Modelización del flujo hidráulico para la mejora de la eficiencia energética en el proyecto de plantas de depuración de aguas residuales. Noviembre de 2009 Antonio Gómez López Ing. Caminos, Canales y Puertos Oficina Técnica ESAMUR
ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN.... 3 2. OBJETIVOS DE LA MODELIZACIÓN.... 3 3. LA MODELIZACIÓN DEL FLUJO HIDRAULICO O CFD.... 5 3.1. FASE DE PREPROCESO.... 6 3.2. FASE DE SIMULACIÓN.... 7 3.3. FASE DE POSTPROCESO... 8 4. SIMULACIONES REALIZADAS.... 10 4.1. PLANTEAMIENTO INICIAL.... 10 4.2. ESTUDIO DE CÁMARA ANÓXICA DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS CONVENCIONAL.... 11 4.2.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO.... 11 4.2.2. ESTUDIO DE LAS LÍNEAS DE CORRIENTE... 15 4.2.3. ESTUDIO DE LOS ISOVOLÚMENES DE VELOCIDAD... 21 4.2.4. ESTUDIO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA.... 23 4.2.5. CONCLUSIONES.... 28 4.3. ESTUDIO DE UN REACTOR BIOLÓGICO TIPO CARRUSEL.... 28 4.3.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO.... 28 4.3.2. ESTUDIO DE LAS LÍNEAS DE CORRIENTE... 31 4.3.3. ESTUDIO DE LAS ISOVOLÚMENES DE VELOCIDAD... 35 4.3.4. ESTUDIO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA.... 39 4.3.5. CONCLUSIONES.... 41 4.4. FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO.... 42 5. CONCLUSIONES FINALES.... 42 6. AGRADECIMIENTOS.... 43 pág 2/43
MODELIZACIÓN DEL FLUJO HIDRÁULICO PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EL PROYECTO DE PLANTAS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES 1. INTRODUCCIÓN. Uno de los objetivos de ESAMUR, que es el Lema de estas V Jornadas Técnicas de Saneamiento y Depuración, es la eficiencia energética de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales gestionadas por esta Entidad. Así, como parte de las actuaciones que en este sentido se están llevando a cabo en la Entidad, se incluye la línea de trabajo de modelización de instalaciones, tanto desde un punto de vista físico como de proceso biológico. Es el objeto principal de la presente ponencia presentar la modelización dinámica de fluidos, o CFD, siglas del término en inglés Computational Fluid Dynamics, como una herramienta más que puede contribuir a la consecución del objetivo de eficiencia energética planteado. También a modo de ejemplo se describen los trabajos que están siendo realizados en este campo bien directamente por ESAMUR o por empresas especializadas contratadas al efecto. 2. OBJETIVOS DE LA MODELIZACIÓN. Como es conocido, sin entrar en mayor profundidad, el coste de la energía en el proceso de depuración supone normalmente alrededor de un tercio del coste total del proceso, con tendencia a aumentar en los próximos años, siendo ya en algún caso el coste energético superior incluso al coste de personal, tradicionalmente el de mayor peso en esta factura. pág 3/43
Analizando los componentes de este coste energético encontramos que habitualmente el tratamiento biológico supone alrededor del 60 % del consumo energético de una instalación media con tratamiento terciario. Así la optimización del funcionamiento del reactor biológico tiene una incidencia directa e importante en el consumo energético de las instalaciones de depuración. El CFD nos permite estudiar, de un modo numérico, el comportamiento hidráulico punto a punto en todo el volumen del fluido, permitiendo detectar comportamientos anómalos como zonas de baja velocidad, cortocircuitos o caminos preferenciales, tiempos de residencia anómalos,. Esto facilita en gran medida la optimización de las instalaciones de depuración, y en particular del reactor biológico, en fase de proyecto así como, en el caso de instalaciones ya construidas, el ensayo de posibles nuevas soluciones sin asumir el riesgo inherente a cualquier modificación en la geometría o los parámetros de funcionamiento de una instalación en marcha. El ahorro energético obtenido de la optimización del diseño hidráulico del reactor biológico puede ser difícil de cuantificar. En algunos casos el estudio CFD puede concluir en que es posible asegurar el nivel de eficacia requerido dejando fuera de uso o modificando el funcionamiento de algún equipo con consumo, como por ejemplo la eliminación o el funcionamiento a menos revoluciones de un acelerador de flujo, que supondría una reducción inmediata y directa del consumo energético de la instalación. No obstante es indudable que un funcionamiento más eficaz de una instalación permite, a igualdad de consumo energético, un mejor resultado o lo que es equivalente tratar un mayor volumen de agua con resultados aceptables, lo que redundaría en una mejora del ratio energético de planta, lo que podemos considerar como un ahorro energético indirecto. pág 4/43
