LAS ECUACIONES DE NAVIER-STOKES 1. Introducción El objetivo ...
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UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA VENTAJAS DE LA SIMULACION CFD: HIDRODINAMICA DE UN HORNO REFORMADOR CESAR OSVALDO GOMEZ ALVARADO 2009
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UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
VENTAJAS DE LA SIMULACION CFD:
HIDRODINAMICA DE UN HORNO REFORMADOR
CESAR OSVALDO GOMEZ ALVARADO
2009
UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
VENTAJAS DE LA SIMULACION CFD:
HIDRODINAMICA DE UN HORNO REFORMADOR
CESAR OSVALDO GOMEZ ALVARADO
2009
“Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero Civil Químico” Profesor Guía: Sr. Hugo Llerena
AGRADECIMIENTOS
Son tantas las personas a las cuales debo parte de este triunfo, de lograr alcanzar mi
culminación academica, la cual es el anhelo de todos los que así lo deseamos.
Gracias a DIOS, por ser mi guía y esencial en esta posición firme de alcanzar esta
meta.
A mi ABUELO que desde el cielo estuvo conmigo en los momentos más difíciles en
todos estos años.
A mi FAMILIA por darme la estabilidad emocional, económica y sentimental, para poder
llegar a este logro, que definitivamente no hubiese podido ser realidad sin ustedes.
A mis compañeros y amigos por ayudarme a crecer y madurar como persona, y estar
conmigo en cualquier circunstancia.
A mi profesor asesor don Hugo Llerena por la ayuda y paciencia que tuvo durante todo
este tiempo para que el trabajo sea lo mejor posible.
i
RESUMEN
El siguiente proyecto tuvo como finalidad resaltar las ventajas y desventajas de la
simulación 3D mediante la técnica CFD o más conocido como dinámica de fluidos
computacional. Para exponer las ventajas y desventajas de CFD, se tomo como
ejemplo, la simulación de la hidrodinámica de los gases de combustión en un horno
reformador.
CFD es una herramienta de modelamiento numérico, que permite obtener el
comportamiento de los fenómenos de transporte de un fluido a través de la resolución
de las ecuaciones de Navier – Stokes, acopladas con los balances de masa y energía,
y si es necesario también, agregando un modelo de turbulencia.
Los hornos reformadores son reactores catalíticos que utilizan gas natural y vapor de
agua para formar el gas de síntesis. La reacción ocurre dentro de los tubos
catalizadores, que se encuentran distribuidos dentro del horno. Para que la reacción
ocurra, es necesario agregar temperatura, para lo cual el horno cuenta con diferentes
quemadores que se encargan de suministrar la temperatura necesaria a través de la
combustión. Los gases generados distribuyen el calor a los tubos catalizadores.
El análisis de los perfiles de distribución de velocidad de los gases (hidrodinámica) y de
temperatura, se realizaron en este proyecto a través del software comercial FLUENT
6.1 y GAMBIT. A través de GAMBIT se diseño y genero la malla del horno y con
FLUENT el cálculo numérico. Los resultados entregados por FLUENT tanto de la
simulación estacionaria como la dinámica, arrojaron una mala distribución de los gases
dentro del horno, con varias zonas muertas.
Las ventajas de GAMBIT y FLUENT son innumerables, partiendo con una interface fácil
de manejar, cuenta con una gran variedad de herramientas ingenieriles y de co-
ii
procesamiento, y además es muy estable en sus cálculos, entre otras cosas. La gran
desventaja no solamente de este software sino de todos los software de este estilo,
siguen siendo el tiempo de simulación, que depende principalmente del número de
malla y de la dinámica del proceso.
iii
INDICE
CAPITULO I INTRODUCCION ......................................................................................... 1
1.1 Presentación .............................................................................................................. 1
1.2 Objetivos .................................................................................................................... 4
CAPITULO II ASPECTOS TEORICOS ........................................................................... 5
2.1 Dinámica de fluido computacional ............................................................................. 6
2.1.1 Introducción ......................................................................................................... 6
2.1.2 Fundamentos matemáticos de CFD .................................................................... 8
2.1.3 Discretización de las ecuaciones de flujo ........................................................... 9
2.1.4 Método de los volúmenes finitos ....................................................................... 10
2.1.5 Condiciones de contorno ................................................................................... 10
2.1.6 Funcionamiento y metodología de CFD ............................................................ 12
2.1.7 Ventajas y desventajas de los CFD .................................................................. 14
2.2 Concepto de hornos reformadores .......................................................................... 15
CAPITULO III DISEÑO Y SIMUÑACION EN FLUENT ................................................... 18
3.1 Introducción .............................................................................................................. 19
3.2 GAMBIT .................................................................................................................... 21
3.2.1 Interface ............................................................................................................. 21
3.2.2 Diseño de la geometria ..................................................................................... 22
3.2.3 Construccion del horno reformador................................................................... 23
3.2.3.1 Tubos catalizadores ................................................................................... 24
3.2.3.2 Creación de las paredes del horno reformador .......................................... 24
3.2.3.3 Diseño del canal de humos y zona de convección ..................................... 26
iv
3.2.3.4 Diseño de las entradas de los gases del horno .......................................... 27
3.2.3.5 Unión de todas las figuras (opción split) ..................................................... 28
3.2.3.6 Generación de la malla para la simulación ................................................. 29
3.2.3.7 Condiciones de contorno físicas.................................................................. 30
3.2.3.8 Fluido o solido ............................................................................................. 33
3.2.3.9 Guardar archivo en GAMBIT ....................................................................... 33
3.3 FLUENT .................................................................................................................. 34
3.3.1 Interface de FLUENT ......................................................................................... 34
3.3.2 Lectura de malla ................................................................................................ 35
3.3.3 Definición de los parámetros de simulación ...................................................... 37
3.3.3.1 Modelos ....................................................................................................... 37
3.3.3.2 Selección de los materiales de proceso y sus propiedades ....................... 38
3.3.3.3 Condiciones de contorno ............................................................................. 40
3.3.3.4 Parámetros de cálculo ................................................................................. 43
3.3.3.5 Residuos ..................................................................................................... 44
3.3.3.6 Inicialización de la solución ......................................................................... 45
3.3.3.7 Iteración ...................................................................................................... 46
3.3.3.8 Mapas de los resultados ............................................................................ 48
CAPITULO IV ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................. 50
4.1 Introducción .............................................................................................................. 51
4.2 Simulación en estado estacionario ........................................................................... 52
4.2.1 Análisis de la hidrodinámica del gas combustible ............................................. 53
4.2.2 Análisis de distribución de la temperatura en el horno..................................... 56
4.2.3 Análisis zona de convección .............................................................................. 57
4.3 Simulación en estado dinámico ................................................................................ 59
v
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 61
5.1 Conclusiones ............................................................................................................ 62
5.2 Recomendaciones .................................................................................................... 63
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 64
vi
INDICE DE TABLAS Y FIGURAS
Tabla 2.1. Software comerciales en el mercado ............................................................... 7
Figura.2.1 Ejemplos de simulaciones CFD ...................................................................... 8
Tabla 2.2 Ecuaciones que rigen para el desplazamiento de un fluido .............................. 9
Figura 2.2 Esquema de hornos reformadores ................................................................ 16
Figura 2.3 Esquema de la salida de los gases de combustión ....................................... 16
Figura 3.1 Interface programa GAMBIT ......................................................................... 21
Figura 3.2 Menu gambit ................................................................................................. 22
Figura 3.3 Enmallado en distintas áreas ........................................................................ 23
Figura 3.4 Diseño de los tubos catalizadores ................................................................. 24
Figura 3.5 Construcción de las paredes del horno ......................................................... 25
Figura 3.6 Zona de reformado ........................................................................................ 26
Figura 3.7 Vista canal de humos .................................................................................... 27
Figura 3.8 Vista superior de las entradas circulares de los gases.................................. 27
Figura 3.9 Esquema general horno reformador.............................................................. 28
Figura 3.10 Enmallados en distintos sectores del horno ................................................ 29
Tabla 3.1 Parámetro de malla de la entrada de los gases, paredes del horno y tubos
catalizadores .................................................................................................................. 30
Tabla 3.2 Parámetros de malla del canal de humos y zona de convección ................... 30
Figura 3.11 Menú de selección de condiciones de borde .............................................. 31
Figura 3.12 Tipos de condiciones de contorno que entrega GAMBIT ............................ 31
Figura 3.13 Menú de selección de GAMBIT para determinar fluido o solido .................. 33
Figura 3.14 Exportar archivo en GAMBIT ...................................................................... 33
Figura 3.15 Ventana de opción de cálculo bidimensional o tridimensional .................... 34
Figura 3.16 Ventana principal del programa FLUENT .................................................... 35
Figura 3.17 Importación del archivo msh a FLUENT .................................................... 35
Figura 3.18 Lectura en pantalla del archivo msh importado desde GAMBIT ................. 36
Tabla 3.3 Comandos para comprobar parámetros previos a la simulación .................... 37
vii
Figura 3.19 Menú principal para la definición de modelos del proceso .......................... 37
Figura 3.20 Materiales de proceso y sus propiedades ................................................... 39
Figura 3.21 Condiciones de operación ........................................................................... 40
Figura 3.22 Condiciones de contorno ............................................................................. 41
Figura 3.23 Definición de la velocidad de entrada del gas ............................................. 41
Figura 3.24 Parámetros de cálculo ................................................................................. 43
Figura 3.25 Convergencia de resultados ........................................................................ 44
Figura 3.26 Inicialización de la solución ......................................................................... 45
Figura 3.27 Mensaje de eliminación de resultados ........................................................ 46
Figura 3.28 Número de iteraciones de la simulación ...................................................... 46
Figura 3.29 Grafico del programa iterando .................................................................... 47
Figura 3.30 Horno mal enmallado .................................................................................. 48
Figura 3.31 Ejemplos de distintas opciones de muestra de resultados de FLUENT ...... 49
Tabla 4.1 Parámetros ingresados de las simulaciones realizadas ................................. 53
Figura 4.1 Perfil de Velocidades ..................................................................................... 53
Figura 4.2 Velocidad de salida del gas combustible ....................................................... 54
Figura 4.3 Líneas de flujo en el horno ............................................................................ 55
Figura 4.4 Vista frontal zona de reformado .................................................................... 55
Figura 4.5 Temperatura de entrada del gas combustible ............................................... 56
Figura 4.6 Perfil de Temperatura del gas en el horno .................................................... 57
Figura 4.7 Análisis de la zona de convección................................................................ 58
Figura 4.8 Simulación en estado dinámico del horno reformador sin tubos catalizadores
....................................................................................................................................... 59
CAPITULO I
INTRODUCCION
1
INTRODUCCION
1.1 Presentación
La representación matemática de un proceso se llama modelo, el desarrollo del modelo
se denomina simulación. La simulación de procesos, tiene como objeto predecir el
comportamiento del proceso para su análisis de diseño o mejoramiento.
