Estudio de la Pérdida de Carga y de la Transferencia de Calor de un Lecho Fluidizado Burbujeante mediante la Utilización de Fluidodinámica Computacional (CFD)

Abstract

Se utilizó la licencia académica del software ANSYS-Fluent 13.0 para simular el comportamiento de una unidad de lecho fluidizado a escala laboratorio instalada en PROMES (Laboratoire PROcédés Matériaux et Énergie Solaire), CNRS, Francia. Se llevó a cabo el estudio fluidodinámico del lecho fluidizado bajo diferentes condiciones operativas, típicas de los procesos de incineración de materiales tales como biomasa, carbón, residuos domiciliarios, entre otros.
Se acopló a este estudio el análisis térmico del lecho debido a que resulta necesario el suministro de calor al mismo de manera de lograr una condición térmica adecuada para el desarrollo del proceso de incineración. La temperatura de operación de la unidad fluidizada experimental se mantiene mediante la acción de resistencias de potencia variable ubicadas alrededor de la pared del lecho. Para la fluidización se utiliza aire cuya temperatura de entrada puede seleccionarse mediante la activación de un sistema calefactor secundario.
Las simulaciones se realizaron en un sistema de dos dimensiones con la utilización del modelo multifásico Euleriano, en régimen transitorio. Las partículas se consideraron esféricas, de tamaño uniforme y con las propiedades correspondientes a la arena utilizada en el lecho experimental. Como modelo de arrastre, entre de las alternativas disponibles en el software, se seleccionó la función de Gidaspow (D. Gidaspow et.al., Fluidization VII, Proc. 7th Eng. Foundation Conf. Fluidization, 75–82 (1992)). Adicionalmente, para la transferencia de calor entre la fase gaseosa y la fase granular, se utilizó el modelo de Gunn (D. J. Gunn, Int. J. Heat Mass Transfer, 21:467-476 (1978)).
Se presentan los resultados de pérdida de carga del lecho fluidizado para dos condiciones térmicas de operación extremas, 873 y 1123 K. Los datos de pérdida de carga obtenidos a partir de las simulaciones son comparados con el resultado del balance de fuerzas para la condición de mínima fluidización, observándose una buena concordancia.
Adicionalmente se simuló el estado transitorio de arranque del equipo para diferentes condiciones tanto de temperatura de entrada del aire como de flujo de calor a través de la pared de la unidad. Con la finalidad de considerar una eventual mejora o cambio en el dispositivo de suministro de calor, también se realizaron simulaciones con valores de flujo superiores al máximo alcanzable por el dispositivo original. Los transitorios de arranque resultantes son coincidentes con los rangos de tiempo observados en el equipo experimental.