Análisis de perfiles radiales de temperatura para lechos fijos de baja relación de aspecto por fluidodinámica computacional

Abstract

En trabajos previos se ha presentado el Modelo de Dos Zonas (MDZ) para la transferencia de calor en lechos fijos. Este modelo permite la simulación ágil de reactores de lecho fijo de baja relación de aspecto, como es el caso de los reformadores de gas natural, considerando que el lecho está conformado por dos regiones: una zona anular, adyacente a la pared del tubo y de un espesor de un radio de partícula, y una segunda zona denominada central, abarcando el resto del lecho. Los parámetros térmicos que el modelo introduce son: el coeficiente de transferencia de calor sobre la pared, el coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas del modelo y la conductividad térmica efectiva radial que caracteriza a la zona central del lecho. Se ha discutido en contribuciones previas la evaluación del coeficiente de transferencia de calor sobre la pared. En este trabajo se profundiza dicho análisis con el estudio de los perfiles de temperatura de la zona central del lecho, con el objetivo principal de evaluar el coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas y la conductividad térmica efectiva radial. El sistema analizado consiste en un conjunto de partículas sólidas ubicadas en una celda, conforme a diferentes arreglos espaciales. Las celdas están limitadas por dos planos paralelos sobre los que se especifica la misma temperatura y dos fronteras periódicas en las posiciones de entrada y salida de la corriente de fluido. Una corriente gaseosa con temperatura predefinida atraviesa el lecho, completándose la celda de cálculo con condiciones de simetría en las caras laterales paralelas al flujo. Se utilizó la licencia académica del programa FLUENT 6.3.16 y su generador de mallas GAMBIT 2.4.6., llevándose a cabo numerosas simulaciones con el objeto de obtener los perfiles de temperatura para diferentes configuraciones geométricas y valores del número de Reynolds. Este estudio se centra en la evaluación del transporte de calor en la zona central, que en el modelo se representa por medio de un enfoque continuo y pseudohomogéneo. A partir de un análisis de regresión de los perfiles de temperatura de dicha zona, se obtienen -como parámetros de ajuste- los valores de la conductividad efectiva radial y del coeficiente de transferencia de calor entre zonas. Se presentan y analizan los valores obtenidos de la conductividad efectiva radial y se los compara con valores calculados a partir de correlaciones propuestas por otros autores. Adicionalmente, para los valores obtenidos del coeficiente de transferencia de calor entre las dos zonas se propone una correlación que permite una rápida evaluación de dicho parámetro para su utilización en el MDZ.