En la actualidad existe una inmensidad de programas de modelamiento y simulación
que permiten realizar esta tarea, lamentablemente muchos de ellos tienen la desventaja
de trabajar solamente en una o dos dimensiones como hysys, working model 2D,
dinamic, etc., La simulación de un proceso en 1D, origina la perdida de información en
función de las variables espacio, en otras palabras la idealización del proceso.
Una nueva técnica que está tomando mucho interés en el mundo académico e
industrial, es la simulación Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, Computational
Fluid Dynamics), cuya principal ventaja es realizar simulaciones en 2D y 3D. Esta
característica permite que la simulación de procesos sea más real, pero
lamentablemente este tiene un costo muy alto en función de los CPU/hr, por lo que la
simulación CFD se torna lenta y tediosa. Hoy en día, el desarrollo exponencial de los
procesadores está permitiendo la masificación del uso de esta técnica.
CFD es una herramienta de modelamiento numérico, que permite obtener el
comportamiento de los fenómenos de transporte de un fluido, a través de la resolución
de las ecuaciones de Navier – Stokes, acopladas con los balances de masa y energía,
y si es necesario también, agregando un modelo de turbulencia.
2
Hoy en día, la simulación CFD en 2D y 3D es utilizada por la mayoría de las industrias
en todos los ámbitos, como la industria del entretenimiento para los videojuegos y los
efectos visuales en el cine, la medicina, la industria de la ingeniería para el
procesamiento de nuevos dispositivos, planes de construcción, diseños de vehículos,
comportamiento de procesos, etc.
La demostración de las ventajas de la simulación CFD en 3D para este proyecto, se
realiza a través del estudio de la hidrodinámica del gas de combustión dentro de un
horno reformador, por lo que no se compara los resultados obtenidos con los
experimentales, solo se demuestra las ventajas del uso de CFD y los beneficios que se
pueden lograr con este tipo de simulación.
Los hornos reformadores son reactores catalíticos que utilizan gas natural y vapor de
agua para formar el gas de síntesis. La reacción ocurre dentro de los tubos
catalizadores que se encuentran distribuidos dentro del horno. Para que la reacción
ocurra, es necesario agregar temperatura, para lo cual el horno cuenta con diferentes
quemadores que se encargan de suministrar la temperatura necesaria. El calor
generado por la combustión, es distribuido a los tubos catalizadores a través de los
gases de combustión, pero en la actualidad, no existe información en la bibliografía
abierta, de la distribución real de los gases dentro del horno y por lo tanto de la
temperatura.
El análisis de los perfiles de distribución de los gases (hidrodinámica), se realiza en este
proyecto a través del software comercial FLUENT 6.1 y GAMBIT. A través de GAMBIT
se diseña y genera la malla del horno y con FLUENT el cálculo numérico. Los gases de
combustión son producto de la combustión del gas de natural en los quemadores,
dependiendo de la cantidad de gas y de aire, es el tamaño de la llama de combustión.
En este estudio, se emula el comportamiento de la llama solamente ingresando gas
(aire) a una temperatura dada (temperatura de combustión). Puesto que la principal
3
idea es conocer el perfil de velocidad de los gases de combustión y no el proceso de
combustión.
Los parámetros de simulación básicamente son la velocidad de ingreso del flujo de aire,
la presencia o no de los tubos catalizadores, y la absorción o no de calor en la salida
del horno. La simulación se plantea en estado estacionario y dinámico.
4
1.2 Objetivos
El objetivo de este proyecto es mostrar las ventajas de la simulación CFD para distintas
áreas tanto industriales como académicas, tomando como ejemplo general, el análisis
de la hidrodinámica de los gases de combustión que ingresan a un horno reformador.
Para alcanzar este objetivo general, se plantearon los siguientes objetivos específicos:
- Ventajas del uso de la modelación CFD en 3D
- Filosofía del uso y aplicación de la simulación CFD
- Pasos principales para el uso de GAMBIT y FLUENT, en función de una aplicación
simple como es la zona de reformado de un horno.
- Análisis de la hidrodinámica de los gases de combustión que calienta la zona de
reformado de un horno
5
CAPITULO II
ASPECTOS TEORICOS
6
ASPECTOS TEORICOS
2.1 Dinámica de fluido computacional
2.1.1 Introducción
La dinámica de fluidos computacional (CFD), es una de las ramas de la mecánica de
fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas
sobre el flujo de fluidos, la cual está gobernada por la ecuación de Navier-Stokes, que
es un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el
movimiento de un fluido. Hoy en día, los investigadores han agregado a estos métodos
numéricos las ecuaciones de transferencia de calor, masa y reacción, en diferentes
medios.
CFD es una herramienta de modelamiento numérico que permite obtener una visión
más aproximada y realista de los fenómenos de transporte de un fluido, a través de la
resolución de las ecuaciones de Navier – Stokes, acopladas con los balances de masa
y energía y un modelo de turbulencia si es necesario, obteniéndose los perfiles de
velocidad y temperatura de un fluido, y/o la concentración de una especie en cualquier
punto de la geometría de diseño.
El costo de la potencia de cálculo para la simulación es una desventaja de esta técnica,
pero que se ha ido reduciendo de una forma considerable en los últimos años por el
avance exponencial de los procesadores. Actualmente el uso de la simulación CFD
muestra un crecimiento rápido en varios ámbitos, ya que las ventas de este tipo de
software están cercanas a los 300 millones de dólares, y un crecimiento continuo
7
estimado del 16% hasta el año 2008, siendo FLUENT inc. el mayor proveedor de este
tipo de software y servicios de consultoría.
Tabla 2.1 Software comerciales en el mercado
Geometría y Mallado Calculo ICEM-CFD TAU CENTAUR CFX GAMBIT FLUENT T-GRID VS-AERO
La técnica CFD comenzó en los años 60 en la industria aeroespacial, y desde entonces
ha crecido fuertemente convirtiéndose a partir de los 80 en una herramienta vital para
muchas industrias donde la predicción del flujo de fluidos es importante. En los 90 se
expandió de forma significativa a distintas aplicaciones y procesos industriales en los
que interviene la transferencia de calor, las reacciones químicas, los flujos bifásicos, los
cambios de fase, la transferencia de masa y los esfuerzos al interactuar con sólidos. En
la actualidad, la simulación CFD se utiliza en un amplio espectro de la industrias como;
la industria química, aeroespacial, estructural, para la predicción del movimiento de aire
y el confort, así como también para analizar fenómenos termofluidos, en el ámbito
medioambiental como dispersión de contaminantes en la atmósfera, o de vertidos en
los ríos, suelos, etc. Lo que representa una poderosa ayuda al ingeniero.
