EvaluacióN EnergéTica De Un MóDulo De ProduccióN De Panela Granulada Utilizando TéCnicas De...

“Evaluación energética de un módulo de producción de panela granulada utilizando

técnicas de dinámica de fluidos computacional.”

AUTORES:Raúl La Madrid Olivares [email protected] Dr. Ing. Daniel Marcelo Aldana [email protected]

UNIVERSIDAD DE PIURAUNIVERSIDAD DE PIURAFACULTAD DE FACULTAD DE

INGENIERIAINGENIERIASECCIÓN ENERGIASECCIÓN ENERGIA

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XV SIMPOSIO DE ENERGIA SOLARCajamarca, 10 al 14 de Noviembre 2008

mailto:[email protected]


Universidad de Piura Sección Energía

PANELA GRANULADA

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La panela es un alimento que se obtiene de la evaporación de los jugos de la caña de azúcar y la consiguiente cristalización de la sacarosa, al no sufrir ningún refinado, ni ningún procedimiento químico, conserva todos los nutrientes de la caña de azúcar.

Actualmente se viene desarrollando en la sierra de Piura la producción de panela mediante técnicas artesanales, lo que trasciende en el hecho que en algunos módulos de hornos, el bagazo obtenido de la caña de azúcar, no es suficiente para llevar a cabo todo el proceso de producción de panela; es decir, el proceso no es auto sustentable por una quema ineficiente del bagazo. Esto se traduce en índices operativos (energéticos y de producción) bajos, lo que da como resultado que la cantidad de panela producida no llegue a alcanzar los niveles de demanda requeridos por el mercado exterior.


Proceso de Producción

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1.- Recepción de la materia prima.

3.- Filtración y decantación.

4.- Almacenamiento del jugo.

5.- limpieza y clarificación.

2.- Molienda.

6.- Evaporación.

7.- Concentración.

9.- Cristalización y enfriamiento.

10.- Tamizado.

8.- Punteadora


Métodos

El objeto de este estudio es realizar un análisis riguroso del fenómeno de transferencia de calor en el ducto de humos de un módulo de producción de azúcar orgánico y de su interrelación con las pailas. Se toman los datos geométricos del horno Santa Rosa para definir la zona de simulación (3D). Se toma como hipótesis que en el ducto entra un gas compuesto por C, O2, H2 y N2 a una velocidad y temperatura determinada. El análisis del proceso de combustión no forma parte del presente trabajo. El software utilizado es el SolidWorks. El primer paso para la simulación en CosmosWorks y CosmosFloWorks, es construir la geometría en Solidworks, para esto se tomaron las medidas tanto del horno y de las pailas que se utilizan actualmente

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Simulación utilizando CosmosFloWorks.

Parámetros generales Tipo de análisis. Interno.

Transmisión de calor en sólidos.

Fluidos. Los fluidos que se han elegido son de la base de datos interna de CosmosFloWorks y son los siguientes: Dióxido de carbono (gas), Nitrógeno (gas), Oxígeno (gases), Vapor (vapor).

Sólidos. Permite especificar el material por defecto que se aplica a todos los componentes sólidos, en un análisis de transferencia de calor conjugado. Para el estudio a realizar se han agregado los siguientes componentes:

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Universidad de Piura Universidad de Piura Sección Energía Sección Energía

Ladrillo Acero inoxidable AISI 310

Densidad 3kg m 1840 7900

Calor específico J kg K 840 500

Conductividad térmica W m K 0.8 16.3

Punto de fusión K 1813 1728

Condiciones de paredCoeficiente de transferencia de calor: El coeficiente que transferencia de calor es de 13 W/m2K y la temperatura es de 25 ºC.

Condiciones inicialesSe ha indicado tanto la presión como la temperatura, los valores ingresados son: 0.82 atm y 25 ºC. También se han indicado las concentraciones en fracción de masa ingresadas son las siguientes: Dióxido de carbono: 0.1239; Nitrógeno: 0.6; Oxígeno: 0.0319; Vapor de agua: 0.2442.Por último se ha asignado una temperatura inicial del sólido de 30 ºC.

Condiciones de fronteraCondiciones a la entrada. Se ha tomado una velocidad de entrada de los gases de combustión de 3 m/s. La presión estática que se ha ingresado es de 0.82 atm, debido a la ubicación geográfica del módulo (1500 msnm). La temperatura que se ha dado al ingreso (en la parilla) es de 1000ºC.

