Rediseño Geométrico y Validación Numérica de la Optimización de la Transferencia de Calor en Campañas de Cocción de Ladrillo Rojo en el Estado de Guanajuato
M.C. José Eduardo Frias Chimal
Dr. Sergio Alonso Romero
M.C. Miguel Ángel Corzo Velázquez
M.I. Raúl Lesso Arroyo
Introducción Planteamiento del problema Justificación Objetivo Modelo matemático Geometría Malla Materiales Condiciones de frontera Procesamiento Validación de resultados Conclusiones
Contenido
¿Que es CIATEC?
CIATEC, desde su fundación, hace 35 años, ha respondido a las necesidades de la industria en materia de innovación tecnológica en áreas como Cuero-Calzado. Adicionalmente ha diversificado su atención hacia Materiales, Biomecánica e Ingeniería Ambiental.
Pertenecemos a la RED de CENTROS PUBLICOS CONACYT, lo que nos permite interactuar con otros 26 centros tecnológicos y de investigación del país que juntos suman el esfuerzo de 5,000 tecnólogos e investigadores de distintas áreas del conocimiento.
¿Que es CIATEC?
Introducción
Planteamiento del problema
Debido al gran impacto como actividad contaminante, es preciso contribuir a mejorar los efectos nocivos generados por la elaboración de ladrillos
• Deforestación • Contaminación ambiental • Ineficiencia térmica
Justificación
Grafica 1. Combustibles utilizados en hornos ladrilleros del Estado de Guanajuato
Tabla 1. Datos generales de la producción de ladrillos
Instituto de Ecología. Gto, 2008
2,362 hornos 0.8 %
Tipos de hornos ladrilleros
Tipo de
Horno
Horno MK2
Horno de 2 cámaras
Horno semi-continuo
Horno continuo
Horno Vertical
VSK
Horno tradicional mejorado
Campaña tradicional
Horno fijo semienterrado
Cap. Miles
5-10 /5 días
20 /5 días 2-5 /días 15/8dias 8-50/6-9 dias 8-17.5/3-4 dias
Cargas por mes
6 6 Continua Continua 3.5 por mes 3-4 3-4
Recupe-ración de calor
Si solo para
secado de
siguiente carga.
Si (en tres de las cuatro etapas)
Si Si Si No No No
Objetivo
Realizar un modelo numérico mediante el método de volumen finito que represente la transferencia de calor de una campaña de cocción de ladrillo rojo.
Fenómenos en el horno
• Conducción por la superficie de contacto entre los ladrillos. • Conducción en el gas que ocupa los espacio vacíos formados por el estibado de ladrillos. • Conducción de las partículas del ladrillo. • Convección natural en el gas de combustión. • Convección natural gas-sólido. • Convección forzada en el gas. • Radiación entre los ladrillos del horno. • Radiación entre los espacios vacíos vecinos. • Radiación por el quemado del combustible.
Modelo matemático
Planteamiento del Modelo matemático
Ecuación de continuidad
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜌𝜌 = 0
Ecuaciones de cantidad de movimiento
∑𝐹𝐹 = 𝑚𝑚 𝑎𝑎 → ∑𝐹𝐹 = 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌 = −𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑦𝑦𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝜕𝜕𝑔𝑔𝑥𝑥
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌 = −
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑦𝑦𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑦𝑦𝑦𝑦𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑦𝑦𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝜕𝜕𝑔𝑔𝑦𝑦
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌 = −
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑦𝑦𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝜕𝜕𝑔𝑔𝑥𝑥
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌 = −𝛻𝛻𝜕𝜕 − 𝛻𝛻 ∙ 𝜏𝜏 + 𝜕𝜕𝑔𝑔
Planteamiento del Modelo matemático
Ecuación de la energía fluido
𝜕𝜕 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜕𝜕𝑑𝑑
+ 𝛻𝛻 ∙ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜌𝜌 = 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑥𝑥
𝜆𝜆 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑥𝑥
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑦𝑦
𝜆𝜆 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑦𝑦
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑥𝑥
𝜆𝜆 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑥𝑥
+
𝜕𝜕 𝑢𝑢𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝑥𝑥
+ 𝜕𝜕 𝑢𝑢𝜏𝜏𝑦𝑦𝑥𝑥𝜕𝜕𝑦𝑦
+ 𝜕𝜕 𝑢𝑢𝜏𝜏𝑧𝑧𝑥𝑥𝜕𝜕𝑥𝑥
+ 𝜕𝜕 𝑣𝑣𝜏𝜏𝑥𝑥𝑦𝑦𝜕𝜕𝑥𝑥
+ 𝜕𝜕 𝑣𝑣𝜏𝜏𝑦𝑦𝑦𝑦𝜕𝜕𝑦𝑦
+ 𝜕𝜕 𝑣𝑣𝜏𝜏𝑧𝑧𝑦𝑦𝜕𝜕𝑥𝑥
+
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜏𝜏𝑦𝑦𝑥𝑥𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝜕𝜕 𝜌𝜌 ∙ 𝑔𝑔
Planteamiento del Modelo matemático
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕 =
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑘𝑘𝑠𝑠
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑘𝑘𝑠𝑠
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑘𝑘𝑠𝑠
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
Ecuación de la energía sólido
Planteamiento del Modelo matemático
Planteamiento del Modelo matemático
Modelo de Buoyanci o flotación
Densidad de referencia de 1.18 kg/m3.
