Proyecto Final Diseo de un mvil de agitacinIntroduccin Desde la antigedad la observacin de fenmenos asociados a los movimientos de los fluidos y su interaccin con lo que lo rodea como el vuelo de una gaviota o el agua recorriendo una tubera han fascinado al hombre. A partir de estas observaciones la ciencia plante diversos modelos matemticos para estudiar el comportamiento de estos fenmenos.En la actualidad, Se no se dispone una de las ecuacinecuaciones de Navier Stokes analticas que puedena describir de forma general el comportamiento de los fluidos; buscando en la literatura se cuenta con una serie de ecuaciones que se acercan a cada tipo de fenmeno fsico, estas ecuaciones presentan un alto nivel de complejitad y restricciones que delimitan su aplicacin y solucin en diferentess situaciones, buscando una respuesta ms certera.La complejidad se ve incrementada cuando se desea analizar la interaccin entre el comportamiento del fluido y su entorno como por ejemplo cuerpos solidos o estructuras. La mecnica de fluidos, ha tenido la mayor repercusin por la dificultad de resolucin empleando mtodos tradicionales, por esta razn surgieronpara el caso de la mecnica de fluidos se desarroll losla CFD (Computational Fluid Dynamics) como un aherramienta e calculo que permite representar el comportamieto de los fluidos, estos describen la dinmica de fluidos por empleando herramientas computacionales, permitindonos realizar gran cantidad de clculos, que desarrollan las leyes fsicas por las que se rigen los fluidos.Definicin del problemaLa aplicacin principal del diseo es realizar la mezcla de dos lquidos inmiscibles (Aguaglicerina) los cuales forman una suspensin, a medida que los lquidos entraran en contacto se presenta un aumentando en la viscosidad de la mezcla, por esta razn el sistema de mezclado debe presentar un rgimen turbulento y alta tasa de cizallamiento.

El departamento de ingeniera qumica busca desarrollar el mejor mvil de agitacin, para el tanque de mezclado ubicado en el laboratorio ML-305. El objetivo es que los nuevos estudiantes diseen un nuevo agitador que sea mejor que la turbina Rushton (Tasa de cizalla ~20 s-1) empleando CFD para determinar la taza de cizalla promedio, el esfuerzo cortante promedio y las zonas muertas.Materiales y Mtodos Para el desarrollo de este proyecto se emplearon dos software principalmente, el software de modelamiento Autodesck-Inventor y el software para realizar el CFD es STAR CCM+.Autodesck-Inventor.Permite el modelamiento paramtrico en 3D de montajes complejos y extensos, el programa se basa en ingreso de datos como la geometra, las dimensiones y el material, buscando que si alguno de estos parmetros sufre modificaciones los otros se ajusten de automticamente, convirtindolo en una herramienta de diseo en tiempo real.La metodologa se basa en la construccin de piezas que se crean de sus vistas en 2D y una posterior extrusin (herramienta presente que permite dar volumen a la figura que se encuentra en el plano de trabajo), esto permite una interface de trabajo ms dinmica y amigable al momento de construir modelos complejos.La conexin de piezas y partes diseadas independientemente aplicando restricciones de superficie bordes y planos permite un ambiente de trabajo dinmico con respuestas ms rpidas y eficientes, esto nos permite la creacin de ensamblajes muy grandes y complejos, especialmente porque los sistemas de piezas pueden ser puestos juntos antes de que se ensamblen en el ensamblaje principal; algunos proyectos pueden tener muchos sub-ensamblajes parciales.Inventor permite la creacin de archivos especficos para las piezas, ensamblajes, vista del dibujo y presentaciones, pero una gran herramienta es que estos formatos pueden ser exportados un formato de archivo boceto que se puede emplear en otros softwares, como modelamiento simulacin.Star CCM+.Paquete de simulacin basado en la mecnica continua de computo que permite a los ingenieros enfrentar modelos complejos y realistas para obtener respuestas del comportamiento de mltiples variables de flujo, STAR-CCM + est diseado para utilizar recursos de hardware con la mayor eficacia posible y permite el acceso interactivo a todos los datos y soluciones mientras el simulador ejecuta la simulacin.Diseo del agitador y modelamiento en CFDLa configuracin geomtrica es tan importante por ejemplo, la suspensin de slidos depende mucho ms de la forma del fondo del tanque; la dispersin gas-lquido y lquido-lquido depende de la geometra del impelenter, y el mezclado depende del tamao relativo entre el tanque y el impelenter [[footnoteRef:1]], el diseo del impeler se fue basado en la revisin bibliogrfica, la seleccin de un agitador de tipo turbina. Estos agitadores presentan una alta eficiencia para un alto rango de viscosidades; cuando el lquido presenta bajas viscosidades, el agitador de turbina produce corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque, destruyendo masas de lquido estancado. [1: . G.B. Tatterson. Fluid mixing and gas dispersion in agitated tanks. Ed McGraw-Hill.. 1991]

El cambio de viscosidad en el proceso de mezclado, la generacin de un rgimen turbulento y la bsqueda de generar una suspensin son requerimientos que puede cumplir un agitador de turbina con alabes inclinados.Las dimensiones del impeler se calcularon a partir de las dimensiones del tanque, Dimencsiones del impeler

Figura 1Impeler diseadoAlto del impeler: 40 mmAlto de las aspas: 35 mmAncho de las aspas: 39 mm (en su punto mas ancho)Espesor de las aspas 5 mmAngulo de las aspas 45Cantidad de aspas: 4Ancho total del impeler: 90 mmAncho del disco impeler: 10 mm

Imagen en inventor del agitador

Figura figra 1 Ensamble exportado a Star CCM+ para la simulacinLa particularidad que caracteriza a este modelo CFD es su capacidad de modelar la superficie libre del fluido a lo largo del tiempo. El modelo permite que una celda est parcialmente ocupada por el fluido, mediante el cual se formulan todas las ecuaciones con una funcin de rea y volumen. Esta funcin permite modelar con gran detalle geometras complejas.El programa no tiene un lmite superior especificado en cuanto a la cantidad de celdas que puede tener una simulacin; sin embargo, una malla ms fina resulta en un mayor dominio de clculo, afectando directamente el tiempo de computadora empleado en cada simulacin. Por lo tanto, el grado de refinamiento de la malla computacional resulta de una solucin de compromiso entre el grado de precisin deseado en cada simulacin y el tiempo de clculo requerido por la simulacin.