Por otra parte el aumento de la eficiencia de las instalaciones y la obtención de mejores resultados podría, en algún caso, llegar a hacer innecesarios otros procesos de la instalación, con el ahorro energético que ello supondría, además de aumentar la garantía de funcionamiento lo que siempre es rentable desde el punto de vista medioambiental. 3. LA MODELIZACIÓN DEL FLUJO HIDRAULICO O CFD. En este apartado se pretende explicar, de un modo muy básico a nivel de usuario, en qué consiste la modelización CFD, término que como ya se ha citado anteriormente procede de la expresión inglesa Computational Fluid Dynamics, que se podría traducir por la simulación mediante ordenador de los fluidos en movimiento. Como cualquier otra modelización por ordenador, consiste en la utilización de métodos numéricos para resolver y analizar el comportamiento, en este caso de fluidos en movimiento. Así, mediante el empleo de ordenadores, que realizan los millones de operaciones necesarias, se puede simular la interacción de líquidos y gases entre sí y con las condiciones de contorno, así como determinar los valores de las variables estudiadas en el dominio. El análisis por CFD es muy utilizado en distintos sectores industriales, como el aeronáutico, la automoción o el sector naval, siendo relativamente reciente su empleo en el campo del diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales. El esquema básico de la simulación se puede dividir en tres fases diferenciadas: 1º Preproceso. 2º Simulación. 3º Postproceso. pág 5/43
3.1. FASE DE PREPROCESO. El primer paso consiste en la definición de la geometría del dominio del fluido que estamos modelizando, en 2 o en 3 dimensiones según el caso. Esta definición geométrica se puede realizar mediante software de dibujo asistido por ordenador CAD o directamente con las herramientas de dibujo del software de simulación. El segundo paso, dado que la mayor parte de los programas CFD están basados en el método de volúmenes finitos, consiste en dividir esta geometría en celdas o volúmenes, más o menos uniformes y de mayor o menor tamaño en función de la precisión de cálculo que necesitemos, de manera que cuanto mayor sea el número de celdas en una zona mayor resolución de datos obtendremos y el resultado será más exacto. Es importante decidir el tamaño de celda necesario ya que a mayor número de celdas más tiempo requerirá la fase de simulación y mayor potencia de cálculo necesitaremos. Aproximadamente se necesitará 1 Gbit de memoria RAM por cada millón de celdas. Es importante tener claros desde el principio los objetivos de la simulación, las variables que se van a estudiar más pormenorizadamente, así como las zonas de más interés en el futuro postproceso, ya que una elección adecuada del mallado puede facilitar mucho las labores de postproceso y la obtención de resultados útiles. En tercer lugar es necesario definir las condiciones de contorno del dominio fluido, definiendo elementos como las paredes, superficies de simetría, zonas de entrada, zonas de salida, zonas de impulsión o fuentes de movimiento,.., de manera que el modelo tenga en cuenta todas aquellas condiciones que afectan a la simulación y que le permitan ajustarse lo más posible a la realidad. Por último, a medio camino entre la fase de preproceso y la fase de simulación, hay que definir los modelos físico-matemáticos a emplear en el cálculo en función de nuestras necesidades, utilizando en su caso las ecuaciones que gobiernen el problema concreto como pueden ser las de continuidad, energía, radiación, momento, turbulencia,. Los programas comerciales tienen gran cantidad de modelos distintos pág 6/43
