Validación de la simulación numérica del flujo bifásico hidrodinámico en sistemas de lecho fluido

Validation of the numerical simulation of the biphasic flow hydrodynamic in fluid bed systems

Este trabajo tiene como objetivo la mejora en la validación de la simulación numérica del flujo bifásico característico del transporte de lecho fluido, mediante la formulación y desarrollo de un modelo numérico combinado Volúmenes Finitos - Elementos Finitos. Para ello se simula numéricamente el flujo de mezcla sólido-gas en una Cámara de Lecho Fluido, bajo implementación en código COMSOL, cuyos resultados son mejores comparativamente a un modelo basado en el método de Elementos Discretos implementado en código abierto MFIX. El problema fundamental de la modelización matemática del fenómeno de lecho fluido es la irregularidad del dominio, el acoplamiento de las variables en espacio y tiempo y, la no linealidad. En esta investigación se reformula apropiadamente las ecuaciones conservativas del fenómeno, tales que permitan obtener un problema variacional equivalente y solucionable numéricamente. Entonces; se define una ecuación de estado en función de la presión hidrodinámica y la fracción volumétrica de sólidos, quedando desacoplado el sistema en tres sub-problemas, garantizando así la existencia de solución del problema general. Una vez aproximados numéricamente ambos modelos, se comparan los resultados de donde se observa que el modelo materia del presente artículo, verifica de forma más eficaz las condiciones de mezcla óptima, reflejada en la calidad del burbujeo y velocidad de mezcla.

1.Introducción 

1.1 Fundamentación y justificación 

En una Cámara de Combustión de Lecho Fluido utilizada en generación de potencia eléctrica con combustibles sólidos (ver Figura 1), así como en otros procesos de transporte fluidodinámico bifásico sólido-gas, es importante analizar la distribución puntual de la mezcla en todo el dominio; ello con la finalidad de optimizar el rendimiento, la confiabilidad y la economía de funcionamiento. Este fenómeno tiene como problema crítico la complejidad del flujo mixto sólido - gas y el tamaño de partícula. En las cámaras de combustión de Lecho Fluido el combustible sólido pulverizado se mantiene en suspensión por efecto del aire que se inyecta a velocidad controlada; sin embargo su distribución instantánea es inestable y no uniforme, lo cual complica el proceso físico. En la práctica industrial este problema también se presenta en los procesos de secado y transporte hidroneumático de sólidos (ver Figura 2).

Este tipo de fenómenos de transporte puede ser analizado por las leyes conservativas de la dinámica de un fluido, pero su complejidad física conduce a un problema abierto en cuanto a su modelización y solución numérica en dos y tres dimensiones, ello debido a la no existencia de una teoría completa capaz de describir con exactitud la dinámica de un flujo con mezcla bifásica.

Un indicador de la eficiencia de la combustión en lecho fluido es el tamaño de la burbuja en la columna de fluidización sólido-gas, la misma que depende de la homogeneidad y velocidad de la mezcla. Es ésta la razón que impulsa a incidir en la modelización del fenómeno, desde un interés numérico para la simulación en un prototipo virtual de sistema de lecho fluido.