Modelización del comportamiento térmico de lechos fijos asistida por Fluidodinámica Computacional (CFD)

Abstract

Se han realizado numerosos estudios y existen en la literatura gran cantidad de trabajos de investigación experimental y de modelización sobre los fenómenos involucrados en la transferencia de calor y evaluación de la pérdida de carga en lechos fijos. Sin embargo, se observa una importante dispersión entre las expresiones predictivas propuestas por diferentes autores. En general, los estudios sobre lechos fijos (LF) y las correlaciones propuestas han sido desarrolladas para LF con alta relación de aspecto, en los que los perfiles evaluados sobre secciones transversales al flujo, son suaves y pueden ser promediados. Sin embargo, en los casos de lechos de baja relación de aspecto la existencia de los llamados “efectos de pared” provoca perturbaciones que se extienden sobre toda la sección transversal del LF y que deben ser especialmente consideradas. En los LF se producen perfiles radiales de velocidad con características muy particulares en las zonas cercanas a la pared, con variaciones dependientes de magnitudes tales como la geometría del relleno y la relación de aspecto. La velocidad presenta un máximo en las cercanías de la pared puesto que es ésta una región de elevada porosidad que propicia la canalización del fluido (Negrini y colab, 1999). Este efecto, que ejerce una influencia despreciable en lechos de gran diámetro, debe ser especialmente considerado en los casos de baja relación de aspecto. La finalidad principal de esta tesis es el planteo de un modelo matemático que permita representar el comportamiento de un lecho fijo de baja relación de aspecto, incluyendo la formulación de expresiones predictivas para sus parámetros. El énfasis del trabajo, no obstante, estará puesto en la transferencia de calor entre el LF y el medio externo. Adicionalmente, se realizará un estudio fluidodinámico con el fin proponer una metodología para la evaluación de la pérdida de carga a través del LF. El trabajo se enfoca específicamente en los casos de lechos fijos de baja relación de aspecto. El modelo que se desarrollará en detalle en los sucesivos capítulos de esta Tesis se denomina “Modelo de Dos Zonas” (MDZ). En él, un lecho se representa como una zona anular adyacente a la pared cuyo espesor es de un radio de partícula, seguida de una segunda zona, denominada central, que constituye el seno del lecho. En ambas zonas, la porosidad será esencialmente diferente, con un elevado valor en la región periférica. Se propondrá como metodología para la obtención de las correlaciones para la determinación de los parámetros térmicos y fluidodinámicos del modelo la utilización de la Fluidodinámica Computacional (CFD). Esta técnica constituye un valioso medio de obtención de información de alta calidad (Joshi y Ranade, 2003). Se utilizará el programa comercial FLUENT para resolver las ecuaciones de cambio características del sistema, en forma rigurosa, supliendo la realización de experiencias de laboratorio y conformando una alternativa que puede denominarse experimentación virtual. Es importante señalar que, no debe pensarse en el programa comercial adoptado como un simulador del lecho fijo por cuestiones prácticas y de demanda de tiempo para la respuesta al cálculo. El “Modelo de Dos Zonas” es el objetivo a alcanzar por su sencillez, agilidad y velocidad de respuesta. El software FLUENT constituye, en este caso, exclusivamente, un medio muy valioso para la obtención de información imprescindible para su formulación.