por lo que es muy importante elegir el más adecuado para representar el fenómeno físico real que se produce. A veces puede ser necesario probar distintos modelos hasta obtener resultados que sean razonables o ajustar el modelo mediante ensayos. 3.2. FASE DE SIMULACIÓN. La fase de simulación comienza estableciendo una solución inicial para cada celda, esta solución inicial para cada variable a analizar puede ser cero u otro valor estimado si se conoce. A partir de este punto se inicia la simulación resolviendo las ecuaciones de manera iterativa para cada elemento del dominio hasta que se obtenga una solución final suficientemente ajustada. En general los programas de modelización CFD utilizan mecanismos de resolución basados en el método de volúmenes finitos, aunque existen otros métodos que podrían utilizarse. Así, las ecuaciones diferenciales que definen el fenómeno físico son resueltas numéricamente por el ordenador mediante su discretización en un sistema de ecuaciones algebraicas, en el que las incógnitas son los valores de las variables fluidas (velocidad, presión, temperatura, ) en todas las celdas de la malla. La resolución directa del sistema de ecuaciones es muy difícil, por lo que se lleva a cabo mediante un procedimiento iterativo que se considera que se alcanza una solución final, una solución convergida, cuando se llega a un punto en el que la solución no cambia, o los cambios son despreciables, para cada nueva iteración y se satisfacen las ecuaciones de conservación aplicables. Se pueden definir gráficos o monitores para comprobar el grado de convergencia de la solución en cada momento, como por ejemplo el siguiente: La precisión del cálculo dependerá de la elección del modelo físico, la densidad de malla y la configuración del cálculo. pág 7/43
3.3. FASE DE POSTPROCESO. Consiste en la visualización y análisis de los datos resultantes de la simulación. La cantidad de datos obtenidos puede ser enorme por lo que es importante disponer del software y la potencia de cálculo adecuados. Las posibilidades de postproceso son enormes ya que los datos obtenidos proporcionan una descripción detallada de cualquier punto del campo termofluidodinámico del modelo simulado. Así por ejemplo, se pueden calcular y representar con gran precisión en forma de imagen o en forma de animación las líneas de corriente del fluido. pág 8/43
Es posible calcular isosuperficies o isovolúmenes para un valor o rango de valores de cualquier variable, como la velocidad y determinar por ejemplo el volumen del reactor con una velocidad absoluta inferior a un valor dado. Además del postproceso gráfico también se puede realizar un postproceso numérico a partir de los datos obtenidos. Así por ejemplo calculando el tiempo de residencia de un número representativo de líneas de corriente se puede estudiar estadísticamente la distribución de tiempos de residencia en el volumen. pág 9/43
4. SIMULACIONES REALIZADAS. 4.1. PLANTEAMIENTO INICIAL. Como ya se ha indicado la cantidad de posibles variables a simular, así como las posibilidades de postproceso son muy numerosas. Así en las simulaciones realizadas hasta el momento se han establecido como objetivos principales el estudio de las líneas de corriente y las velocidades del flujo, así como analizar el tiempo medio de residencia considerado como una variable estadística. Todas las simulaciones realizadas hasta el momento se han hecho en modo estacionario, es decir, se calcula el campo de velocidades en todo el dominio para unas determinadas condiciones de contorno, que no varían a lo largo del tiempo, de manera que se obtiene una foto fija de dicho campo a partir del cual se pueden obtener mediante postproceso el resto de valores, como el tiempo de residencia de las líneas de corriente. Resulta especialmente interesante, desde nuestro punto de vista, el estudio de la distribución del tiempo de residencia medio de un conjunto de líneas de corriente representativo, ya que permite cuantificar numéricamente la calidad del diseño o condiciones de operación simuladas y comparar entre si los distintos casos. En un funcionamiento ideal de la instalación, todas las líneas de corriente en el volumen tendrían el mismo tiempo de residencia. Esto implicaría que todo el volumen está trabajando en las condiciones establecidas en el diseño de la instalación o en el punto de funcionamiento que el gestor de la planta determine. Ese tiempo de residencia medio ideal sería igual al cociente del volumen del reactor entre caudal tratado. Así podríamos decir que cuanto mayor sea el agrupamiento de la distribución de tiempos alrededor de la media, es decir cuanto menor sea la desviación estándar más cerca estaremos de la solución ideal, ver gráfico. pág 10/43