Construccin del modelo geomtrico El proceso de diseo estructural, por ellos es necesario utilizar una herramienta de uso comn a ambas disciplinas que permitan una rpida y eficiente comunicacin. El uso de la herramienta Autodesck-Inventor ha permitido un diseo rpido y optimo en 3D de la geometra, como se observa en la figura 1. El formato de exportacin cuya extensin es: .igsam. La geometra est compuesta de varios bloques o piezas construidas de manera individual y despus ensamblada, procurando que aqullas que son susceptibles de ser modificados durante el diseo, puedan ser reemplazados completamente para simplificar este proceso.Proceso de mallado, seleccin de fronteras y condiciones iniciales. Para modelar la geometra se opt por mallas celdas ortogonales que oscilan entre 350.000 y . 400.000. Se debe seguir un procedimiento de refinamiento de malla para estabilizar y asegurar el gasto por continuidad. Fase 1. Puesta en rgimen con mallas celdas gruesas, estas mallas permites definir zonas de bajo impacto (5 mm). Fase 2. Refinamiento de la malla: en las zonas de frontera o de mayor impacto se implement una malla celda de menor tamao, buscando los mejores resultados en zonas crticas.La fase de modelado parte de una condicin de flujo donde se llena el tanque con la mezcla de fluidos, esta comienza con una velocidad nula hasta completar un tiempo de simulacin de 17.5 seg, periodo durante el cual se obtendrn 5 iteraciones por paso de tiempo, el paso de tempo se defini como 0,1 seg, el modelo empleado en la simulacin fue el de turbulencia k-w SST.En las caras de las aspas del impeler se generogener una condicin de borde, la altura del fluido constante con condiciones para agua y glicerina, un espacio de confinamiento del fluido que se fue definido como un borde y para el resto de las caras las condiciones de simetra (Symmetry), la condicin de borde utilizada siempre ha resultado en corridas ms estables.Preguntas a. Determinar la velocidad angular crtica para que el flujo en el tanque est en rgimen turbulento.b. Se debe presentar los planos horizontal y vertical de la magnitud de la velocidad y TKE para las diferentes velocidades angulares.c. Qu es una zona muerta? Cmo se puede localizar usando CD? Identificar las zonas muertas para las simulaciones, si es que existen.Las bolsas estancadas o mejor conocidas como zonas muertas, corresponden a regiones de la mezcla en la que existe un contacto muy deficiente entre las aspas y el fluido, por ejemplo en cabezales, rincones o bordes rectos.

d. Sugerir maneras de reducir el tamao de estas zonas muertas y aumentar la capacidad de mezcla.Durante el diseo del agitador se evalu la posibilidad de acoplar una turbina tipo Cowles en la parte superior de la Rushton buscando generar contacto en la parte media del tanque, que es la zona identificada con menor porcentaje de mezcla (zona muerta), Sin embargo para efectos de calculo no se empleo esta turbina puesto que aumentaba enormemente el dominio de clculo, la cantidad de celdas y el tiempo de computo.

e. Qu significa cortocircuito? Cmo puede ser localizado utilizando CFD?En los procesos reales o fluidos no ideales, se considera el fenmeno de formacin de canales o cortocircuito. Este consiste en la unin de la corriente de alimentacin con la corriente de salida generando el paso del fluido a travs del tanque sin pasar por el proceso de mezclado dentro de l. Este fenmeno se genera por la rapidez del fluido debido a un defecto en el diseo de la estructura del tanque (pequea relacin longitud/dimetro), por variacin de concentracin o por la rotacin de las paletas sin floculadores mecnicos. El programa Star CCM+ grafica las corrientes de flujo tericas del sistema, permitiendo identificar dichas anomalas en el modelo.

f. Qu es TKE y para qu se usa?La energa cintica de turbulencia conocida como TKE por sus siglas en ingls (Turbulence Kinetic Energy) es la medida de la cantidad de energa (intensidad de la turbulencia) del flujo constituida por los tres componentes del vector velocidad (x, y, z). El control de este indicador se usa para identificar las zonas muertas de los flujos de la mezcla dentro de un tanque.

g. Qu es el y-plus (y+)? Qu valores de y+ se obtienen para el agitador (no el tanque)?h. Indica que tan precisos pueden ser los resultados calculados con las condiciones definidas para el mallado.

i. Sobre los resultados de CFD, es posible afirmar que existe el concepto de CSTR (argumentar)?j. Qu pasa con el glicerol? Cul es la velocidad angular crtica? Qu implicaciones tiene la viscosidad en la mezcla y qu sucede con las zonas muertas?k. Reportar la siguiente tabla: BibliografaHimmelblau, D. M., & Bischoff, K. B. (s.f.). Anlisis y Simulacin de Procesos. Barcelona: Revert S.A.Savli, M. (2012). Turbulence Kinetic Energy - TKE. Seminar 4th (pgs. 1-14). University of Ljubljana - Facultad de Mathematics and Phisics.