Modelo de dos zonas para lechos fijos con información asistida por CFD

En este trabajo se presenta un modelo matemático para la representación de la transferencia de calor en lechos fijos denominado Modelo de Dos Zonas, en el cual se divide al lecho en una zona adyacente a la pared del tubo y una zona central. Se desarrolla una metodología para la determinación apropiada de los parámetros propios del modelo mediante la utilización de Fluidodinámica Computacional. En esta etapa del estudio se determina el flujo de calor sobre la pared de tubo, con el fin de obtener uno de los parámetros del modelo: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. Poseriormente, se correlacionará con las condiciones geométricas y operativas del lecho. La CFD reemplaza, de esta forma, a la realización de experiencias específicas y se utiliza como herramienta para la generación de información de alta precisión. Se analiza el caso de un sólido de baja conductividad, lo que corresponde por analogía al caso de transferencia de materia equivalente y se utilizan condiciones operativas correspondientes al proceso de reformado de gas natural con vapor de agua. El software utilizado es el programa Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) y la malla para el cálculo se genera mediante el programa Gambit 2.2.30. Se presentan resultados obtenidos para lechos rellenos con partículas esféricas y se comparan los resultados obtenidos con información existente en bibliografía.A Two-Zone Mathematical model for heat transfer in fixed beds (Two Zones Model) is proposed in this work. According to the model, the bed is divided in two zones: the first region -adjacent to the wall- plays an important role in the heat transfer process and the second one -the bulk zone- allows the heat to be transported from and to the center of the tube. An appropriate methodology for the estimation of the model parameters, based on the application of Computational Fluid-Dynamics, is developed here. Specifically, the total heat flux at the tube wall is calculated with the aim of evaluating the heat transfer coefficient at the wall, hw. This coefficient could be later correlated with geometrical and operating conditions in the bed. The CFD technique used, in this way, replaces well the information based on experimental work, and constitutes a useful tool for obtaining precise information dealing with the bed behavior. In this work, the case of low-conductivity solid particles, which is strictly the analogous case of mass transfer process, is dealt with. Operation conditions of steam reforming of natural gas were adopted in calculations. The software used for CFD is Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) assisted in the mesh generation by the use of the software Gambit 2.2.30. Results obtained for spherical particle beds are presented and compared with previous contributions reported in the literature.Facultad de IngenieríaCentro de Investigación y Desarrollo en Ciencias Aplicada

Modelo de dos zonas para lechos fijos con información asistida por CFD

En este trabajo se presenta un modelo matemático para la representación de la transferencia de calor en lechos fijos denominado Modelo de Dos Zonas, en el cual se divide al lecho en una zona adyacente a la pared del tubo y una zona central. Se desarrolla una metodología para la determinación apropiada de los parámetros propios del modelo mediante la utilización de Fluidodinámica Computacional. En esta etapa del estudio se determina el flujo de calor sobre la pared de tubo, con el fin de obtener uno de los parámetros del modelo: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. Poseriormente, se correlacionará con las condiciones geométricas y operativas del lecho. La CFD reemplaza, de esta forma, a la realización de experiencias específicas y se utiliza como herramienta para la generación de información de alta precisión. Se analiza el caso de un sólido de baja conductividad, lo que corresponde por analogía al caso de transferencia de materia equivalente y se utilizan condiciones operativas correspondientes al proceso de reformado de gas natural con vapor de agua. El software utilizado es el programa Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) y la malla para el cálculo se genera mediante el programa Gambit 2.2.30. Se presentan resultados obtenidos para lechos rellenos con partículas esféricas y se comparan los resultados obtenidos con información existente en bibliografía.A Two-Zone Mathematical model for heat transfer in fixed beds (Two Zones Model) is proposed in this work. According to the model, the bed is divided in two zones: the first region -adjacent to the wall- plays an important role in the heat transfer process and the second one -the bulk zone- allows the heat to be transported from and to the center of the tube. An appropriate methodology for the estimation of the model parameters, based on the application of Computational Fluid-Dynamics, is developed here. Specifically, the total heat flux at the tube wall is calculated with the aim of evaluating the heat transfer coefficient at the wall, hw. This coefficient could be later correlated with geometrical and operating conditions in the bed. The CFD technique used, in this way, replaces well the information based on experimental work, and constitutes a useful tool for obtaining precise information dealing with the bed behavior. In this work, the case of low-conductivity solid particles, which is strictly the analogous case of mass transfer process, is dealt with. Operation conditions of steam reforming of natural gas were adopted in calculations. The software used for CFD is Fluent 6.2.16 (Computational Fluid Dynamics Software) assisted in the mesh generation by the use of the software Gambit 2.2.30. Results obtained for spherical particle beds are presented and compared with previous contributions reported in the literature.Facultad de IngenieríaCentro de Investigación y Desarrollo en Ciencias Aplicada

Análisis de perfiles radiales de temperatura para lechos fijos de baja relación de aspecto por fluidodinámica computacional