Hasta el momento se han estudiado dos casos particulares de entre las instalaciones explotadas por ESAMUR. La simulación del comportamiento hidráulico de la cámara anóxica de un reactor de fangos activos convencional y el estudio de un reactor biológico de tamaño medio tipo carrusel realizado este último, dada su complejidad, por la empresa consultora especializada INGECIBER, S.A. 4.2. ESTUDIO DE CÁMARA ANÓXICA DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS CONVENCIONAL. 4.2.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO. Se plantea la simulación, en modo estacionario, de la cámara anóxica del reactor biológico de fangos activos que se puede ver en la fotografía de página siguiente y cuyo plano de planta se incluye a continuación, estudiando las líneas de corriente y las velocidades del flujo de agua, así como analizando el tiempo medio de residencia. Los datos básicos del modelo son: Nº Elementos: 840.716 volúmenes finitos Nº Nodos: 906.983 nudos Volumen: 1.667 m 3 Caudal entrada: 2.000 m 3 /h Caudal salida: 2.000 m 3 /h Características líquido: Elementos especiales: Agitadores: 1.006 kg/m 3 de densidad 0,013 kg/m seg de viscosidad dinámica 2 ud de 1.530 N de empuje pág 11/43
En el funcionamiento simulado del modelo suponemos el agua residual entrando a la cámara anóxica mientras el mismo caudal es aliviado por el vertedero de salida, conforme a la ley de la continuidad. No se ha considerado la conducción de 20 cm de diámetro que conecta por su parte inferior la cámara anóxica con la siguiente cámara del reactor, ya que por sus pequeñas dimensiones y la escasa diferencia de nivel entre ambas cámaras el caudal desaguado a través de dicho orificio es despreciable en comparación al del labio de salida. El modelo tiene en cuenta la acción de los agitadores existentes mediante la adición al fluido de un empuje (N/m 3 ) en la dirección axial del agitador sobre el volumen que coincide con el barrido de las palas. El lateral de este volumen, con forma de cilindro, se define como una pared sin rozamiento para impedir que el fluido sea succionado a través de esta superficie y que el flujo externo no se frene debido a la presencia de esta pared ficticia. Con este esquema se han simulado 5 casos distintos e independientes entre sí, variando entre cada uno de ellos los siguientes parámetros: La disposición y el empuje de los agitadores, lo que pretende simular la acción de un variador de frecuencia. Modificaciones en la geometría para intentar mejorar el funcionamiento del sistema. Simulación 1: Se simulan las condiciones de funcionamiento reales. Así se define el agua entrando a través de una ventana en la arqueta de reparto que da paso a la cámara anóxica por un vertedero pág 12/43
superior. Se activan los dos agitadores en su posición actual funcionando a 50 Hz. Simulación 2: Se considera la misma geometría que el caso 1 pero con los dos agitadores funcionando a 40 Hz, simulando el efecto de un variador de frecuencia. Simulación 3: Se modifica la geometría situando la entrada del agua directamente a la cámara anóxica a través de un hueco lateral de 1 x 1 m. En cuanto a los agitadores se cambian las alturas de los mismos funcionando a 50 Hz. pág 13/43
Simulación 4: Se emplea la misma geometría que en el caso 3, pero añadiendo un deflector a lo largo del vertedero de salida. Los agitadores se sitúan los dos a la misma altura en la parte inferior y funcionando a 50 Hz. Simulación 5: Se considera la misma geometría que el caso 4 con los dos agitadores funcionando a 40 Hz, simulando el efecto de un variador de frecuencia. pág 14/43
4.2.2. ESTUDIO DE LAS LÍNEAS DE CORRIENTE. Del análisis del recorrido de las líneas de corriente se pueden deducir las siguientes consideraciones: CASO 1 El comportamiento del flujo como era de esperar es muy caótico debido al efecto de los agitadores, creándose por el efecto de los mismos una rotación con velocidades mayores en la periferia de la cámara y disminuyendo la velocidad hacia la zona central. pág 15/43
Tal y como puede apreciarse en el gráfico de velocidades siguiente, correspondiente a un plano perpendicular al vertedero de entrada por su centro, existe un claro camino preferencial por la parte superficial hacia el labio de salida. Se pueden detectar zonas de recirculación bajo la arqueta de entrada como puede apreciarse en el gráfico vectorial siguiente, correspondiente a un plano paralelo al vertedero de entrada por el eje del agitador 2. pág 16/43