8
(a) (b)
Figura.2.1 Ejemplos de simulaciones CFD (a) fluido en un lecho poroso y (b) distribución de gas en un
invernadero
2.1.2 Fundamentos matemáticos de CFD
CFD calcula numéricamente el movimiento de los fluidos a través de un computador,
basándose en las ecuaciones de Navier-Stokes. El ingeniero francés Claude Navier y el
matemático irlandés George Stokes desarrollaron en forma independiente el modelo
que predice el movimiento de los fluidos hace más de un siglo y medio atrás. Estas
ecuaciones derivan directamente de las leyes del movimiento de Newton y son
ecuaciones en derivadas parciales no lineales. Las ecuaciones son las mismas para
cualquier situación de flujo de fluidos, la particularización a los casos concretos viene
definida por las condiciones de contorno y los valores iniciales.
Estas ecuaciones son muy complejas, por lo que su solución analítica sólo es posible
en casos muy elementales, por lo anterior, se recurre a la solución numérica a través de
los computadores, dando origen a la dinámica de fluidos computacional o CFD. Hoy en
día, la complejidad del cálculo y las limitaciones de los supercomputadores más
potentes, hacen que sea absurdo intentar utilizar las técnicas de CFD en los casos en
los que otras técnicas han logrado simplificaciones adecuadas, también resulta
impracticable para procesos muy extensos, como por ejemplo la simulación global de
una planta química.
9
CFD se basa en la resolución de las ecuaciones de continuidad momento y de energía,
sobre volúmenes de control (malla) definidos dentro del sistema. De acuerdo a las
necesidades, CFD permite agregar más modelos, como por ejemplo reacción,
combustión, turbulencia, etc.
Tabla 2.2 Ecuaciones que rigen para el desplazamiento de un fluido
Nombre Ecuación
Ecuación de c onservación de la masa
Ecuación de conservación de momento
Ecuación de la conservación de la energía
El término Sm contiene la masa añadida como por ejemplo en cambios de fase, el
termino u es la velocidad en un eje dependiendo en las dimensiones que se esté
trabajando, ρ es la densidad del fluido, t el tiempo, x la coordenada espacial, P la
presión estática del fluido, tij es el tensor tensión, g es la fuerza de la gravedad, Fi
representa las fuerzas externas y la energía esta representado por e.
2.1.3 Discretización de las ecuaciones de flujo
Para que un computador pueda resolver las ecuaciones involucradas en la simulación
CFD (tabla 2.2), estas se deben transformar en expresiones algebraicas, proceso que
se denomina discretización numérica. Hay varias técnicas de discretización,
dependiendo de los principios en que se basen. Las más usadas son: diferencias
10
finitas, volúmenes finitos, y elementos finitos. Aquí se describirá brevemente el método
de los volúmenes finitos, que es el utilizado por el programa FLUENT.
2.1.4 Método de los volúmenes finitos
Consideremos una malla de discretización del espacio o volumen que ocupa el fluido,
en torno a cada punto de esta malla se construye un volumen de control que no se
superpone con los puntos vecinos. De esta forma, el volumen total de fluido resulta ser
igual a la suma de los volúmenes de control considerados. La ecuación diferencial a
resolver se integra sobre cada volumen de control, lo cual entrega como resultado una
versión discretizada de dicha ecuación. Para realizar la integración, se requiere
especificar perfiles de variación de la variable dependiente entre los puntos de la malla,
de modo de poder evaluar las integrales resultantes. La principal propiedad del sistema
de ecuaciones discretizadas resultante, es que la solución obtenida satisface en forma
exacta las ecuaciones de conservación consideradas, independientemente del tamaño
de la malla.
2.1.5 Condiciones de contorno
La solución de un problema depende de las condiciones iniciales y de las condiciones
de contorno a las que está sometido el fluido. Las condiciones de contorno más
habituales son las siguientes:
- Condiciones de borde de Dirichlet . Especifica el valor de la función en una
superficie.
11
- Condiciones de borde de Newmann . Especifica la derivada normal de la función
en una superficie, cuando existe movimiento
- Condiciones de borde de Cauchy . Imponen valores específicos a la solución de
una ecuación diferencial, que se toma de la frontera del dominio y de la derivada
normal a la frontera. Esto es igual a imponer dos tipos de condiciones: la condición
de frontera de Dirichlet y la condición de frontera de Neumann. Las condiciones de
Cauchy son también llamadas condiciones de valor inicial o valores iniciales.
- Condiciones de borde de Robin .Para una ecuación diferencial elíptica en una
región, Robin especifica la suma de todas las funciones y las derivadas normales
de estas, en todos los puntos de la frontera.
CFD, simplifica estas condiciones para el uso fácil del usuario;
- Presión en un determinado contorno . Se puede fijar presión estática o presión
total.
- Velocidad en el contorno . Se puede fijar dirección y módulo, o sólo dirección,
combinada con la condición de presión. En ocasiones se especifica el caudal en
vez de la velocidad.
- Si interviene la ecuación de energía, también hay que concretar condiciones de
contorno para la temperatura: valor fijo y/o flujo de calor.
12
Imponiendo estas condiciones, se puede simular el comportamiento de los contornos
reales de un fluido, tales como paredes, entradas en tuberías, salidas al exterior, etc.
Las paredes sólidas son condiciones de contorno especialmente críticas, debido al
comportamiento del fluido en las proximidades de la pared. En las superficies sólidas se
genera una capa límite del fluido en la que la velocidad varía rápidamente a medida que
nos acercamos a la pared. La simulación directa de la capa límite es extremadamente
difícil y requiere unos recursos desproporcionados, por lo que se suelen utilizar modelos
de contorno específicos.
2.1.6 Funcionamiento y metodología de CFD
En CFD, el usuario debe especificar las condiciones del problema que va a resolver, así
como proveer al programa de ciertos parámetros de resolución para que este consiga
encontrar una correcta solución del problema. Los pasos genéricos que hay que seguir
son:
- Creación de la geometría del problema . En esta primera etapa se diseña la
estructura o volúmenes por donde se trasladara el fluido que se va a analizar,
como por ejemplo intercambiadores de calor, reactores, tuberías, etc.
- Enmallado de la geometría diseñada. Se discretiza el volumen diseñado en
pequeñas celdas que serán llamados volúmenes de control. Sobre cada celda o
volumen de control, el programa calculara en función de las ecuaciones de
Navier - Stokes (integrando las ecuaciones de derivadas parciales sobre cada
punto o celda) los distintos comportamientos del fluido en base a su velocidad o
temperatura. Según las características de la geometría, se escoge una u otra
forma de dichos elementos, para conseguir un mejor enmallado. La complejidad
de la física involucrada junto al tamaño del volumen, definen a grandes rasgos la
potencia de cálculo necesaria.
13
- Especificación de las condiciones de borde . Se especifica sobre la cara o
lado de todos los volúmenes creados para formar la geometría del problema. Por
ejemplo, se especifica si es una pared, si hay una velocidad de entrada, si hay
una velocidad de salida, etc. También se debe especificar si por los volúmenes
creados, pasara un fluido o es solo un sólido.
- Definición de los modelos que se van a utiliza r. CFD nos permite optar entre
varias opciones, sobre el modelo de proceso que más se acerque a nuestro
problema real. Entre estas opciones están: trabajar en estado estacionario o
dinámico, opciones multifasicas de un fluido, flujo laminar o turbulento, distintos
tipos de transferencia de calor, etc.
- Especificación de las propiedades del fluido. Se especifica todo lo
relacionado con la viscosidad, densidad,etc
- Imposición de las condiciones de contorno, que cont rolan los valores de
ciertas variables en los límites del volumen. Básicamente se imponen valores
fijos de la presión, velocidad y temperatura, así como también de sus gradientes.
- Introducción de las condiciones iníciales. En el caso de un problema no
estacionario, se debe definir unos valores de las variables para todos los puntos
del volumen, desde los cuales empezará el programa a calcular las soluciones.
En el caso de un problema estacionario, es preciso introducir al programa unos
valores iniciales de las variables, de los cuales partirá el proceso iterativo, como
por ejemplo la velocidad inicial de un fluido.
- Control de los parámetros que afectan a la resoluc ión numérica del
problema . Se puede actuar sobre el proceso iterativo definiendo los tipos de
14
discretización, variando los factores de relajación, y fijando los criterios de
finalización de las iteraciones.
- Proceso de cálculo. Durante el mismo es habitual monitorear la convergencia y
controlar la evolución de las variables en algunos puntos.
- Análisis de la solución. Comprobación de que la resolución es correcta y
estudio de los resultados. La gran cantidad de datos que se genera, hace
necesario el uso de sistemas de post proceso gráficos.
2.1.7 Ventajas y desventajas de los CFD
Las ventajas que proporciona el análisis por CFD se pueden resumir en:
- Reducción sustancial de tiempos y costos en los nuevos diseños.
- Posibilidad de analizar sistemas o condiciones muy difíciles de simular
experimentalmente: velocidades hipersónicas, temperaturas muy altas o muy
bajas, movimientos relativos, etc.
- Capacidad de estudiar sistemas bajo condiciones peligrosas o más allá de sus
condiciones límite de funcionamiento, por ejemplo accidentes.
- Nivel de detalle prácticamente ilimitado. Los métodos experimentales son más
caros, cuando mayor es el número de puntos de medida, mientras que los códigos
de CFD pueden generar un gran volumen de resultados sin costo añadido, y es
muy fácil hacer estudios paramétricos.