𝜕𝜕 − 𝜕𝜕𝑟𝑟𝜌𝜌𝑟𝑟 = − 𝜕𝜕𝑟𝑟𝜌𝜌𝑟𝑟𝛽𝛽 𝜕𝜕 − 𝜕𝜕𝑟𝑟𝜌𝜌𝑟𝑟
𝛽𝛽 = − 1𝜌𝜌𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑘𝑘𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
𝑘𝑘𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗 = 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
𝜇𝜇 +𝜇𝜇𝑑𝑑𝜎𝜎𝑘𝑘
𝜕𝜕𝑘𝑘𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
− 𝜕𝜕𝜌𝜌
𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗 = 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
𝜇𝜇 +𝜇𝜇𝑑𝑑𝜎𝜎𝜀𝜀
𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝑗𝑗
+𝜌𝜌𝑘𝑘𝐶𝐶𝜀𝜀𝜀𝜕𝜕𝜌𝜌
Ecuaciones de transporte para el modelo de turbulencia k-𝜌𝜌
Planteamiento del Modelo matemático
Planteamiento del Modelo matemático
Modelo de radiación: Monte Carlo
El Modelo de Monte Carlo simula los las interacciones físicas entre los fotones y su entorno . Un fotón es seleccionado desde una fuente de fotones y seguido a través del sistema, cada vez que el fotón experimenta un evento por ejemplo, la dispersión o la absorción
Quema de Ladrillo
Quema experimental
Actividades realizadas
Tipo de estibado de ladrillos Medición de dimensiones generales del horno Temperatura ambiente Velocidad del aire Humedad del aire Tipo de combustible Medición de la temperaturas en la pared exterior Medición de las temperaturas dentro del horno
Instrumentación
13 termopares tipo K por cara.
Total 52 termopares
Toma de temperaturas
Toma de temperaturas
FLUKE Ti50 FT PIRÓMETRO
INFRARROJO TIPO PISTOLA CALIBRADORES DE
TEMPERATURA PARA RTD
Equipo de medición pared exterior
Horno experimental
Graficas Experimentales
Simulación numérica
3 secciones Estibado general
Rejilla
Arcos
Geometría
Geometría
Modelo geométrico final de quema inicial
Rejilla Arcos
Geometría
Elemento Hexaédrico con 8 nodos Elementos 6,475,586 Nodos 6,856,123
Malla
Para fines de la simulación del horno de ladrillos se generaron dos dominios
Tabla 1. Propiedades del ladrillo
Tabla 2. Propiedades del aire
Propiedad Magnitud Unidades
Conductividad térmica 0.69 W m-1 K-1
Densidad 1600 kg m-3
Capacidad calorífica 840 J kg-1 K-1
Propiedad Magnitud Unidades
Conductividad térmica 0.0261 W m-1 K-1
Capacidad calorífica 1004.4 J kg-1 K-1
Materiales
Consideraciones del modelo
• Sistema adiabático: no se tienen datos de coeficientes de transferencia de calor en las paredes.
• Transferencia de calor en la parte superior con el coeficiente de transferencia de calor estimado teóricamente.
• Humedad del 10% en adobes (dato muy variable adobe a adobe).
• Propiedades físicas constantes del adobe tomadas de la literatura: calor específico, densidad, difusividad térmica.
• Flujo de calor de alimentación constante (curva de temperatura).
• Perfil de velocidad de gases de alimentación definido.
Opening 25 °C
Entrada
Condiciones de frontera
Condiciones de frontera
Pared
Simetría
Condiciones Inlet
Temperatura de gases Velocidad de gases
• Se realizó una solución en estado transitorio.
• Tiempo simulación de 15 horas.
• Timesteps de 0.1 segundos.
• El criterio de convergencia se usó el tipo residual (RMS)
con una precisión de 1x10-4
• Tiempo real 40 días.
• Intel(R) Exeon(R) CPU E5620 @ 2.4Ghz 2.39Ghz (2 procesadores)
• Memoria RAM de 24 GB
• Corridas seleccionadas se realizaron en el Centro de Computo
del Grupo SSC
Procesamiento
Resultados numéricos
Simulación numérica Temperaturas
Simulación numérica Vectores de velocidad
Comparación de resultados Experimental vs Simulación
Conclusiones
• Se cumplieron los objetivos debido a que se obtuvo una buena correlación (0.9521) entre los perfiles de temperatura obtenidos mediante la simulación y los datos experimentales, en la primeras horas y se identificaron los principales fenómenos que influyen en la transferencia de calor del horno.
• Durante las primeras horas de la quema los efectos de radiación no son significativos en la parte superior del horno, por lo tanto los efectos convectivos predominan en la transferencia de calor.
• Un fenómeno no modelado, pero que tiene gran influencia en los perfiles de temperatura en el interior horno, es la evaporación del agua contenida en los ladrillos ya que existe una transferencia de masa de agua desde el ladrillo hacia los gases de combustión.