CASO 2 El comportamiento del flujo es muy similar al caso 1, disminuyendo las velocidades como consecuencia del menor empuje pero con un trasiego general del mismo tipo. El efecto del camino preferencial en superficie se acentúa como consecuencia del menor nivel de agitación en la cámara. pág 17/43
CASO 3 Al cambiar la geometría e introducir el agua por el lateral de la arqueta de entrada la circulación es aún más caótica estableciéndose una nueva corriente central correspondiente al giro hacia la derecha de las líneas de corriente procedentes de la entrada, por el efecto del agitador 2, enfrentado con esta. Al haber cambiado la entrada a través del vertedero ya no se aprecia la corriente preferencial superficial que se establecía entre dicho vertedero y el labio de salida en los casos 1 y 2. Sin embargo la situación elevada del agitador 1 provoca una aceleración de las líneas de corriente en dirección ascendente en la parte final del vertedero de salida, lo que hace que se favorezca mucho la rápida salida de las líneas de corriente en esa zona. Esto puede observarse en los gráficos siguientes correspondientes el primero de ellos a un plano paralelo al vertedero de salida por el eje del agitador 1 y el segundo a un plano de velocidades de la superficie. pág 18/43
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CASO 4 Para contrarrestar los efectos detectados en el caso 3 se ha bajado la cota del agitador 1 y se ha colocado un deflector a lo largo del labio de salida. Esto hace irreconocible cualquier tipo de camino preferencial entre la entrada y salida como puede apreciarse en las imágenes siguientes: pág 20/43
CASO 5 El comportamiento del flujo es muy similar al caso 4, disminuyendo las velocidades como consecuencia del menor empuje pero con un trasiego general del mismo tipo. 4.2.3. ESTUDIO DE LOS ISOVOLÚMENES DE VELOCIDAD. Otro resultado cuyo estudio puede resultar interesante son las isosuperficies e isovolúmenes de velocidad, para a partir de ellos estimar el volumen del reactor biológico con velocidades de circulación inferiores a un valor dado. Generalmente se considera que velocidades inferiores a 0,3 m/s podrían ocasionar problemas de sedimentación, así en cada simulación se ha calculado el valor del volumen de reactor biológico con velocidad absoluta inferior a 0,3 m/s. No obstante dada la naturaleza de los sólidos del licor mezcla, con velocidades de sedimentación muy bajas, y la incertidumbre sobre el valor mínimo de velocidad necesario para mantener los sólidos en suspensión, también se ha calculado el volumen con velocidad absoluta inferior a 0,15 m/s y a 0,05 m/s, para tener una referencia inferior y cuantificar las zonas de velocidad auténticamente reducida. Los valores del volumen de reactor con velocidad inferior a un valor determinado y su porcentaje con respecto al volumen total obtenidos, son los que se indican en la siguiente tabla: pág 21/43
Caso v < 0.3 m/s v < 0.15 m/s v < 0.05 Caso 1 1.110 m 3 66,6 % 428 m 3 25,7 % 44 m 3 2,7 % Caso 2 1.335 m 3 80,1 % 787 m 3 47,2 % 100 m 3 6,0 % Caso 3 1.349 m 3 81,4 % 842 m 3 50,8 % 123 m 3 7,4 % Caso 4 1.353 m 3 81,7 % 751 m 3 45,4 % 79 m 3 4,8 % Caso 5 1.476 m 3 89,1 % 1022 m 3 61,7 % 263 m 3 16,0 % Es evidente que los porcentajes del reactor con velocidades pequeñas son más elevados de lo que cabría esperar dado el nivel de agitación de la cámara. A falta de una comprobación experimental de las velocidades reales, cuya realización está a la fecha de redacción de la presente ponencia pendiente de realizar, suponemos que se debe a un desajuste en alguno de los parámetros que rigen la simulación. No obstante se puede observar que independientemente del valor absoluto de las velocidades los resultados son coherentes disminuyendo el volumen de reactor conforme bajamos la velocidad de consigna y obteniendo menores velocidades cuando bajamos el empuje de los agitadores. La siguiente imagen muestra, a modo de ejemplo, una isosuperficie de velocidad, concretamente la de velocidad < 0,15 m/s del caso 3. pág 22/43
