Análisis numérico del comportamiento térmico y fluidodinámico de los gases de combustión en un horno tradicional para la producción de panela

Resumen

Introducción: La panela es un producto derivado de la caña de azúcar. En su elaboración se utiliza una hornilla tradicional, diseñada especialmente para este propósito. Según estudios encontrados en la literatura, se ha identificado que la eficiencia térmica de las hornillas paneleras se estima en un 30% promedio.

Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo contribuir en la búsqueda de nuevas soluciones para el mejoramiento del nivel de eficiencia, modificando principalmente el ducto de humos.

Metodología: El desarrollo de este estudio es el siguiente: primero, se realiza una investigación del efecto de la radiación y del espesor óptico en un horno simplificado. Posteriormente, se realiza una serie de simulaciones con modificaciones en el diseño del ducto de humos para un horno de tamaño real.

Resultados: Los resultados mostraron que se debe considerar el efecto de la radiación. Aunque el espesor óptico sea bajo, tiene un impacto relevante en el proceso de transferencia de calor debido a las altas temperaturas en el horno. Un movimiento caótico de los gases implicó más calor transferido a las pailas, y se obtuvieron altos valores de Nusselt con la adición de nuevos elementos en el conducto.

Conclusiones: El arreglo 1, proporciona los mejores resultados con un aumento de la eficiencia térmica y de Nusselt. No se encontraron diferencias significativas entre los modelos de radiación DOM y P-1.

Palabras clave: CFD, flujo turbulento, transferencia de calor por radiación, horno industrial

Referencias

P. V. K. Jagannadha Rao, M. Das, and S. K. Das, “Changes in physical and thermo-physical properties of sugarcane, palmyra-palm and date-palm juices at different concentration of sugar,” J. Food Eng., vol. 90, no. 4, pp. 559–566, Feb. 2009. doi: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2008.07.024

N. Singh, D. Kumar, S. Raisuddin, and A. P. Sahu, “Genotoxic effects of arsenic: prevention by functional food-jaggery.,”Cancer Lett., vol. 268, no. 2, pp. 325–30, Sep. 2008. doi: https://doi.org/10.1016/j.canlet.2008.04.011

A. P. Sahu and B. N. Paul, “The role of dietary whole sugar- jaggery in prevention of respiratory toxicity of air toxics and in lung cancer,” Toxicol. Lett., vol. 95, Supplement 1, p. 154, Jul. 1998. doi: https://doi.org/10.1016/S0378-4274(98)80615-2

H. García, A. Toscana, N. Santana, and O. Insuasty, Guía tecnológica para el manejo integral del sistema productivo de caña panelera. Bogotá, Colombia: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Corpoica, 2007.

K. S. S. Rao, A. Sampathrajan, and S. A. Ramjani, “Efficiency of traditional jaggery making furnace,” Madras Agric. J., vol. 90, no. 3, pp. 184–185, Jan. 2003. Available: http://www.panelamonitor.org/media/docrepo/document/files/efficiency-of-traditional-jaggery-making-furnace.pdf

V. R. Sardeshpande, D. J. Shendage, and I. R. Pillai, “Thermal performance evaluation of a four pan jaggery processing furnace for improvement in energy utilization,” Energy, vol. 35, no. 12, pp. 4740–4747, Dec. 2010. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.09.018

K. González, Determinación de pérdidas energéticas y sus puntos críticos, en hornillas paneleras Ward-Cimpa en la hoya del río Suárez, Univ. Industrial de Santander, Colombia, 2010.

P. Arya, U. K. Jaiswal, and S. Kumar, “Design based improvement in a three pan Jaggery making plant for rural India,” Int. J. Eng. Res., vol. 2, no.3, pp. 264-268, Jul. 2013.

O. Mendieta, “Desarrollo de un modelo experimental para el coeficiente de transferencia de calor en el proceso de evaporación del jugo de caña de azúcar en un arreglo de película delgada,” Univ. Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia, 2012.

G. B. Agalave, “Performance improvement of a single pan traditional Jaggery making furnace by using fins and baffle,” Int. J. Adv. Res. Sci. Eng., vol. 4, no. 4, pp. 85–89, Apr. 2015. Available: https://www.ijarse.com/images/fullpdf/1429353638_12_Research_Paper.pdf

J. Osorio, H. Ciro, and A. Espinosa, “Evaluación Térmica y Validación de un Modelo por Métodos Computacionales para la Hornilla Panelera GP150,” Dyna, vol. 77, no. 162, pp. 237–247, Jun. 2010. Available: http://bdigital.unal.edu.co/5373/1/jairoosorio.2010.pdf

D. Choudhury, Introduction to the renormalization group method and turbulence modeling, Lebanon NH, USA: Fluent Inc., 1973.