Condiciones a la salida. La condición ingresada es de presión estática y el valor dado es de 0.82atm.

Pared externa. Se ha dado la condición de pared externa. Los valores ingresados son para el coeficiente que transferencia de calor es de 8000 W/m2K y la temperatura es de 100 ºC.

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Simulación utilizando CosmosFloWorks.

Análisis de aletas adecuadas para pailas trapezoidales utilizando COSMOSWORKS.

Para esta parte lo primero que se debe de hacer es dimensionar las pailas trapezoidales. Las dimensiones que se aconsejan para el diseño de falcas para pailas planas son las siguientes:

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Medidas estándar de falcas para pailas planas

b a af cf x1 x2

1.50 1.00 1.60 0.80 68 112

2.00 1.00 1.60 0.80 68 112

2.40 1.50 1.80 0.80 68 112

3.00 1.50 2.00 0.80 72 108


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Comprobación de datos obtenidos con CosmosWorks con datos teóricos.

102,00

103,00

104,00

105,00

106,00

107,00

108,00

0 20 40 60 80 100

tem

pera

tura

[ºC]

distancia [cm]

Distribución de temperaturas

T1

T2

11

1 1 º0.00006258000 1 2

CRh A W

20.003 º0.00009375

16 2 1aletae CRk A W

32

1 1 º0.0225 1 2

CRh A W

01 02

1 2 3

100 1000 44651.16280.02015625

T TQ WR R R

1 01 1 102.79 ºT T R Q C

2 02 3 106.98 ºT T R Q C

Cálculo paila sin aletas.


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Calculo de la temperatura a lo largo de las aletas.

coshcosh

cb

c

a L xT x T T T

a L

c

h pak A

cc

AL Ap

Para el cálculo de la distribución de temperaturas a lo largo de una aleta se usa la siguiente expresión

Siendo:

DATOS RESULTADOS

Altura Temp

temp infinito 1000 0 128.50

hgases 25 1 205.92

kpaila 16 2 273.45

kaleta 16 3 331.90

número de aletas 9 4 382.03

largo paila 2 5 424.45

ancho paila 1 6 459.69

ancho pared paila 0.003 7 488.19

largo aleta 2 8 510.31

espesor aleta 0.3 9 526.32

alto aleta 10 10 536.42

10,00; 537,308,33; 509,10

6,67; 480,90

5,00; 416,80

3,33; 352,70

1,67; 241,70

0,00; 130,80

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

Tem

pera

tura

[ºC

]

Altura de aleta [cm]

Temperaturas a lo largo de aleta de 2.54 cm


Resultados y análisis

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COSMOSFLOWORKS.

Distribución de temperaturas en el horno

Corte transversal del horno, donde se muestra la distribución de temperaturas


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COSMOSWORKS.

Distribución de temperaturas en la base de la paila, cambiando el número de aletas de 2.54 cm de espesor.

100.00

102.00

104.00

106.00

108.00

110.00

112.00

114.00

116.00

118.00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

Tem

pera

tura

[ºC]

distancia [cm]

Temperaturas variandose el número de aletas.

sin aletas

3 aletas

15 aletas

24 aletas

30 aletas

33 aletas

CONCLUSIONES:

El uso de técnicas de fluido computacional tiene una relevante importancia para evaluar el comportamiento cualitativo y cuantitativo de los trapiches paneleros desde el punto de vista energético, ya que estas se utilizarán para lograr un cálculo y predicción completa y rigurosa de un trapiche a diseñar.

La metodología mostrada permite continuar con la elaboración de otras geometrías de horno, para así poder encontrar con cual se obtiene mejor transferencia de calor de los gases hacia las pailas.

Es importante indicar que no solo hay que buscar llegar a mayores temperaturas, sino también la mejor configuración geométrica posible.

Se proseguirá con el diseño del número de aletas con la finalidad de hallar la geometría óptima, que permita una mayor transferencia de calor.

Cabe indicar que el presente trabajo está siendo realizado dentro del marco de los proyectos FINCyT-PIBAP 2007, coordinado por la Universidad de Piura en cooperación con Cepicafé (Central piurana de cafetaleros), siendo el proyecto “Estudio e investigación teórica experimental del proceso de obtención de panela granulada a partir de la caña de azúcar”.

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GRACIAS

Raúl La Madrid OlivaresEmail: [email protected]

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