Estudio de la transferencia de energía y del campo de flujo alrededor de una esfera estática en un sistema de hidrofluidización usando dinámica de fluidos computacional

PERALTA, J. M.; RUBIOLO, A. C.; ZORRILLA, S. E.

Mar del Plata, Argentina

Congreso; VI Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2010

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos (AAIQ)

La hidrofluidización es un método recientemente desarrollado para refrigerar y/o congelar productos. El mismo emplea un sistema circulante que bombea líquido refrigerante en dirección ascendente a través de orificios o boquillas hacia un recipiente de refrigeración, generando chorros de líquido y manteniendo la agitación en el seno del líquido. De esta forma se genera un lecho fluidizado de productos y un líquido altamente turbulento, obteniéndose altos coeficientes de transferencia superficiales. La naturaleza compleja del sistema hace que sea necesario el uso de herramientas computacionales para estudiar cómo las principales variables operativas afectan a los fenómenos de transporte. El objetivo de este trabajo fue estudiar la transferencia de energía y el campo de flujo alrededor de una esfera estática en un sistema de hidrofluidización mediante el uso de dinámica de fluidos computacional (CFD). Las simulaciones se efectuaron usando una porción cilíndrica de 60° de un sistema conformado por una esfera estática ubicada colinealmente a un único jet circular de fluido refrigerante creado por un orificio. Las propiedades del refrigerante fueron asumidas como las de una solución acuosa de NaCl de 23,1% (p/p). Los diámetros de la esfera y el orificio generador del jet fueron 20 mm y 3 mm, respectivamente. Se usaron diferentes niveles de las principales variables operativas: caudal (1 a 3 l/s), distancia orificio-esfera (1 a 5 mm) y temperatura (-15 a -5 °C). El flujo del fluido fue modelado usando ecuaciones de Navier-Stokes y estimando el aporte de turbulencia mediante el modelo k-ω Shear Stress Transport (SST). El modelo numérico fue resuelto usando una malla de tetraedros con capas de prismas sobre la superficie de la esfera. A partir de las simulaciones se estudiaron variables como el coeficiente de transferencia de energía superficial (hc), coeficiente de presión (Cp), ángulo de separación de la capa límite sobre la superficie de la esfera (theta s) y nivel de turbulencia (Tu) del jet. El modelo se verificó por comparación de los resultados con datos de la bibliografía para los valores locales de hc, Cp, Tu, velocidad central del fluido en el jet y componentes de la velocidad del fluido alrededor de la esfera para sistemas similares usando aire y agua. También se realizaron comparaciones con datos del coeficiente de transferencia de energía superficial promediado en la superficie de la esfera obtenidos en un equipo desarrollado en el grupo. En todos los casos, se obtuvo un buen nivel de predicción (13% de error máximo). Los resultados mostraron que la variable que más incidió sobre todos los parámetros fue la separación entre el orificio y la esfera. La temperatura fue la variable que menos efecto tuvo sobre las transferencias. En general, el coeficiente de transferencia de energía superficial tuvo un máximo en el punto de estancamiento y luego disminuyó en forma suave hasta alcanzar un mínimo en la zona de la separación de la capa limite. El coeficiente de presión tuvo un máximo en el punto de estancamiento disminuyendo rápidamente hasta alcanzar un mínimo, para luego aumentar suavemente hasta alcanzar un valor cercano a cero en el punto de estancamiento posterior. Los niveles de turbulencia en la línea central del jet comenzaron con un mínimo en el orificio y tuvieron un máximo en la zona del punto de estancamiento. La separación de la capa límite estuvo acotada a valores entre 135° y 140° para todas las condiciones estudiadas. Por lo tanto, los principales parámetros del sistema relacionados con las transferencias de energía y momento pueden ser estudiados mediante el uso de un modelo sencillo aplicando CFD. En este estudio se presenta un modelo con la potencialidad de ser usado para configuraciones más complejas tales como la presencia de varios jets, varias esferas, etc.