R. La Madrid, D. Marcelo, E. M. Orbegoso, and R. Saavedra, “Heat transfer study on open heat exchangers used in jaggery production modules – Computational Fluid Dynamics simulation and field data assessment,” Energy Convers. Manag., vol. 125, pp. 107–120, Oct. 2016. Doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.03.005

D. Wilcox, “Formulation of the k-omega Turbulence Model Revisited,” in 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, Jan. 8–11, 2007. doi: https://doi.org/10.2514/6.2007-1408

M. F. Modest, “Chapter 23 - Inverse Radiative Heat Transfer,” in Radiative Heat Transfer, 3rd Ed., pp. 779-802, Cambrigde, MA, USA: Academic Press, 2013. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386944-9.50023-6

G. Colomer, M. Costa, R. Cònsul, and A. Oliva, “Threedimensional numerical simulation of convection and radiation in a differentially heated cavity using the discrete ordinates method,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 47, no. 2, pp. 257–269, Jan. 2004. doi: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(03)00387-9

M. F. Modest, Radiative Heat Transfer, 3rd Ed., Cambrigde, MA, USA: Academic Press, 2013. Doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386944-9.50023-6

OpenCFD Ltd (ESI Group), “OpenFOAM.”. https://www.openfoam.com/about/

S. B. Pope, Turbulent flows. Cambridge, MA, USA: Cambridge Univ. Press, 2000. doi: https://doi.org/10.1017/CBO9780511840531

D. Wilcox, Turbulence modeling for CFD. La Cañada, CA, USA: DCW Industries, Inc., 1998.

J. E. Jaramillo Ibarra, “Suitability of different RANS models in the description of turbulent forced convection flows: application to air curtains,” TDX (Tesis Dr. en Xarxa), Univ. Politècnica de Catalunya. Dept. de Màquines i Motors Tèrmics Barcelona, España, 2008.

J. E. Jaramillo, C. D. Pérez-Segarra, A. Oliva, and K. Claramunt, “Analysis of different RANS models applied to turbulent forced convection,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 50, no. 19–20, pp. 3749–3766, Sept. 2007. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.02.015

D. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, 2nd Ed., Miami, FL, USA: Amazon.com: Books, 2006.

P. Crnjac, L. Škerget, J. Ravnik, and M. Hriberšek, “Implementation of the Rosseland and the P1 Radiation Models in the System of Navier-Stokes Equations with the Boundary Element Method,” Int. J. Comput. Methods Exp. Meas., vol. 5, no. 3, pp. 348–358, Abr. 2017. doi: https://doi.org/10.2495/CMEM-V5-N3-348-358

Y. A. Çengel, Heat and mass transfer: a practical approach. India: McGraw-Hill Education, Pvt. Limited, 2007.

G. Gordillo and H. García, Manual para el diseño y operación de hornillas paneleras. Convenio de investigación y divulgación para el mejoramiento de la industria panelera, Barbosa, Santander, Colombia: CIMPA, 1992.

C. J. Greenshields, OpenFOAM User-Guide, no. 5, May. 2015.

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.

Acerca de los Autores

Edxon Stiven Meneses Chacón, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, (Colombia)

Edxon Stiven Meneses Chacón: received his degree in Mechanical Engineer in 2014, and master’s in mechanical engineering 2018. His research interests include numerical simulation of flows involving turbulence and heat/mass transfer. Such studies are based on numerical simulations using the OpenFOAM toolkit framework. http://orcid.org/0000-0002-9413-5568

Julián Ernesto Jaramillo-Ibarra, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, (Colombia)

Julián Ernesto Jaramillo: received his degree in Mechanical Engineer in 1999, Master in Thermoenergetic Engineering in 2004, and Doctorate in Thermal Engineering in 2008. Professor and researcher at Universidad Industrial de Santander. http://orcid.org/0000-0001-7389-2677

Elisabet Mas de les Valls, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, (Spain)

Elisabet Mas de les Valls: received the Ph.D., in Nuclear Engineering in 2011 from the Polytechnic Universitat Politècnica de Catalunya (Barcelona, Spain). She is a researcher at Physics Department in the Universitat Politècnica de Catalunya. Her research interests include the study of new components for fusion technology. Such studies include magnetoconvective flows, tritium transport through multiphase flows and breeding blanket design among others. http://orcid.org/0000-0003-0134-0325.

Publicado
2019-06-08
Cómo citar
Meneses Chacón, E., Jaramillo-Ibarra, J., & Mas de les Valls, E. (2019). Análisis numérico del comportamiento térmico y fluidodinámico de los gases de combustión en un horno tradicional para la producción de panela. INGE CUC, 15(1), 133-141. https://doi.org/10.17981/ingecuc.15.1.2019.12
Sección
ARTÍCULOS