15
Las técnicas de CFD no son baratas. En primer lugar, son necesarios computadores o
procesadores de gran capacidad de cálculo (los investigadores de CFD son usuarios
habituales de los computadores más potentes que existen), y un software con precio
todavía no accesible al gran público. En segundo lugar, se necesita personal calificado
que sea capaz de hacer funcionar los programas y analizar adecuadamente los
resultados.
El mayor inconveniente de CFD, consiste en que no siempre es posible llegar a obtener
resultados suficientemente precisos. Esto proviene de:
- La necesidad de simplificar el fenómeno a estudiar, para que el hardware y
software sea capaz de tratarlo. El resultado será tanto más preciso cuanto más
adecuadas hayan sido las hipótesis y simplificaciones realizadas.
- La limitación de los modelos existentes para la turbulencia, flujo bifásico,
combustión, etc.
2.2 Concepto de hornos reformadores
La producción de gas de síntesis se realiza en los hornos llamados reformadores
Methane Steam Reforming (MSR) según la siguiente reacción:
CH4 + H2O 3H2 + CO
CH4 + 2H2O 4H2 + CO2
El vapor de H2O reacciona con el metano para formar hidrogeno, oxido de carbono y
anhídrido carbónico. El vapor con el metano ingresan a una serie de reactores
catalíticos en forma de tubos, en donde reaccionan en forma endotérmica. El calor
necesario para esta reacción, es proporcionado en forma directa por los gases de
16
combustión, que se originan en los quemadores que rodean los reactores tubulares,
como se observa la figura 2.2.
Figura 2.2 Esquema de hornos reformadores
El reformador está constituido por los reactores tubulares y un horno (la estructura), que
rodea los reactores. En forma general, el horno tiene forma rectangular y los reactores
tubulares cruzan el horno en forma longitudinal, mientras los quemadores que es por
donde ingresa el gas para su combustión, rodea a los reactores por la parte alta del
horno. Los gases de combustión, recorren el laberinto que forman los reactores, y salen
por la parte lateral baja del horno, el cual tiene un sistema de sifón para evitar que los
gases salgan velozmente.
Figura 2.3 Esquema de la salida de gases de combustión
Zona Convección
17
Para el caso de la zona de convección, esta se encuentra conformada por serpentines,
los cuales tiene como función recuperar el calor de los gases de combustión que no han
cedido en el horno.
18
CAPITULO III
DISEÑO Y SIMULACION EN FLUENT
19
DISEÑO Y SIMUÑACION EN FLUENT
3.1 Introducción
FLUENT es un programa de simulación de Dinámica de Fluidos Computacional, el de
mayor preferencia por la industria y mundo académico, principalmente por su gran
variedad de manejo de todo tipo de flujos y con un respaldo de más de 25 años de
desarrollo, certificados bajo los estándares internacionales ISO 9001 y TickIT.
La estructura de FLUENT le ha permitido incorporar una gran cantidad de modelos para
diferentes procesos físicos y químicos, que le dan una enorme versatilidad. De esta
manera, no solo puede realizar simulaciones de flujos laminares o turbulentos,
newtonianos o no newtonianos, compresibles o incompresibles, monofásicos o
multifásicos, sino también procesos de transferencia de calor por radiación, conducción
y convección, procesos de fundición y reacciones químicas, como combustión de
gases, líquidos, combustibles sólidos, etc.
Las siguientes son las principales aplicaciones que se pueden realizar en FLUENT:
- Simulaciones 3D, 2D plano, 2D asimétrica, 2D asimétrica con turbulencia.
- Mallado no estructurado (triángulos y cuadriláteros en 2D; tetraedros, y pirámides
en 3D)
- Simulaciones de flujo estacionario o dinámico.
- Cualquier régimen de velocidad (subsónico, transónico, supersónico e
hipersónico
- Flujos laminares, turbulentos, no viscosos.
- Flujos newtonianos y no newtonianos.
20
- Amplia variedad de modelos de turbulencia, incluyendo k-epsilon, k-omega,
RSM, DES, y LES.
- Transferencia de calor incluyendo convección natural, forzada o mezclada;
transferencia de calor conjugada sólido/fluido; radiación incluyendo radiación
solar.
- Mezclado y reacción de especies químicas, incluyendo modelos de combustión
homogénea y heterogénea y modelos de reacción/deposición en superficies.
- Modelos multifase y de superficie libre, incluyendo transferencia de calor y
reacciones químicas
- Cálculos de trayectorias lagrangianas para fase dispersa (partículas, gotas,
burbujas), incluyendo modelos para películas delgadas
- Modelos de cambio de fase para aplicaciones de solidificación y fundición,
modelo de cavitación y modelo de vapor húmedo.
- Medio poroso con permeabilidad no isotrópica, resistencia inercial, conducción
de calor en sólidos, y opción para calcular velocidades intersticiales.
- Modelos para ventiladores, radiadores e intercambiadores de calor.
- Capacidad de enmallado dinámico para modelar flujo alrededor de objetos que
se mueven durante la simulación.
- Marcos de referencia inercial (estacionario) o no inerciales (rotación o
aceleración)
- Múltiples marcos de referencia y opciones de malla deslizable.
- Conjunto de herramientas para modelaciones aeroacústicas
- Base de datos de propiedades de materiales
- Amplia capacidad de personalización a través de funciones definidas por el
usuario (programación)
- etc
Como se menciono en el ítem 2.1.6, el diseño y simulación, se realizan con 2
programas distintos, pero ambos pertenecientes a la familia CFD, el diseño y el
21
enmallado se realiza mediante el programa GAMBIT, mientras que el cálculo mismo y la
interpretación de resultados son mediante FLUENT.
3.2 GAMBIT
GAMBIT (Geometry And Mesh Building Inteligent Toolkit) es un programa que permite
realizar todas las operaciones de pre-proceso para el análisis CFD. Sus utilidades más
importantes son la creación de la geometría física, la generación de la malla, su
análisis y por último la asignación de las zonas de contorno, o también llamadas
condiciones de borde.
3.2.1 Interface
GAMBIT tiene una ventana gráfica (en negro) con un menú en la parte superior, dos
ventanas de texto (Transcript y Description ) debajo de la ventana gráfica y dos zonas
de botones a la derecha (Operation y Global Control ). Por defecto la ventana gráfica
muestra la vista perpendicular al eje Z.
Figura 3.1 Interface programa GAMBIT
22
El programa también tiene un menú para el manejo de archivos y tipo de resolución
Figura 3.2 Menu gambit
3.2.2 Diseño de la geometria
Para la contruccion de un equipo es importante tener claro las partes que se desea
simular, es decir, una parte del proceso o todo el proceso, considerando que si se
simula todo el proceso el costo de CPU/hr es muy alto, de igual forma si solo se simula
una parte del proceso se puede perder informacion, principalmente por el ingreso de las
condiciones de borde ideal.
Por otro lado, cuando se diseña un proceso se debe considerar las caracteristicas de
este, en otras palabras, si existe comportamientos diferentes dentro del proceso
(cambios de fase, reaccion, etc). Otro de los puntos importantes que hay que tomar en
cuenta, son las dimensiones internas del proceso, esto quiere decir que se debe tener
cuidado cuando existan zonas de poca dimension al lado de zonas de gran tamaño, lo
cual no recibir un tratamiento adecuado puede generar errores en el futuro. Por
ejemplo, la figura siguiente muestra las consecuencias de la mala selección del tamaño
de la malla, en la figura de la derecha la geometria pierde area.
23
Figura.3.3 Enmallado en distintas áreas
En el diseño del horno con GAMBIT, primero se analiza las partes que se desea simular
y se simplifica el proceso si es conveniente. El objetivo de la simulacion del horno es el
estudio de la hidrodinamica general de los gases de combustion, por lo que los demas
procesos no es necesario simularlos. Partiendo de esta condicion, la reaccion del gas
de sintesis no se incluye en la simulacion, pero para emular este proceso se
condiderara constante la temperatura de todo los tubos catalizadores (621°C), lo que
emula la absorcion de calor por la reaccion. La simulacion de la combustion es muy
compleja, y escapa del objetivo del proyecto, por lo que se simulara el proceso de
combustion, con el ingreso de un flujo de aire caliente a una velocidad determinada, lo
que simulara el tamaño de la llama.
3.2.3 Construccion del horno reformador
Para la construccion del horno reformador,se tomaran en cuenta distintas geometrias,
es decir,para el caso de los reactores o los tubos catalizadores, estos se diseñaran en
forma de cilindros,para el horno o la estructura externa, se diseñaran en forma de un
cubo,y para la salida del gas o tambien llamado canal de humos, se dibujaran distintos
rectangulos de distintas dimensiones unidos o acoplados.