4.2.4. ESTUDIO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA. Como ya se ha mencionado, uno de los resultados más interesantes es el estudio de la distribución del tiempo de residencia medio de un conjunto de líneas de corriente representativo, ya que permite cuantificar numéricamente la calidad de la geometría y condiciones de operación simuladas y comparar entre sí los distintos casos. Para ello en todas las simulaciones se ha creado una inyección de partículas sin masa ni rozamiento en la entrada, de manera que en cada celda de entrada se inyecta una partícula y se registra la traza que describe por el medio fluido hasta la salida. Para cada traza se puede calcular el tiempo, en segundos, que tarda dicha partícula en salir, lo que nos da una muestra de tiempos de residencia, que si es suficientemente numerosa, en nuestro modelo entre 440 y 520 trazas según la geometría, podemos considerar representativa del comportamiento de los tiempos de residencia en el volumen. Los parámetros estadísticos de los muestreos obtenidos y la representación de las frecuencias de aparición de los tiempos en forma de histograma son los siguientes: CASO 1 Forma Asimetría Desviación estándar Media Máximo Mínimo Caso 1 2,78 3.905 2.993 34.652 28 pág 23/43
La media de los tiempos de residencia obtenidos en la muestra es de 2.993 segundos, muy cercanos a los 3.001 teóricos, lo que es indicativo de la representatividad de la muestra. Como puede comprobarse el 29 % de los tiempos de residencia tienen una duración comprendida entre 0 y 300 segundos, es decir pasan en menos de 5 minutos, lo que es una clara indicación de la existencia de un cortocircuito importante entre la entrada y la salida, cosa que se corresponde con lo observado en el estudio de las líneas de corriente. Por otra parte la desviación estándar es elevada, por encima de la media, lo que nos da idea de que la dispersión de tiempos es grande. CASO 2 Forma Asimetría Desviación estándar Media Máximo Mínimo Caso 1 2,78 3.905 2.993 34.652 28 Caso 2 3,02 4.388 3.027 39.232 27 Como en el caso 1 la media de los tiempos de residencia obtenidos en la muestra es de 3.027 segundos, muy cercanos a los 3.001 teóricos. Como ya se veía en el estudio de las líneas de corriente el cortocircuito superficial se hace más patente, siendo en este caso el 44 % de los tiempos los que pág 24/43
tienen una duración comprendida entre 0 y 300 segundos. La desviación estándar es aún más elevada que en el caso 1, aumentando ligeramente el tiempo máximo y el mínimo, luego el tiempo de residencia claramente empeora en esta simulación. CASO 3 Forma Asimetría Desviación estándar Media Máximo Mínimo Caso 1 2,78 3.905 2.993 34.652 28 Caso 2 3,02 4.388 3.027 39.232 27 Caso 3 2,15 3.460 2.956 22.885 102 La media de los tiempos de residencia obtenidos en la muestra es de 2.956 segundos, cercanos a los 2.981 teóricos de esta geometría, con lo que entendemos que la muestra es representativa. Vemos importantes diferencias con respecto a los casos 1 y 2. En primer lugar baja mucho el porcentaje de tiempos por debajo de los 300 segundos, pasando del 29 % del caso 1 al 12 % en este caso 3. La desviación estándar también ha bajado acortándose el rango de valores de los tiempos, como lo demuestran los valores máximos y mínimos, ahora más cercanos a la media. pág 25/43
Por tanto en este caso se mejora el tiempo de residencia de la cámara aunque aún encontramos un 32 % de los valores comprendidos entre 300 y 900 segundos. Esta distribución de tiempos nos hace pensar que se ha eliminado el camino preferencial más rápido detectado en los casos iniciales, pero aparece otro nuevo para un tiempo algo posterior, que podría deberse al efecto del agitador 1 que se veía en el estudio de las líneas de corriente de este caso 3. CASO 4 Forma Asimetría Desviación estándar Media Máximo Mínimo Caso 1 2,78 3.905 2.993 34.652 28 Caso 2 3,02 4.388 3.027 39.232 27 Caso 3 2,15 3.460 2.956 22.885 102 Caso 4 2,26 2.239 2.957 16.428 245 La media de los tiempos de residencia obtenidos en la muestra es de 2.957 segundos, cercanos a los 2.981 teóricos, con lo que entendemos que la muestra es representativa. pág 26/43