En trabajos previos se ha presentado el Modelo de Dos Zonas (MDZ) para la transferencia de calor en lechos fijos. Este modelo permite la simulación ágil de reactores de lecho fijo de baja relación de aspecto, como es el caso de los reformadores de gas natural, considerando que el lecho está conformado por dos regiones: una zona anular, adyacente a la pared del tubo y de un espesor de un radio de partícula, y una segunda zona denominada central, abarcando el resto del lecho. Los parámetros térmicos que el modelo introduce son: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared, el coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas del modelo y la conductividad térmica efectiva radial que caracteriza a la zona central del lecho. Se ha discutido en contribuciones previas la evaluación del coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. En este trabajo se profundiza dicho análisis con el estudio de los perfiles de temperatura de la zona central del lecho, con el objetivo principal de evaluar el coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas y la conductividad térmica efectiva radial. El sistema analizado consiste en un conjunto de partículas sólidas ubicadas en una celda, conforme a diferentes arreglos espaciales. Las celdas están limitadas por dos planos paralelos sobre los que se especifica la misma temperatura y dos fronteras periódicas en las posiciones de entrada y salida de la corriente de fluido. Una corriente gaseosa con temperatura predefinida atraviesa el lecho, completándose la celda de cálculo con condiciones de simetría en las caras laterales paralelas al flujo. Se utilizó la licencia académica del programa FLUENT 6.3.16 y su generador de mallas GAMBIT 2.4.6., llevándose a cabo numerosas simulaciones con el objeto de obtener los perfiles de temperatura para diferentes configuraciones geométricas y valores del número de Reynolds. Este estudio se centra en la evaluación del transporte de calor en la zona central, que en el modelo se representa por medio de un enfoque continuo y pseudohomogéneo. A partir de un análisis de regresión de los perfiles de temperatura de dicha zona, se obtienen -como parámetros de ajuste- los valores de la conductividad efectiva radial y del coeficiente de transferencia de calor entre zonas. Se presentan y analizan los valores obtenidos de la conductividad efectiva radial y se los compara con valores calculados a partir de correlaciones propuestas por otros autores. Adicionalmente, para los valores obtenidos del coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas se propone una correlación que permite una rápida evaluación de dicho parámetro para su utilización en el MDZ.Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias Aplicada

Evaluación por CFD del comportamiento hidrodinámico en reactores de lecho fijo con baja relación de aspecto

Los reactores de lecho fijo (RLF) constituyen uno de los equipos más utilizados en los procesos químicos. Los lechos de baja relación de aspecto, típicos de aplicaciones de reactores catalíticos con transferencia de calor hacia las paredes, como los utilizados por ejemplo en el proceso de reformado de gas natural, revisten particular interés. Cuando se analizan estos reactores, la caída de presión y el flujo de calor transferido a través del tubo deben ser evaluados rigurosamente. Por esta razón lograr una simulación apropiada, rápida y confiable del comportamiento de estas unidades es un requerimiento permanente. En este trabajo se utiliza la fluidodinámica computacional (CFD) como herramienta de simulación para la obtención de información precisa que permita la evaluación confiable de los principales parámetros de operación de estos lechos fijos. El sistema analizado consiste en un arreglo singular de partículas esféricas con relación de aspecto 3.92 (diámetro del tubo/diámetro de partícula), contenido en un tubo de sección circular. Esta disposición permite, utilizando un arreglo estructurado, representar un lecho con una porosidad similar a la de un arreglo random. Sólo es necesario simular por CFD una fracción de la altura total del lecho, ya que se puede aplicar la condición de contorno frontera periódica a las secciones de entrada y salida de la corriente de gas (ya que se cumple que dichas secciones son geométricamente idénticas). Para alcanzar la condición de periodicidad en el caso analizado se requirieron siete estratos de partículas. Se utilizó la licencia académica del programa ANSYS 13.0, en la modalidad 3D, llevándose a cabo diferentes simulaciones con el objetivo de obtener, para un rango de condiciones de operación comprendido entre Reₚ 100 y 2000, los valores de pérdida de carga. Se presentan y analizan los valores calculados y se los compara con los resultados obtenidos a partir de correlaciones existentes en bibliografía. Adicionalmente, se analiza la concordancia con resultados de trabajos previos obtenidos para geometrías donde, a modo de simplificación, las paredes del cilindro se consideraron planas. De este modo se puede determinar, para el arreglo simulado, la influencia de la geometría del tubo.Facultad de Ciencias ExactasCentro de Investigación y Desarrollo en Ciencias Aplicada

Análisis de la transferencia de calor entre un lecho fluidizado y superficies sumergidas

Durante los últimos años se han realizado numerosos esfuerzos en la investigación de los fenómenos involucrados en la transferencia de calor entre un lecho fluidizado y una superficie sumergida. Sin embargo, tanto desde el punto de vista experimental como en la formulación de expresiones predictivas, los resultados no pueden considerarse convergentes, hallándose una gran dispersión de información en la bibliografía específica. Como se desarrollará en detalle en los sucesivos capítulos de esta tesis, se reconoce normalmente la presencia de tres contribuciones a la transferencia de calor mencionada: una primera generada en las partículas sólidas que en su movimiento contactan la superficie de intercambio y luego se alejan; una segunda contribución se refiere a la transferencia de calor desde (o hacia) el gas fluidizante. Finalmente, la tercera involucra la transferencia de energía radiante. Estas tres contribuciones no serán, frente a diferentes condiciones operativas (temperaturas, tamaños de sólidos, velocidades de gas, etc.) igualmente importantes, y en general la contribución del sólido es la de mayor peso. La finalidad principal de esta tesis es el planteo de un modelo matemático que permita predecir la magnitud de la velocidad de transferencia de calor involucrando simultáneamente las tres contribuciones mencionadas. Adicionalmente se realizarán diferentes tratamientos y consideraciones con el fin de proponer vías de evaluación de los parámetros térmicos efectivos que involucra el modelo propuesto. El trabajo se realizará específicamente para lechos fluidizados en régimen de burbujeo. Se pondrá especial énfasis en el análisis y cuantificación de las dos contribuciones a la transferencia de calor que han sido insuficientemente analizadas: contribución del gas y del transporte de energía radiante. En cuanto a la contribución del sólido, se discutirá y discriminará la información existente en la bibliografía para la evaluación de los parámetros conductivos que involucra.Facultad de Ingenierí