A Dios que me guió por el camino de la investigación, el apoyo y la fortaleza en esos momentos de dificultad y debilidad. Este trabajo evalúa la viabilidad de convertir un horno eléctrico de templado por convección forzada a un horno dual eléctrico y de gas natural.
Introducción
- Justificación
- Hipótesis
- Objetivo general
- Objetivos específicos
- Estructura de este trabajo
Este tipo de conversión para hornos de templado no ha sido estudiado en profundidad en la literatura (Barreira Duarte, 2013). El Capítulo 1 describe el proceso de tratamiento térmico en la industria metalúrgica, mencionando las diversas técnicas para el tratamiento térmico de metales.
Descripción del proyecto
Marco teórico
- Combustión
- Gas natural
- Contaminantes en la combustión de gas natural
- Panorama energético mundial
Cuando las reacciones químicas de la combustión no se completan por completo, se detectan sustancias no quemadas en los productos de la combustión, que son sustancias como hollín (smog), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (THC y VOC) (El-Mahallawy & Habik, 2002). El monóxido de carbono (CO) es altamente tóxico y es el resultado de una combustión incompleta.
Estado del arte
- Hornos industriales basados en la combustión de gas natural
- Hornos industriales eléctricos
- Simulación CFD de sistemas térmicos con combustión
- Llamas turbulentas no premezcladas de coflujo
Estos factores dependen en gran medida del proceso de combustión y de factores como la forma y la temperatura de la llama y las distribuciones del flujo de calor en el horno. Los resultados mostraron que la geometría del deflector ejerció una importante influencia hidrodinámica en la reducción del tiempo de precalentamiento del horno.
Metodología
Evaluación experimental del horno
- Recolección de datos de operación del equipo
- Medición de temperaturas superficiales del horno
- Determinación de pérdidas de calor por paredes
- Balance energético del horno actual
Los puntos y 24 están ubicados longitudinalmente en la cámara de generación de calor y en la cámara de proceso, a 60 centímetros por debajo de la cubierta superior y con una separación entre puntos de 32 cm. Los puntos 6, 7, 8 y 9 se ubicaron en la cubierta superior de la cámara de proceso, con cada punto equidistante del eje central del horno. Los puntos 10, 11, 12 y 13 se colocaron en la parte inferior de la cubierta de la cámara de proceso con las mismas distancias que en la cubierta superior.
La Figura 3-5 muestra la distribución de los puntos de medición de temperatura seleccionados en campo para el exterior del horno #4 (puntos 24 y 19). La Figura 3-7 muestra la distribución de los puntos de medición de temperatura seleccionados en campo, ubicados en el lado exterior superior del horno #6. Los datos de temperatura de la superficie permitieron evaluar la pérdida de calor por convección y radiación desde las paredes del horno hacia las paredes del horno. alrededores.
En este trabajo, los valores de emisividad de las paredes se obtuvieron a partir de datos reportados en la literatura (Cengel & Ghajar, 2015).
Evaluación numérica del horno actual
- Ecuaciones de transporte
- Método de marco de referencia móvil (MRF) para dominio rotacional
- Estimación del coeficiente convectivo hacia la carga
Otro factor que influye en la calidad y confiabilidad de los resultados de la simulación CFD es Y+, definido como una longitud adimensional; que es una distancia perpendicular al punto más cercano a la pared donde se estima la velocidad de fricción (Barrera, Aguirre, Vargas, & Martínez, 2018). Estas simplificaciones se pueden observar en la figura 3-9, que muestra una imagen real del sistema de calefacción y la simplificación de la geometría en CAD. La Figura 3-8 muestra la sección transversal de la geometría donde el dominio simulado en este artículo corresponde a un sistema cerrado sin entrada ni salida.
La Tabla 3-4 presenta los esquemas de discretización utilizados en la simulación con resistencias eléctricas. Están configurados en segundo orden lo que permite una mayor precisión numérica para obtener resultados en la simulación CFD. El método MRF fue utilizado por (Lee et al., 2017) en una investigación numérica en la que se estudió la influencia de la velocidad del ventilador y la inyección de gas en vórtices en un horno utilizado para nitrogasificación, lo que resultó en un aumento en la transferencia de calor por convección. Se obtiene mezclando los gases de combustión a través de la velocidad del ventilador.
Para realizar los cálculos de transferencia de calor desde el horno a la carga, se tomaron varias correlaciones empíricas reportadas en la literatura (Incropera & DeWitt, 2009).
Simulaciones del horno a gas
- Ecuaciones de transporte en combustión a gas
- Malla computacional para el horno a gas
- Balance de masa y energía con combustión a gas natural
La fracción de mezcla se puede considerar como una medida de la fracción de masa elemental procedente de la alimentación de combustible. FLUENT utiliza un enfoque de función de densidad de probabilidad f (PDF) de forma asumida como modelo de terminación cuando se utiliza el modelo de combustión de llama de difusión (Barreira Duarte, 2013). La Figura 3-10 muestra la evolución de la fracción de mezcla en el tiempo T en un punto de la corriente (a la derecha) y la función de densidad de probabilidad f (a la izquierda).
Dadas las predicciones de f y ❑´̅̅̅̅̅2 en cada punto de flujo, se utilizan las ecuaciones de transporte de fracción de mezcla. La forma de la PDF asumida permite utilizarla como función de ponderación para determinar los valores medios de la fracción de masa de las especies. En sistemas no adiabáticos, las fluctuaciones turbulentas deben tenerse en cuenta mediante la función de densidad de probabilidad conjunta p(f, H).
