Numerical validation of viewFactor and FVDOM radiation models of OpenFOAM® and application in the study of food furnaces

Validación numérica de los modelos de radiación viewFactor y FVDOM en lo OpenFOAM® y aplicación en lo estudio de los hornos alimenticios

Los hornos continuos del tipo túnel, considerando su mayor flexibilidad en el calentamiento y su alta productividad, se transformaron en la mejor opción para el procesamiento de productos alimenticios industrializados. Los objetivos principales de este trabajo son la validación de los resultados de losmodelos de radiación viewFactor y FVDOM del software OpenFOAM® y aplicación en la evaluación de las tasas de transferencia de calor por la radiación sobre la estera de un horno continuo alimenticio real. La geometría, condiciones operacionales, definiciones de la malla y condiciones iniciales y de contorno utilizados en la construcción del modelo fueron obtenidos a partir de datos de la literatura, manuales técnicos y hornos operacionales encontrados en las industrias alimenticias. En la construcción del modelo físico, implementación y simulación en el OpenFOAM®, diversas hipótesis simplificadoras fueron levantadas – el aire como un gas ideal, incompresible, newtoniano y no participante a los cambios radiantes; vaciamiento laminar; utilización de las ecuaciones de la continuidad, del balance de los momentos, de la energía y los modelos de radiación viewFactor y FVDOM; algoritmo del acoplamiento presión-velocidad SIMPLE, etc. De los resultados obtenidos, se destacan la validación de los modelos de radiación a través de resultados analíticos y también el flujo de calor por convección sobre la estera poco significativo en comparación a los efectos de la radiación. La discrepancia entre las órdenes de grandeza de la radiación y convección hace difícil la correcta evaluación de la última, especialmente porque pequeñas oscilaciones en la temperatura y velocidad afectan considerablemente e inducen a oscilaciones en su comportamiento. El modelo de radiación viewFactor se mostró más ventajoso debido a su mayor simplicidad y mayor velocidad de convergencia de la solución.

INTRODUCCIÓN

La radiación térmica es la forma de energía emitida por la materia. Cualquier sustancia a una temperatura absoluta no nula emite ondas electromagnéticas o fotones en el rango de la radiación térmica. El intercambio de calor no requiere un medio material para producirse, siendo más eficiente en el vacío. Está comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1 a 100 µm, cubriendo el espectro infrarrojo, visible y parte del ultravioleta. La radiación puede ser tratada como un fenómeno volumétrico y como un fenómeno superficial para las emisiones a partir de 1 µm de la superficie expuesta. Este modo de transferencia de calor es muy relevante en los estudios de procesos industriales de calentamiento, enfriamiento, secado, combustión, radiación solar y otros 1-2.