24
3.2.3.1 Tubos catalizadores
La primera etapa del diseño del reformador es la construccion de los tubos
catalizadores. La cantidad de tubos que atraviezan el horno se toma arbitrariamente en
81, y son distribuidos en 9 filas de 9 tubos. Las dimensiones con que se dibuja
inicialmente los tubos son de 16 metros de largo y 15 cms de radio, la distancia entre
los tubos es de 50 cms, que según bibliografía es lo más recomendable para este tipo
de hornos.
El dibujo de los catalizadores se realiza usando las herramientas de 3D. Para el ahorro
de tiempo, se utiliza la opcion de copiado y traslado para dibujar los restantes tubos.
(a) (b)
Figura 3.4 Diseño de los tubos catalizadores (a) menú para el diseño de los tubos catalizadores y (b)
tubo catalizador diseñado
3.2.3.2 Creación de las paredes del horno reformad or
El diseño del horno se realiza en función de un cubo con 13 metros de alto y un largo y
un ancho de 5 metros. GAMBIT por defecto trabaja en unidades de metro. El cubo se
25
sitúa de tal forma, que se centre en todos los tubos catalizadores, utilizando las
opciones de dirección de ejes y/o traslado de figuras.
(a) (b)
Figura 3.5 Construcción de las paredes del horno (a) menú para la construcción de las paredes del horno
y (b) tubos catalizadores centralizados en las paredes del horno ya diseñado
Como el objetivo de la simulación es solamente que los tubos tengan una temperatura
fija ya que no existe reacción, no es necesario el tubo interno, solo las paredes, por
esto, la idea es hacer perforaciones al cubo, de tal manera de dejar espacios cilíndricos
cuya interface se tomara como las paredes de los tubos catalizadores.
Para lograr lo anterior, se resta el volumen correspondiente al cubo o paredes del horno
con cada volumen cilíndrico correspondiente a un tubo catalizador, en este caso, se
debe restar el cubo con los 81 tubos catalizadores creados. Por ello, inicialmente se
diseñaron los tubos con un largo superior al alto del horno, ya que al restarlos, los tubos
catalizadores estarán contenidos dentro de la zona de reformado, y tendrán un largo de
13 metros, como el alto del horno diseñado.
26
Figura 3.6 Zona de reformado
3.2.3.3 Diseño del canal de humos y zona de convec ción
La salida de los gases del horno se realiza a través de un ducto, con una parte de este
como intercambiador (o zona de convección), y las demás secciones con la misma
forma. Para esto se crean 8 rectángulos los cuales pueden ser caracterizados
individualmente, cada uno de ellos con un alto y ancho de 1 metro. La diferencia entre
ellos la marca los largos de estas figuras, las cuales varían a lo largo del recorrido del
gas. La Zona de convección, se diseña como un cuadrado de 1 metro por cada lado,
esto permitirá en el futuro tratarlo como un sistema independiente, para establecer otras
condiciones. Hay que destacar, que para formar el ducto, se debe mover los
rectángulos de tal forma que estos estén interceptados con el rectángulo anterior.
Finalmente, teniendo todos los rectángulos colocados en sus respectivos lugares, se
usa la opción de unión de volúmenes, esto genera un solo volumen, pero no se incluye
la zona del intercambiador de calor.
27
Figura 3.7 Vista canal de humos
3.2.3.4 Diseño de las entradas de los gases del ho rno
Como se dijo al inicio, la combustión de los quemadores se emulara con el ingreso de
aire caliente, por lo que el diseño de estos solo se tratara de una perforación circular
que permita el ingreso de gases al sistema (cubo-horno). Para aquello se crean 32
cilindros, que emularan lo que son los quemadores en la realidad (entradas circulares),
ubicados entre los tubos en forma intercalada. La dimensiones de estos cilindros son de
1.5 metros de largo y 15 centímetros de radio.
Figura 3.8 Vista superior de las entradas circulares de los gases
28
3.2.3.5 Unión de todas las figuras (opción split)
Finalmente se tienen 3 figuras (zonas), el horno (cubo perforado por tubos catalizadores
y los tubos de entrada de gas), la zona de convección y finalmente el ducto final de
salida de gases de combustión. GAMBIT nos permite diferenciar volúmenes o zonas
que están unidos o juntos en un cierto diseño, con la finalidad que en el futuro se pueda
establecer diferentes condiciones de trabajo para cada zona. Para el caso del horno
reformador, lo más recomendable es realizar un split entre los quemadores y la pared
de horno. También otro split necesario es entre el volumen correspondiente a la salida
del gas combustible (primer rectángulo del canal de humos) y la pared del horno,
después entre este mismo volumen y el cuadrado correspondiente a la zona de
convección y por último, esa misma zona con el volumen previo a la salida hacia la
chimenea.
Así el horno reformador diseñado queda de la siguiente manera:
Figura 3.9 Esquema general horno reformador
29
3.2.3.6 Generación de la malla para la simulación
Una vez dibujada la geometría se enmalla la estructura. Enmallar la estructura quiere
decir dividir el volumen que ocupa el fluido en pequeñas celdas. Cada celda será un
punto de cálculo. Cuantas más pequeñas sean las celdas, de más valores por unidad
de volumen dispondremos, con ello el resultado de la simulación se ajustará más a la
realidad, pero por otro lado, más ecuaciones deberá resolver FLUENT, con el costo de
mayor tiempo de cálculo. En este punto se debe tomar la decisión de mejor resultado o
CPU/hr. El departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Magallanes
cuenta con 3 computadores Pentium D de 3.20 Ghz y 1Gb de RAM, con sistema
operativo Microsoft Xp Profesional, en los cuales se realizaron las simulaciones
respectivas.
Las tablas siguientes muestran el enmallado realizado en distintos sectores:
(a) (b)
Figura 3.10 Enmallados en distintos sectores del horno (a) enmallado en el canal de humos y (b)
enmallado de los cilindros por donde ingresa el gas (aire)
30
Tabla 3.1 Parámetro de malla de la entrada de los gases, paredes del horno y tubos catalizadores
Tabla 3.2 Parámetros de malla del canal de humos y zona de convección
Parámetros de malla del canal de humos y zona de co nvección
Tipos de elementos de volumen Text/hybrid,T grid
Espacio, tamaño, intervalo (m) 0,1
Número total de elementos de malla 60345
3.2.3.7 Condiciones de contorno físicas
En esta etapa se establece las condiciones de contorno físicas, para lo cual se debe
establecer que significa cada cara de la figura o volúmenes creados.
Parámetros de malla de la entrada de los gases
Tipos de elementos de volumen Text/hybrid,T grid
Espacio, tamaño ,intervalo (m) 0,016
Número total de elementos de malla 288000
Parámetros de malla del horno reformador y los tubo s catalizadores
Tipos de elementos de volumen Text/hybrid,T grid
Espacio, tamaño, intervalo (m) 0,11
Número total de elementos de malla 689490
31
Figura 3.11 Menú de selección de condiciones de borde
GAMBIT ofrece varias posibilidades de definición:
Figura 3.12 Tipos de condiciones de contorno que entrega GAMBIT
Las caras o faces que se crean en nuestro diseño como condiciones de contorno son:
Entrada del aire: Definida como Velocity Inlet . Corresponde por donde ingresa el gas
de combustión emulado como aire hacia el horno, mediante las entradas circulares
creadas en base a cilindros.
32
Superficie quemadores: Definida como wall . Se refiere a la pared de los quemadores
o de los cilindros que se simula como aquello. Pared (wall) significa que existe una
superficie de solido ficticia sin dimensiones que limitara por donde circulara un fluido
Intersección quemador-pared superior del horno: Definida como Interior. Es el lugar
por donde el gas de combustión (aire) sale de los quemadores e ingresa a la zona de
reformado. Esta zona es una pared de la figura que no interviene, pero por donde debe
circular el fluido, esta opción permite que esta pared sea borrada y no tomada en
cuenta.
Superficie del horno reformador: Definida como wall .Son las seis caras externas o
paredes de la zona de reformado del horno.
Tubos catalizadores: Definida como wall .Se refiere a los 81 tubos definidos dentro del
horno
Salida de los gases de combustión: Definida como Interior . Es el lugar por donde
salen estos gases hacia el canal de humos.
Sección de la zona de convección: Definida como interior . El lugar por donde
proviene el gas de combustión desde el horno y la otra cara o face es la salida de esta
zona hacia lo que es la chimenea mediante el canal de humos.
Superficie canal de humos: Definida como wall .Lugar por donde se traslada los gases
de combustión previa entrada hacia la zona convección y salida de esta hacia la
chimenea.
Salida del gas: Definida como outflow. Por donde sale el fluido que estamos
analizando.
33
3.2.3.8 Fluido o solido
Todas las figuras o zonas se deben especificar, es decir, si va a circular un fluido o si es
solo un sólido. A diferencia de lo anterior, aquí se toma en cuenta los volúmenes, no
las caras de estos.
Figura 3.13 Menú de selección de GAMBIT para determinar fluido o solido
3.2.3.9 Guardar archivo en GAMBIT
Una vez terminado todo lo anterior, hay que exportar lo realizado a un archivo
específico con una extensión msh, que será la entrada al programa de cálculo y análisis
(FLUENT).