La entalpía de masa (kJ/kg) para cada especie se calcula a partir de la entalpía de formación y el delta de entalpía sensible.
Resultados y discusión
Desempeño energético
- Parámetros operacionales
- Mediciones energéticas y térmicas
- Balance energético
Con estos datos se han realizado cálculos de pérdida de calor por convección y radiación, utilizando como temperatura superficial los valores medios reportados en la tabla 4-1. La Figura 4-2 muestra las imágenes generadas por termografía donde, debido a la configuración de la cámara, se consideraron temperaturas superiores a 165 °C como temperatura exterior máxima. Cualquier punto que refleje un valor similar o mayor en el exterior del horno será considerado crítico dentro del área de seguridad.
Las pérdidas de calor se muestran en la Tabla 4-4, que se calculan utilizando las ecuaciones de la sección 3.1.3. Los planos o superficies del horno que aparecen en la tabla se muestran en la Figura 3-2 a la Figura 3-7. Los resultados del calor total requerido para calentar se muestran en la Tabla 4-5, que se obtuvieron realizando un balance de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado.
La Tabla 4-6 muestra los valores de datos tomados en sitio de la bomba de recirculación eléctrica del horno.
Modelado CFD horno eléctrico
- CAD del horno eléctrico
- Independencia de malla del horno eléctrico
- Validación con el escenario base
- Distribución de temperatura y velocidad en el interior del horno eléctrico en
La Figura 4-5 muestra los resultados de temperatura en una línea horizontal ubicada en el medio del espacio de trabajo del horno. La Figura 4-7 muestra 4 secciones transversales dentro de la cámara de proceso, tomadas a diferentes alturas desde su base. La turbulencia se limita a una sección de la cámara de proceso y queda la cuestión de si en la zona de recirculación la temperatura se vuelve más homogénea a diferentes velocidades de rotación.
Para comprender el efecto de la velocidad angular sobre la uniformidad de la temperatura de la cámara de proceso, se realizaron simulaciones a y 1800 rpm. La Figura 4-13 muestra la distribución de temperatura en una línea horizontal ubicada en el centro de la cámara de proceso. El nivel de temperatura alcanzado dentro de la cámara de trabajo está entre 750 K y 800 K, y en la cámara de calentamiento las temperaturas ascendieron a 880 K.
La Figura 4-17 muestra las líneas de flujo dentro del horno de cesta.
Modelado CFD horno a gas natural
- CAD del horno a gas natural
- Simulación con gas natural
- Eficiencia de la combustión de gas natural
- Emisiones
La decisión de colocar el quemador en la tapa superior de la cámara de calentamiento del horno se debe también a la facilidad de instalación y desmontaje del sistema eléctrico. La función principal de la chimenea es guiar y expulsar los gases resultantes después de que se ha producido la combustión hacia el interior del horno. Esto nos permite conocer el efecto de la posición del quemador sobre el calentamiento del horno.
Cambiar la posición del quemador no genera diferencias de temperatura significativas dentro de la cámara de proceso. Al igual que el cambio de posición anterior, esta nueva ubicación del quemador no genera diferencias significativas de temperatura dentro de la cámara de proceso. Aunque los gases dentro de la cámara de proceso presentan variaciones de hasta 100 K, la temperatura en la canasta no presenta cambios significativos.
La Tabla 4-15 presenta los resultados de la eficiencia de la combustión de gas en un horno sin ventilador.
Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones
Las simulaciones del horno funcionando con gas natural han demostrado que la mejor velocidad para operar el horno es 495 RPM y que la mejor posición del quemador de gas natural es la central, ya que no presenta cambios fuertes en el frente de llama, lo que reduce la homogeneidad está garantizada. de la temperatura en las habitaciones. Se analizaron las emisiones de gases contaminantes procedentes de la combustión de gas natural tanto mediante cálculos estequiométricos como en simulaciones CFD, prediciendo que la combustión en las cámaras es eficiente ya que las emisiones de CO y NO son muy bajas, lo que es positivo para la implementación de la propuesta. . quemador de gas. El calentamiento volumétrico de las piezas mediante gas natural no tiene influencia en las propiedades de los materiales, esto se garantiza luego del proceso de templado, las piezas pasan por procesos como mecanizado, granallado y soldadura.
Con base en la experiencia de la empresa en la realización de este tipo de procesos en hornos que funcionan exclusivamente con gas natural, se concluye que el gas natural es apto para procesos de endurecimiento de metales. Los resultados de esta investigación nos permiten concluir que la conversión de un horno eléctrico a un horno dual eléctrico y de gas natural es viable con un mínimo de cambios en el horno.
Recomendaciones
Trabajo futuro
A simple model and validating experiments for predicting the heat transfer to a load located in an electrically heated furnace. Modeling combustion of gas oil and natural gas in a furnace: Comparison of combustion characteristics. Effect of natural gas components on its flame temperature, equilibrium combustion products and thermodynamic properties.
A decrease in the formation of nitrogen oxides during the combustion of distillate in the hearth of an industrial boiler. ScienceDirect Numerical study of natural gas-hydrogen mixed fuel combustion in a micro gas turbine rich/breathy/lean combustor. Retrofitting strategies to improve energy and environmental performance in industrial furnaces: a case study in the aluminum sector.
Natural Gas Consumption and Economic Growth: The Role of Foreign Direct Investment, Capital Formation and Trade Openness in Malaysia.
