Entendimiento del Patrón de Flujo de Aire y Fenómeno de Transferencia de Calor en Secadora

Domestica Usando CFD

Victor Hugo Miranda Razo MABE Tecnología y Proyectos

Acceso B #406 Parque Industrial Jurica, C.P. 76120; Querétaro, México

tel. +52(442)211 4800 ext. 8343

Metodología 1) Descripción del Problema

2) Experimentación “datos de entrada”

3) CAE como Herramienta de Diseño

3.1) Desarrollo

3.2) Validación

4) Resultados Experimentales del Concepto Final

5) Conclusiones

Entender el patrón de flujo interno de aire y el fenómeno de transporte de calor en la secadora de ropa domestica, mediante simulación numérica (CFD) para mejora del consumo energético.

Control de

Calor 0%

94%

6% CFD: Computational Fluid Dynamics

1) Descripción del Problema

2) Experimentación “Datos de Entrada”

𝑴𝑴 Flujo Másico [kg/s] 𝑻𝑻 Temperatura [K]

𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 25°C

𝑻𝑻𝑨𝑨𝑪𝑪𝑨𝑨𝑪𝑪𝑻𝑻𝑪𝑪𝑪𝑪 Tipo “J”

𝑭𝑭𝑪𝑪𝑭𝑭𝑭𝑭𝑪𝑪 𝑪𝑪𝑨𝑨 𝑨𝑨𝑨𝑨𝑪𝑪𝑨𝑨 𝑻𝑻𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑻𝑻𝑻𝑻𝑨𝑨𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨𝑻𝑻𝑨𝑨𝑪𝑪 𝑪𝑪𝑨𝑨 𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪

Etapa de Diseño Confirmación del Diseño

Desarrollo CAE

Desarrollo de Prototipos

Experimentación

Selección de Prototipo

3) “CAE” como Herramienta de Diseño

Objetivo: Validar simulación numérica con pruebas experimentales para asegurar la implementación del concepto.

Experimentación Datos de Entrada

CFD

CAE: Computer Aided Engineering

Desarrollo de Geometría “CAD”

3.1) Desarrollo CAE

Proceso de Mallado “ICEM”

Pre-Proceso “CFX”

Parameter Condition Side Panels Adiabatic Wall Top Panel Adiabatic Wall Rear Panel Adiabatic Wall Chassis Adiabatic Wall Heater Housing Adiabatic Wall Drum Adiabatic Wall Diffuser Adiabatic Wall Lint Filter Adiabatic Wall Blower Adiabatic Wall Blower Housing Adiabatic Wall Outlet Mass Flow Ambient Opening Heater Heat Transfer

Coefficient

Post-Proceso “CFX”

Solver “CFX”

𝑞𝑞" =𝑊𝑊𝑚𝑚2

𝑞𝑞" = 𝒉𝒉𝒉𝒉𝑻𝑻 𝑇𝑇ℎ𝑒𝑒 − 𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎

𝑻𝑻𝒉𝒉𝑨𝑨 Temperatura del Elemento 𝑻𝑻𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨 Temperatura Ambiente

𝑨𝑨𝑻𝑻𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑪𝑪𝑻𝑻𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 Promedio en Temperaturas

97%

𝑰𝑰𝑨𝑨𝑨𝑨𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑻𝑻𝑨𝑨𝑻𝑻 Masa

Momento Energía

< 1%

𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑪𝑪𝑨𝑨𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨𝑻𝑻𝑨𝑨𝑪𝑪 RMS

< 1E-4

3.2) Validación CAE

𝑨𝑨𝑻𝑻𝑪𝑪𝑪𝑪𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑪𝑪𝑻𝑻𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 Promedio en Temperaturas

97%

La tendencia de los puntos de monitoreo de temperatura del aire de la Simulación numérica se aproximan a los resultados experimentales.

Transferencia de Calor sobre la Fuente de Energía

Vectores de Velocidad Sobre el Plano Medio de la Secadora

Patrón de Flujo de Aire en Resistencia Eléctrica

Contorno de Temperatura en Resistencia

Del patrón de vectores y el contorno de temperatura se observa que la transferencia de calor sobre el elemento resistivo externo es poco eficiente.

Zonas de Baja de Eficiencia

Desarrollo de Prototipo(s) y Generación de Concepto Final

Mejorar Transferencia de Calor

Reducir Costo de la Pieza

Mantener la Calidad

Soporte Técnico del Proveedor

Generación de Conceptos

Concepto Final

Evaluación Experimental

Objetivos:

El resultado de la Simulación Numérica muestra la posibilidad de mejorar la transferencia de calor en la fuente de energía.

4) Resultados Experimentales del Concepto Final

Concepto Base Concepto Nuevo

La diferencia sobre los puntos de monitoreo de temperatura incrementó en un 5% como promedio.

Indicativo Energético

Consumo Energético para una secadora eléctrica bajo una carga estándar de 8.45lb (3.83kg): 2.0 kWh Por cada kWh se genera: 0.553kg de CO2 Ciclos por año por Secadora: 400 Cantidad de unidades vendidas por año: 800,000

𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘2 = 2𝑘𝑘𝑊𝑊𝑘 ×0.553𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘2/𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈

𝑘𝑘𝑊𝑊𝑘×

400𝑘𝑘𝑈𝑈𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶/𝐴𝐴𝐴𝐶𝐶𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈

×800000𝑉𝑉𝑉𝑉𝑈𝑈𝑉𝑉𝑈𝑈𝐶𝐶

𝐴𝐴𝐴𝐶𝐶

𝒌𝒌𝑪𝑪𝑪𝑪𝒌𝒌𝟐𝟐 = 160,679,680

Objetivo MABE para nuevas plataformas de secado

“Reducir un 5% en Consumo de Energía y Emisiones de CO2 “

𝒌𝒌𝑪𝑪𝑪𝑪𝒌𝒌𝟐𝟐 = 80,339,840

5) Conclusiones 1) La aproximación entre la simulación numérica y los datos

experimentales referente a temperatura de aire es del “97%”.

2) Basados en la aproximación se modifico el arreglo de la fuente de energía concentrando las resistencias sobre la corriente de aire con ello se generaron nuevos prototipos.

3) El prototipo final incrementó un 5% la temperatura del aire la cual acelera el proceso de secado de ropa.

4) Se prevé una fuente de calor más eficiente con impacto directo a las emisiones de CO2 (Objetivo MABE 5%).

GRACIAS!!