Figura 3.14 Exportar archivo en GAMBIT
34
3.3 FLUENT
FLUENT realiza los cálculos de la geometría dibujada en GAMBIT, en donde se
establece todos los parámetros de simulación, y se muestran los resultados de estos
mediante distintos gráficos.
3.3.1 Interface de FLUENT
Al abrir FLUENT aparece la ventana donde se debe elegir el modo de trabajo de la
simulación, esto depende en que dimensión se dibujo la figura y el grado de precisión
de los cálculos que se requieren.
Figura 3.15 Ventana de opción de cálculo bidimensional o tridimensional
El modo 3ddp se refiere a 3 dimensiones pero con doble precisión, lo que da mejores
resultados, pero requieren más tiempo de cálculo. Por la limitante CPU, la simulación se
hace en 3d.
35
Figura 3.16 Ventana principal del programa FLUENT
Seleccionado el modo, aparece la ventana principal del programa FLUENT, que consta
de una ventana de texto, en ella se pueden escribir comandos y aparecen los
resultados de los cálculos. Los comandos en forma de texto en la práctica no es
necesario utilizarlos, puesto que casi todas las opciones se pueden manejar con el
menú principal.
3.3.2 Lectura de malla
El archivo exportado por GAMBIT hacia FLUENT se lee como lo demuestran las
siguientes figuras
(a) (b)
Figura 3.17 Importación del archivo msh a FLUENT (a) menú principal para importar un archivo desde
GAMBIT y (b) selección del archivo a importar
36
Cuando FLUENT carga el archivo, este muestra los parámetros principales, es decir, el
número de celdas y el nombre de las condiciones de contorno que se impusieron en
GAMBIT.
Figura 3.18 Lectura en pantalla del archivo msh importado desde GAMBIT
Además, previo al comienzo de la simulación, hay que fijarse en los siguientes
parámetros
- Verificar las dimensiones en que esta diseñado el equipo y las unidades en las
cuales va a trabajar el sistema.
- Comprobar el enmallado de la geometría diseñado en GAMBIT, verificando que
los volúmenes sean positivos, en caso que sean negativos, el error se encuentra
en la malla dispuesta en GAMBIT.
Todo lo anterior se puede realizar con los comandos mostrados en la siguiente tabla:
37
Tabla 3.3 Comandos para comprobar parámetros previos a la simulación
Parámetros a comprobar Comando
Volúmenes positivos Grid � Check
Dimensiones del equipo Grid�Scale
Visualizar malla creada en GAMBIT Display�Grid
3.3.3 Definición de los parámetros de simulación
3.3.3.1 Modelos
En esta etapa se define los modelos para ver cómo se va a simular el proceso. Las
opciones a elegir dependen de lo que se desea realizar, es decir si la simulación es en
estado estacionario o dinámico, si el flujo es viscoso o no, si existe más de dos flujos, si
existe transferencia de calor, modelo de turbulencia, etc.
En el menú Define , la primera opción es models
Figura 3.19 Menú principal para la definición de modelos del proceso
38
La opción Solver básicamente permite elegir la simulación dinámica o estacionaria,
investigadores recomiendan comenzar primero con estacionario y cuando se ah
alcanzado una cierta convergencia en los resultados se cambia a dinámico. Para el
caso del horno reformador, en una primera etapa se simulara en estacionario y en la
segunda etapa en estado dinámico.
Para el dinámico, se debe escoger el paso de integración y las iteraciones que se
desea realizar. En el primer caso, el paso de integración depende del flujo, hay que
tener claro que a menor paso de integración mejor convergencia, pero el tiempo de
simulación será mucho mayor.
La opción Multiphase nos permite definir si el flujo es una mezcla que se encuentra en
dos o más fases. Para nuestro análisis que es el gas de combustible (simulado como
aire) se selecciona una fase homogénea.
La opción Energy activa la resolución de la ecuación de transferencia de calor. Se
selecciona cuando esta transferencia va intervenir en el proceso. En nuestro caso, se
desea saber el perfil de temperatura en el horno, por lo que se escoge esta opción.
La opción Viscous permite elegir el modelo de turbulencia. En esta simulación se utiliza
el modelo laminar mas por un sentido de CPU/Hr, ya que al escoger unos de estos
modelos, la simulación es más real, pero el tiempo de simulación es mayor, pero en
caso de elegir un modelo turbulento el más utilizado es el k-epsilon
3.3.3.2 Selección de los materiales de proceso y s us propiedades
Se definen los nombres y propiedades de los materiales disponibles para usar en la
simulación. Los materiales (sólidos y fluidos) se seleccionan de acuerdo a las siguientes
figuras:
39
(a) (b)
Figura 3.20 Materiales de proceso y sus propiedades (a) menú principal para ingresar a la ventana de
selección de los materiales de proceso y (b) materiales y propiedades disponibles en FLUENT
Los materiales activos por defecto son aire como fluido y aluminio como sólido. Para
esta simulación no hace falta cambiar nada, ya que el gas de combustible se simulara
como ya se menciono anteriormente como aire, pero si se quieren utilizar otros
materiales, FLUENT contiene una base de datos.
Cuando se selecciona un material, FLUENT permite cambiar sus parámetros físicos o
cambiar la fórmula de cálculo, por ejemplo, uno puede seleccionar la densidad
constante, calculado con la ley universal de gases, o que varíe en función de la
temperatura. Por defecto este parámetro viene constante.
Las condiciones de operación del caso se determinan de acuerdo a las siguientes
figuras:
40
(a) (b)
Figura 3.21 Condiciones de operación (a) menú principal para ingresar a la ventana de selección de las
condiciones de operación del proceso y (b) selección de condiciones de operación del proceso
La presión de operación es el valor de la presión de referencia (atmosférica). La
variable presión utilizada en el programa es la presión relativa a este valor.
La casilla Gravity hace que se incluya el término de gravedad en la resolución de las
ecuaciones. Hay que activarla cuando los efectos de gravedad son importantes, en
especial cuando existe gran diferencia de densidad.
3.3.3.3 Condiciones de contorno
Se definen las condiciones de contorno, así como también se le asignan valores
iniciales como lo muestran las siguientes figuras:
41
(a) (b)
Figura 3.22 Condiciones de contorno (a) menú principal para ingresar a la ventana de selección de las
condiciones de contorno y (b) especificaciones de las condiciones de contorno
En este cuadro de dialogo aparecen a la izquierda las zonas y bordes que se han
definido en GAMBIT, y a la derecha las opciones posibles para el elemento elegido,
resaltando en azul el tipo seleccionado. La zona fluido gas es toda la superficie
enmallada y puede ser fluido y sólido, estando definida como fluido. .
El resto de las zonas definidas son líneas de contorno. La entrada, por ejemplo, está
definida como velocity-inlet.
Figura 3.23 Definición de la velocidad de entrada del gas
Los tipos más utilizados son:
42
- Velocity inlet : Se usa como entrada del flujo, se fija la velocidad de entrada en
esa condición de borde, si se tiene la opción de energía se debe ingresar la
temperatura. Para la simulación del horno, aquí se fija la velocidad de entrada
del gas de combustión (aire) así como también su temperatura inicial.
- Interior : Permite el paso de un fluido entre dos volúmenes distintos, estando
estos acoplados, no interviene.
- Outflow : Es la condición de salida, pero tiene la ventaja que no se fija la presión
ni la velocidad. Esto es importante, ya que FLUENT es el encargado de calcular
automáticamente los resultados.
- Wall : Condición de pared, como se dijo, es ficticia, en el sentido que no tiene
dimensiones de solido, solo es el límite del fluido. Tiene varias opciones, entre
las principales es escoger cual es el perfil del fluido en esta pared, la opción más
usada o cercana a la realidad es el no slip, que significa que el fluido no se
desplaza en esta pared (generando el efecto del rozamiento, capa límite), es
decir, la velocidad en este contorno es cero. Si se tiene la opción de energía, se
debe ingresar la temperatura. Para el caso del horno, se fija la temperatura inicial
de las paredes de los tubos catalizadores, así como también, se puede
manipular el calor transferido en la zona de convección.
En este punto se define los parámetros de cálculo de las ecuaciones involucradas, el
inicio de los parámetros de la simulación, el grado de precisión de error en los balances
y finalmente el inicio de la simulación.
43
3.3.3.4 Parámetros de cálculo
Muestra las ecuaciones involucradas en la simulación, y también nos permite desactivar
alguna de estas si se desea. Los parámetros de relajación (con que rapidez se desea
encontrar la convergencia) están dadas para todas las ecuaciones, hay que tener
presente que si los valores de los parámetros son bajos, la convergencia es más lenta
pero más estable, y si los parámetros son altos ocurre el efecto inverso. También se
debe seleccionar en esta zona los modelos de enlace entre las variables y como
distribuir los cálculos en una celda.
