para el flujo paralelo y contraflujo con de 2.00084e-006 [kg s-1] y 1.7482-006 [kg s-1] respectivamente. La cantidad de agua evaporada en ambos casos, 95.3 y 84.13 % para el flujo paralelo y contraflujo respectivamente, esta diferencia es debida principalmente a la interacción del aire caliente con el volumen de aspersión, cabe mencionar que la distribución de tamaños de partícula genera suficiente área superficial para que ambos secadores sean eficientes. 6

B1 B2 A) B) Figura 4. Distribución de la fracción másica de vapor de agua en el modelo de A) flujo paralelo y B) flujo cruzado, respectivamente. 4 CONCLUSIONES La eficiencia de secado para ambos casos fue similar, debido a que la boquilla de aspersión genero partículas con una superficie de intercambio extensa. Lo cual produce coeficientes de transferencia de calor altos. Sin embargo, modelo a contra flujo presenta un comportamiento más favorable por su dispersión espacial del arrastre de partículas. El análisis por CFD es una herramienta útil para evaluar dos distintos diseños de equipo, es una herramienta de tomas de decisión. 5 AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue posible gracias a la colaboración entre tres instituciones académicas importantes, la Universidad Autónoma de Chihuahua, la Universidad Autónoma de Nuevo León y el Centro de Investigación en Materiales Avanzados; y al apoyo del Dr. Javier Morales y Dr. Antonino Pérez. 6 REFERENCIAS 1. Ansys-Inc. Computational Fluid Dynamics (CFD) Software. [cited 2014 13 de Agosto]; Available from: http://www.ansys.com/. 7

2. Mujumdar, A. and A. Menon, Drying of solids: Principles,Classification and selection of dryers, in Handbook of Industrial Drying, A. Mujumdar, Editor. 2006: Quebec, Canada. p. 1279. 3. Roustapour, O.R., et al., A proposed numerical experimental method for drying kinetics in a spray dryer. Journal of Food Engineering, 2009. 90(1): p. 20-26. 4. Dobry, D.E., et al., A Model-Based Methodology for Spray-Drying Process Development. Journal of Pharmaceutical Innovation, 2009. 4(3): p. 133-142. 5. Turchiuli, C., et al., Evolution of particle properties during spray drying in relation with stickiness and agglomeration control. Powder Technology, 2011. 208(2): p. 433-440. 6. Cengel, Y.A., et al., Fluid mechanics fundamentals and applications. Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. 2006: México:. McGraw-Hill. 7. Ansys-Inc., ANSYS FLUENT Theory Guide. 2011. 8. Fluent, A., 15.0 Theory Guide. ANSYS inc, 2013. 9. Liu, H., Science and Engineering of Droplets:: Fundamentals and Applications. 1999: William Andrew. 8