MECÁNICA DE FLUIDOS

U N I V E R S I D A D V E R A C R U Z A N A

MAESTRIA EN INGENIERIA MECANICA

PROYECTO FINAL MECANICA DE FLUIDOS

ANALISIS AERODINAMICO DE DIFUSOR INDUSTRIAL

ALUMA:

SELENE LEÓN PÉREZ

PROFESOR:

DR. ADRIAN VIDAL SANTO

BOCA DEL RÍO, VERACRUZ. 2011.

CONTENIDO

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción 3

CAPÍTULO 2. CONCEPTOS RELACIONADOS CON DIFUSORES

2.1 Quemadores Industriales 4

2.1.1 Definición de Quemador 4

2.1.2 Estructura de Quemador 4

2.2 Difusor 5

2.2.1 Definición de Difusor 5

2.2.2 Turbulencia generada por difusor 7

2.3 Túnel de Viento 8

2.3.2 Definición de túnel de viento 8

2.3.2 Características del túnel de viento 8

2.4 Fundamentos de mecánica de fluidos 9

2.4.1 Aerodinámica 9

2.4.2 Flujo turbulento 10

2.4.3 Número de Reynolds 10

2.4.4 Teorema de Bernoulli 10

2.5 CFD 11

2.5.1 Definición de CFD 11

2.5.2 CFD Fluent 11

CAPITULO 3. SIMULACIÓN NUMÉRICA

3.1 PREPROCESO. Generación de malla en 3D 12

3.2 PROCESO. Preparación de resultados 16

3.3 Resultados de simulación en 3D 19

3.4 Comparación de resultados con difusor de alabes rectos 23

CONCLUSIONES 25

REFERENCIAS 26

1.-INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN:

El área de la Ingeniería Mecánica día a día se desarrolla a mayor velocidad, y cada vez están más al alcance diversas herramientas para la investigación y experimentación.

En dos áreas de la Ingeniería Mecánica se llevó a cabo el siguiente proyecto, tal es el caso de la Mecánica de fluidos y la Aerodinámica. Se fundamenta en realizar pruebas experimentales al difusor de un quemador industrial del Instituto Mexicano del Petróleo utilizando un modelo numérico de este. La finalidad del proyecto es buscar resultados que permitan evaluar la distribución del aire en el difusor del quemador, ya que una buena formación de turbulencia significa mejores condiciones del mezclado aire-combustible, lo que da como resultado un frente de flama con mejor control y de mayor estabilidad.

Para realizar la simulación numérica se utilizará la herramienta de cómputo desarrollada para el comportamiento de fluidos. En este caso se seleccionó el software comercial de CFD FLUENT. El programa provee múltiples opciones de solución del comportamiento del fluido que con la combinación de métodos numéricos se mejora la exactitud de la simulación.

2.1 QUEMADORES INDUSTRIALES

2.1.1 DEFINICIÓN DE QUEMADOR:

Los quemadores son los equipos donde se realiza la combustión, por tanto deben contener los tres vértices del triángulo de combustión, es decir que deben lograr la una proporción entre el aire y combustible adecuada, lo que posteriormente originará una adecuada mezcla de aire-combustible, y una temperatura de ignición lo suficientemente elevada para que la combustión continúe sin aporte de calor externo.

El quemador industrial es un elemento de los calentadores que introduce el combustible y el aire a las velocidades, turbulencia y condiciones deseadas para establecer y mantener una ignición y una combustión apropiada.

2.1.2 ESTRUCTURA DE QUEMADOR

Un quemador industrial consiste y basa su funcionamiento en un cañón de atomización por el que circula el combustible a cierta presión dependiendo del fabricante con el fin de ser dividido en muchas pequeñas partículas para exponer la mayor superficie posible al calor (y al oxígeno del aire); una caja de aire en donde se alojan compuertas que direccionan el flujo del aire a la garganta del quemador, así mismo cuenta con un difusor (estabilizador de flama) que se encarga de crear la turbulencia necesaria para generar una buena condición de mezclado aire-combustible y del piloto que es la fuente de energía que genera la combustión.

Fig. 2.1 Esquema localización y estructura de quemador [13]

2.2 DIFUSOR

2.2.1 DEFINICIÓN DE DIFUSOR

El difusor (Fig. 2.1) es el dispositivo que se inserta en una mezcla combustible-aire en movimiento, diseñado para estabilizar una llama. En cualquier tipo de quemador, se debe controlar la distancia que adquiere la llama pues es importante que se mantenga cerca; para ello se cuenta con los estabilizadores de llama. El estabilizador es una pieza metálica que cuenta con unos orificios para su propia refrigeración, pero que consigue que el flujo de aire mas importante pase por el exterior, produciéndose un retorno del mismo hacia la zona central desocupada, con lo que conseguimos empujar la llama

y mantenerla cerca del quemador.

Fig. 2.1

Fig. 2.2 Montaje de difusor

Fig.2.3 Frente de flama en difusor

2.2.2 TURBULENCIA GENERADA POR DIFUSOR

Debido a la creciente demanda por alcanzar mayores eficiencias y la necesidad de generar una menor producción de emisiones contaminantes en sistemas de combustión, se realizan estudios enfocados a la optimización de los diseños actuales de cada uno de los componentes de los quemadores industriales.

Los difusores de álabes curvos o swirlers (tipo de difusor a analizar) generan zonas de recirculación más largas en su eje axial, iniciadas a cierta distancia del difusor y provocadas por la incorporación del componente tangencial de velocidad del aire; también se presentan zonas de baja presión estática mejor definidas frente al difusor, lo que mejora el reingreso de aire a la zona de combustión, lo que da como resultado tener un frente de flama mejor controlado y de mayor estabilidad. Esto ha sido comprobado con pruebas de evaluación en generadores de vapor de CFE.

Difusor de Alabes curvos

2.3 TÚNEL DE VIENTO

2.3.1 DEFINICIÓN DE TÚNEL DE VIENTO

El túnel de viento es la herramienta adecuada para la verificación, estudio y desarrollo de técnicas y procedimientos, así como de teorías con el fin de entender el comportamiento de cuerpos o masas de aire en movimiento. Es innumerable la cantidad de ejemplos donde se hace necesario el conocimiento del comportamiento de aire en presencia de otros cuerpos, haciendo imprescindible su estudio por medio de túneles de viento. Las posibilidades de visualización del movimiento del fluido, como así también la posibilidad de proponer experiencias, le otorgan además cualidades educativas importantes.

2.3.2 CARACTERÍSTICAS DEL TÚNEL DE VIENTO.

La Facultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana cuenta con un Túnel de viento de la marca Didatec Technologie, el cual presenta las siguientes características:

Estudio de dos tipos de ventiladores

• Ventilador centrífugo

• Ventilador axial

Descriptivo:

El equipo se descompone en seis partes principales. Descriptivo de éstas seis partes en el orden de paso del aire.

• El aire es aspirado en un conducto convergente, su forma específica hace que en su salida las líneas del campo de velocidades sean paralelas, el derrame es laminar.

• Después el aire entra en el conducto de pruebas; éste conducto es de plexiglas transparente con una apertura en la parte superior que permite poner las alas.

• El aire después pasa en el conducto divergente que sirve para disminuir las turbulencias debidas a los ventiladores.

• Conducto con la válvula de ajuste de caudal.

• El aire después pasa en el conducto divergente que sirve para disminuir las turbulencias debido a los ventiladores.

• Al final se encuentran los ventiladores (centrífugo o axial).

Fig. 2.7 Túnel de Viento [15].

2.4 CONCEPTOS APLICABLES

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