El tipo de discretización y los coeficientes de relajación se definen en las siguientes
figuras
(a) (b)
Figura 3.24 Parámetros de cálculo (a) menú principal para ingresar a la ventana de selección de los
parámetros de cálculo y (b) selección de los parámetros de cálculo y relajación
El tipo de discretización por defecto es Standard, pero en nuestro caso se utilizara la
opción PRESTO en presión, de primer orden en las ecuaciones de cantidad de
movimiento y con el método SIMPLE de acoplamiento entre la presión y velocidad. Esta
discretización, facilita la convergencia de la solución aunque el resultado final puede
tener un error apreciable. Cuando se requieran resultados no solamente cualitativos,
hay que procurar utilizar discretizaciones de segundo orden.
44
3.3.3.5 Residuos
El residuo de cada variable es la diferencia entre el valor de la solución nueva y la
anterior. Cuando los residuos toman un valor suficientemente bajo, se considera que la
solución convergió.
Para que los residuos tengan valores significativos, independientes de las magnitudes
de las variables, se utilizan residuos escalados, es decir la suma del residuo de la
variable en todas las celdas, dividido por un factor de escala representativo del flujo de
la variable en el dominio.
La visualización de los residuos y el criterio de convergencia se muestran en las
siguientes figuras:
(a) (b)
Figura 3.25 Convergencia de resultados (a) menú principal para ingresar a la ventana de elección de
convergencia y muestra de resultados y (b) selección de convergencia y muestra de resultados
La opción Print en la parte superior izquierda hace que durante el cálculo se escriban
los residuos en la ventana de comando. La opción Plot (justo debajo de la de Print)
representa estos valores en un gráfico. El criterio de convergencia, que por defecto está
fijado es 0.001, detiene el proceso iterativo cuando los residuos escalados de todas las
variables han caído tres órdenes de magnitud. Aunque por el momento se va a
mantener este valor, es un poco escaso para la mayoría de las simulaciones, y para
45
obtener buenos resultados hay que reducirlo a 0.0001 o 0.00001. Cuando se utiliza
precisión simple, es difícil obtener convergencias mejores que éstas, pues se entra en
la zona de los errores de redondeo en los cálculos. El botón Plot no tiene utilidad en
este momento porque no se ha realizado ninguna iteración.
3.3.3.6 Inicialización de la solución
Para comenzar el cálculo, el programa necesita unos valores iniciales de las variables.
Éstos se establecen como lo demuestran las siguientes figuras:
(a) (b)
Figura 3.26 Inicialización de la solución (a) menú principal para ingresar a la ventana de inicialización de
la solución y (b) opciones para la inicializar la simulación
Para la mayoría de los casos, los valores que se inicializan para las variables, no son
muy importantes y se pueden dejar por defecto. Sin embargo, cuando se tiene flujo
supersónico o se utiliza alguno de los modelos avanzados (multifase), puede ser
necesario inicializar las variables a valores lo más cercanos posible a la solución
definitiva, para asegurar la convergencia del cálculo. Esta opción se aplica con el botón
Init y se cierra la ventana con Close .
Cuando se inicializa el caso por primera vez, el programa crea el espacio de memoria
necesario para guardar los valores de las variables en todas las celdas y pone en ellos
los valores de inicialización.
46
Cuando se itera, en este espacio se van guardando las sucesivas soluciones. Si
después de realizar alguna iteración se vuelve a inicializar (si por ejemplo se ha visto
que la solución no es la deseada, o si se ha cambiado alguna condición o parámetro y
se quiere volver a empezar el cálculo desde el principio), aparecerá el mensaje de
advertencia como se muestra la figura 3.27.
Figura 3.27 Mensaje de eliminación de resultados
El mensaje indica que se va a borrar la solución que se tenía y se van a inicializar las
variables. Este mismo mensaje aparece si se pincha dos veces seguidas sobre el botón
Init, pero antes de haber iterado no tiene mayor importancia.
3.3.3.7 Iteración
Las siguientes figuras muestran cómo empezar el cálculo en FLUENT
(a) (b)
Figura 3.28 Número de iteraciones de la simulación (a) menú principal para ingresar a la ventana de
elección del número de iteraciones y (b) selección del número de iteraciones requeridas
47
En Number of Iterations se ingresa el número máximo de iteraciones que se quiere
realizar, y se comienza con el botón Iterate .
Figura 3.29 Grafico del programa iterando
Durante la iteración, los residuos se van escribiendo en la ventana de comandos (si se
ha activado print en residuals), y también se dibujan en un grafico. Se puede detener
el proceso con el botón cancel , aunque después de seleccionar el botón, hay que
esperar a que concluya una iteración (en este caso no es apreciable, pero casos de
gran tamaño pueden tardar varios segundos o algún minuto en cada iteración). Si se
detiene, se puede continuar la iteración pulsando de nuevo el botón iterate ; si no se
reinicializa la solución, se continua en el mismo punto en que se dejo.
El cálculo concluye cuando se alcanza el número de iteraciones fijadas o se cumple el
criterio de convergencia, en este caso, que todos los residuos sean menores a 0.001
Como puede verse en el gráfico de los residuos, después de unas primeras
oscilaciones, los residuos disminuyen de forma gradual y alcanzar la convergencia es
cuestión de realizar un número suficiente de iteraciones. Este comportamiento se busca
en todas las simulaciones, pero no siempre es fácil de conseguir. En casos complejos,
para conseguir una buena convergencia hace falta tener muy buen conocimiento del
fenómeno fluidodinámico y una gran experiencia de CFD. Como regla general, una
mala convergencia puede ser achacada a una de estas tres causas:
48
- Un mal enmallado, es decir, en el que haya celdas muy deformadas.
- Cantidad de malla.
- Condiciones de contorno incorrectas o mal situadas.
- Estar utilizando discretizaciones y métodos de relajación inadecuados.
Figura 3.30 Horno mal enmallado
3.3.3.8 Mapas de los resultados
FLUENT nos da la posibilidad de visualizar los resultados en distintos esquemas y
escalas según sea nuestro interés, las siguientes figuras dan cuenta de eso:
49
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.31 Ejemplos de distintas opciones de muestra de resultados de FLUENT (a) vista superior del
horno mediante un mapa de vectores, (b) salida de los gases mediante un mapa de vectores, (c) líneas
de flujo del gas en la zona de reformado mediante un path line y (d) pared del sector derecho del horno
mediante un mapa de contornos
50
CAPITULO IV
ANALISIS DE RESULTADOS
51
ANALISIS DE RESULTADOS
4.1 Introducción
FLUENT como se mostró, cuenta con una infinidad de herramientas de post proceso
(análisis de resultados), para esto es importante que el usuario sepa como mostrar los
resultados, y que logre exponer los objetivos alcanzados de la simulación. Pero en
forma general, los siguientes son los parámetros que se deben considerar para analizar
los resultados.
- Flujo de materia que ingresa al sistema, qué sale del sistema y que circula dentro
del sistema
- Presiones del sistema en diferentes puntos
- Velocidades de flujo
- Fracciones de fases
- Temperaturas del sistema
- Componentes de vectores
- Líneas de flujo
Dependiendo de cada simulación son las necesidades, en nuestro caso los parámetros
más importantes que se tomaron en cuenta son:
a) Velocidad de entrada del gas de combustible
b) Temperatura de entrada del gas combustible
c) Temperatura inicial de las paredes de los tubos catalizadores
d) Flujo de calor cedido por el gas combustible en la zona de convección
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Uno de los factores importantes en la simulación, es que modelar el proceso en detalle
puede ser complejo y engorroso, por lo que en muchos casos es necesario tomar
alternativas de simulación, de tal forma que nos muestren los objetivos que se desean
alcanzar, en nuestro caso la hidrodinámica del gas de combustión y sus perfiles de
temperatura.
Por otro lado, siempre es recomendable iniciar la simulación ingresando al sistema
parámetros lo mas idénticos a los resultados que se quieren obtener, lo que es difícil
inicialmente , por lo que se empieza a trabajar primero con la simulación estacionaria y
luego se parte la simulación dinámica con los resultados de la simulación estacionaria.
Cabe destacar que en muchos casos, la simulación estacionaria es suficiente, como por
ejemplo un flujo en un ducto regular.
4.2 Simulación en estado estacionario
Se planificaron diferentes simulaciones en estado estacionario, en las cuales
básicamente se vario la velocidad de entrada del gas, el flujo de calor cedido en la zona
de convección y la presencia o no de tubos catalizadores. Esto se muestra y resume en
la siguiente tabla:
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Tabla 4.1 Parámetros ingresados de las simulaciones realizadas
N°Simulacion Velocidad
Entrada
(m/seg)
T°Entrada
Gas (°K)
T° Pared Tubo
Catalizadores(°K)
Flujo de calor en
zona de convección
Tubos
Catalizadores
1 1 1273 894 No No
2 1 1273 894 No Si
3 10 1273 894 No Si
4 10 1273 894 Si Si
4.2.1 Análisis de la hidrodinámica del gas combust ible
El análisis de la hidrodinámica del gas combustible se realizo con la presencia de tubos
catalizadores y sin presencia de ellos, el resultado de las simulaciones se muestran en
la figura 4.1(a) y (b)
(a) (b)
Figura 4.1 Perfil de Velocidades (a) sin tubos catalizadores y (b) con tubos catalizadores
De las figuras 4.1 (a) y (b) se puede apreciar que el horno presenta diferentes zonas de
velocidad, en la zona de entrada las velocidades son máximas y se atenúan en el
centro del mismo y finalmente aumentan en la salida.