Se observa una clara mejoría de los tiempos de residencia con respecto a los casos anteriores. Los porcentajes de menos de 900 segundos, han bajado mucho llegando los de menos de 300 segundos casi a desaparecer. El intervalo de mayor población ha pasado a ser el de entre 900 y 1500 segundos, que aunque aún está relativamente lejano al valor medio es mucho mejor que los anteriores. Por otro lado la desviación estándar también ha bajado, estando ya en valores inferiores a la media y el rango de valores de los tiempos se ha acortado más aún, como lo demuestran los valores máximos y mínimos. Así parece que se comprueba el efecto favorable del deflector sobre el tiempo de retención, uniformizando la distribución del mismo en el volumen de la cámara. CASO 5 Forma Asimetría Desviación estándar Media Máximo Mínimo Caso 1 2,78 3.905 2.993 34.652 28 Caso 2 3,02 4.388 3.027 39.232 27 Caso 3 2,15 3.460 2.956 22.885 102 Caso 4 2,26 2.239 2.957 16.428 245 Caso 5 1,39 1.971 2.986 11.407 444 pág 27/43
La media de los tiempos de residencia obtenidos en la muestra es de 2.986 segundos, cercanos a los 2.981 teóricos, con lo que entendemos que la muestra es representativa. Se observa una ligera mejoría con respecto al caso 4 de los tiempos de residencia, ya que pese a que ha aumentado el porcentaje de entre 300 y 900 segundos, ha desaparecido completamente las líneas de menos de 300 segundos y se han igualado algo más los porcentajes de los tres intervalos entre 900 y 2.700 segundos. La desviación estándar es la menor de todas las obtenidas y el rango de valores de los tiempos se ha acortado más aún, como lo demuestran los valores máximos y mínimos. 4.2.5. CONCLUSIONES. Como resumen podemos deducir las siguientes conclusiones: La simulación del funcionamiento actual detecta la presencia de un fuerte camino preferencial entre la entrada y salida a nivel superficial, con una dispersión de los tiempos de residencia muy grande. Las modificaciones de la geometría simuladas pueden mejorar en gran medida la distribución de los tiempos de residencia en la cámara, mejorando por tanto su funcionamiento, siendo posible tantear alguna solución más para optimizar el caso. Los resultados en lo que a las velocidades se refiere deben ser comprobados a nivel experimental para ajustar el modelo en caso necesario. Una vez comprobada a nivel experimental la distribución de velocidades el funcionamiento con variadores de frecuencia sobre una solución geométricamente optimizada puede ser factible, produciendo un ahorro energético directo en la instalación. 4.3. ESTUDIO DE UN REACTOR BIOLÓGICO TIPO CARRUSEL. Como ya se ha mencionado antes, este caso ha sido realizado por la consultora especializada INGECIBER, S.A., plasmándose en esta ponencia un resumen del estudio realizado. 4.3.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO. Se plantea la simulación, en modo estacionario, del reactor biológico tipo carrusel que se puede ver en la fotografía de página siguiente y cuyo plano de planta se incluye a continuación, estudiando las líneas de corriente y las velocidades del flujo de agua y aire, así como analizar el tiempo medio de residencia considerado como una variable estadística. pág 28/43
Los datos básicos del modelo son: Nº Elementos: 16.268.028 volúmenes finitos Nº Nodos: 3.519.800 nudos Volumen: 7.736 m 3 Caudal entrada: 8.000 m 3 /día Caudal salida: 8.000 m 3 /día Características líquido: 1.006 kg/m 3 de densidad 0,013 kg/m seg de viscosidad dinámica Características aire: 1 mm de diámetro de burbuja Elementos especiales: Aceleradores de corriente: 4 ud de 17.500 m 3 /h Parrilla de difusores: 1 superficie de 5.000 m 3 /h pág 29/43
En el funcionamiento simulado del reactor biológico suponemos el licor mezcla circulando por el reactor biológico impulsado por la acción de los aceleradores de corriente, mientras se airea mediante la inyección de burbujas en un área específica del fondo. Al mismo tiempo que se introduce el agua por la tubería de entrada, el mismo caudal es aliviado por el vertedero de salida, conforme a la ley de continuidad. Los aceleradores de corriente se simulan mediante la adición al fluido de una cantidad de movimiento en la dirección axial en el volumen, con forma de cilindro, que coincide con el barrido de las palas. El lateral del cilindro se define como una pared sin rozamiento para impedir que el fluido sea succionado a través de esta superficie y que el flujo externo no se frene debido a la presencia de esta pared ficticia. Con este modelo se han simulado 3 casos distintos e independientes entre sí, variando únicamente entre cada uno de ellos el número y disposición de los aceleradores activos. Simulación 1: Se activan los aceleradores de corriente 1 y 2, correspondientes a los aceleradores situados inmediatamente aguas arriba de la zona de aireación. pág 30/43