54
El gas por su naturaleza busca el mejor camino para salir del horno y por la geometría
de este, el gas busca su propio camino de salida, lo que genera diferentes zonas
muertas. Estas zonas muertas se presentan principalmente en las esquinas del horno,
pero resaltan más las equinas inferiores, por donde sale el gas.
(a) (b)
Figura 4.2 Velocidad de salida del gas combustible (a) sin tubos catalizadores y (b) con tubo
catalizadores
Otras zonas muertas que se generan, aunque no son tan notorias son la que se
encuentran en el centro del horno, por encima de la salida del gas. En las figuras 4.3 (a)
y (b) que se ilustraran a continuación, se podrá apreciar aquello. Esto se debe a que el
fluido trata de salir, pero parte de él no lo puede hacer, retorno el gas hacia la parte
superior del horno lo que genera remolinos y desplazamiento de las zonas muertas.
55
(a) (b)
Figura 4.3 Líneas de flujo en el horno (a) sin tubos catalizadores y (b) con tubos catalizadores
El retorno del gas, provoca que los gases de combustión que ingresan por los
quemadores (diseñados como entradas circulares), sean empujados hacia un costado
de horno, provocando el perfil mencionado anteriormente, independiente de la
presencia de los tubos catalizadores.
Con respecto a la mejor o peor distribución del gas combustible dentro del horno, hay
que tomar en cuenta, que el tener los tubos catalizadores, marca que los gases se
ordenen y salgan por un solo camino en forma más ordenada, en cambio sin la
presencia de los tubos, el gas suele desordenarse y tener una distribución más
aleatoria, como se puede observar en la figura 4.4 (a) y (b).
(a) (b)
Figura.4.4 Vista frontal zona de reformado (a) sin tubos catalizadores y (b) con tubos catalizadores
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4.2.2 Análisis de distribución de la temperatura en el horno
Para el análisis de la distribución de la temperatura dentro del horno, se tomaron las
mismas simulaciones, pero en este caso la variable es el calor cedido en el ducto de
salida. El resultado de estas simulaciones mencionadas lo muestra la figura 4.5 (a) y
(b).
(a) (b)
Figura 4.5 Temperatura de entrada del gas combustible (a) sin calor cedido en la zona de convección y
(b) con calor cedido en la zona de convección
.
En estas figuras mencionadas podemos apreciar que el gas combustible al ceder parte
de su calor en la zona de convección del horno, permite que la temperatura disminuya
levemente dentro de la zona de reformado, por lo que podría inferir en la reacción.
Para observar el perfil de temperaturas dentro de la zona de reformado, se muestra a
continuación un corte frontal del horno, de la siguiente manera
57
(a) (b)
Figura 4.6 Perfil de Temperatura del gas en el horno (a) sin calor cedido en la zona de convección y (b)
con calor cedido en la zona de convección
El perfil de temperaturas es similar al perfil de velocidades, la alteración de la
hidrodinámica en función de la temperatura no existe, ya que en estas simulaciones se
asumió densidades constantes (no existe cambio de volumen).
4.2.3 Análisis zona de convección
En la zona de convección se absorbe parte del calor del gas combustible, para calentar
otros servicios de una planta. Para el análisis de la distribución de la temperatura dentro
del horno, se tomaron las mismas simulaciones, pero en este caso la variable es el
calor cedido en el ducto de salida, asumiendo densidad constante, y en función de la
temperatura, todo esto en estado estacionario. Los resultados de las simulaciones se
observan en la figura 4.7.
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(a) (b)
Figura 4.7 Análisis de la zona de convección (a) densidad variable y (b) densidad constante
En la simulación a densidad variable existe una alteración de la hidrodinámica en
función de la temperatura (disminución de la temperatura) en comparación a la
simulación con densidad constante, debido a que el gas de combustión puede salir mas
rápido del horno al haber una disminución del volumen del mismo gas de combustión
en la zona de convección.
También es importante señalar que en la simulación a densidad variable, no hay un
flujo de calor cedido por el gas en la zona de convección, a diferencia de la simulación
N°4 (figura 4.7 (b)), por ende si adicionalmente le agregáramos esta condición a la
simulación N°3, la temperatura disminuiría más aun.
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4.3 Simulación en estado dinámico
Esta etapa se realizo en base a la simulación N°1 (tabla 4.1), para observar en función
del tiempo la hidrodinámica de gas en el horno y como se desplaza este.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 4.8 Simulación en estado dinámico de un horno sin tubos catalizadores (a) 2 segundos, (b) 12
segundos, (c) 22 segundos, (d) 32 segundos, (e) 42 segundos y (f) 49 segundos
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En la figura 4.8, se observa las simulaciones dinámicas en diferentes tiempos. En los
primeros segundos hay una gran velocidad del gas en el sector izquierdo, que es por
donde se desvía el gas de combustión, debido a los gases que no alcanzan a salir y
ascienden, pero a medida que pasa el tiempo, el gas empieza a generar remolinos y las
zonas muertas se van desplazando a diferentes zonas. Esto es muy interesante puesto
que normalmente se asume que las zonas muertas son fijas.
En general, el estado estacionario muestra solo un instante o más bien dicho una foto
de lo que pasa con el proceso a un tiempo determinado, mientras la simulación
dinámica muestra en función del tiempo lo que pasa dentro de un proceso. En nuestro
caso, se observa que existe un constante cambio de los perfiles de velocidad dentro del
horno, y por ende de las zonas muertas.
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CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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5.1 Conclusiones
Los CFD son una herramienta en constante desarrollo, y que en un futuro podrán
sustituir a los canales experimentales, pero actualmente no pueden dar una respuesta
exacta y completa, por lo tanto, se han convertido en una herramienta de diseño muy
útil en las primeras fases del proyecto, que permiten la optimización de las formas
como complemento a la labor de los canales experimentales y que pueden reducir el
costo en las primeras etapas del proyecto.
En toda simulación CFD de fenómenos físicos y químicos, la validación de los
resultados es un aspecto clave para determinar la validez de la misma. Para poder
realizar dicha validación es necesario disponer de medidas experimentales que
normalmente se obtienen en instalaciones de laboratorio diseñadas para ello.
También la optimización del diseño de un elemento o sistema desde el punto de vista
de la mecánica de fluidos se puede realizar con mayor solvencia y a un menor costo de
forma virtual con herramientas de CFD y sin necesidad de construir prototipos físicos.
Otro factor importante es el tiempo, ya que esta tecnología permite reducir
significativamente los tiempos de los ciclos de diseño y cómo consecuencia, una
disminución importante en los costos del desarrollo del producto.
GAMBIT y FLUENT han resultado una herramienta útil para el diseño del horno
reformador. Los resultados de este proyecto muestran claramente que una simulación
fluidodinámica puede reducir considerablemente los ensayos materiales y enfocarlos a
los puntos críticos o variables que se estime oportuno, reduciendo costos y tiempo de
desarrollo.
La posibilidad de obtener imágenes de vectores de velocidad, mapas de contorno,
graficas path line, permiten visualizar de mejor manera todas las posibilidades de
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recorrido del gas combustible dentro de la zona de reformado, independiente de la
geometría, y las distribuciones diseñadas con antelación.
5.2 Recomendaciones
Las simulaciones realizadas en este proyecto han sido largas, la simulación realizada
en estado estacionario han durado tiempos superiores a tres días. Este ha sido un
factor limitante en las dimensiones de la geometría de estudio, así como en el número
de puntos de cálculo de la estructura. Para poder obtener simulaciones precisas y
reducir el margen de error, es muy importante disponer de equipos informáticos
potentes, que cubran las prestaciones que necesita un software como FLUENT, para
iterar y obtener resultados buenos en tiempos de simulación relativamente cortos o
razonables.
El estudio iniciado en este proyecto podría ampliarse y trabajar variables tales como:
- Distintas geometrías de estudio.
- Diferentes colocaciones de los quemadores en la zona de reformado
- Variar parámetros como densidad, aislamiento de las paredes,turbulencia,etc.
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BIBLIOGRAFIA
1. FLUENT INC, Fluent 6.2 User’s Guide.
2. FLUENT INC, Fluent 6.2.Tutorial Guide
3. FLUENT INC, Gambit 2.2 User’s Guide
4. FLUENT INC, Gambit 2.2. Tutorial Guide
5. Nuñez Enrique ; “Reformado a Vapor Planta Metanol”, Trabajo de Titulacion,
Universidad de Magallanes, Facultad de Ingenieria, Departamento de Quimica, 1990.
6. www.FLUENT.COM
7. WWW.CFDONLINE.COM
