Dr. Sergio Alonso Romero

M.C. José Eduardo Frías Chimal

Ing. Fernando Bravo Bravo (estudiante de maestría PICYT)

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN NUMERICA DE SECADOR POR INFRARROJO PARA EL ACABADO DEL CUERO

San Miguel de Allende Gto.; 29 de Mayo de 2015

• Introducción • Planteamiento del problema • Estado del arte • Objetivo • Simulación numérica • Condiciones de frontera • Geometría y Malla • Modelo matemático estacionario • Modelo matemático transitorio • Modelo de evaporación • Validación de resultados • Conclusiones

Contenido

Introducción

Etapas del acabado del cuero 1. Pintado 2. Secado 3. Planchado 4. Ablandado 5. Clasificación 6. Medición

• El objetivo fundamental del acabado es mejorar las propiedades físicas y estéticas del material curtido.

• Incrementa la protección frente a la humedad y la suciedad.

• También mejora el aspecto del cuero.

• Aumentar las resistencias de solideces en pruebas físicas.

Planteamiento del problema

Secado del acabado del cuero • Convección forzada, tecnología típicamente utilizada en tenerías • Radiación del sol como el secado al aire • Infrarrojo eléctrico o gas

La tecnología infrarroja en el secado muestra ahorros comparado con otras tecnologías como convección (Sánchez, et al., 2006).

• Equipo diseñado a tamaño planta piloto • Escalable • Temperaturas internas desconocidas • Altas temperaturas afectan la calidad

Uso de herramientas numéricas para reproducir el funcionamiento del equipo piloto

• Perfiles de temperatura experimentales: base del desarrollo del modelo numérico • Equipo de secado optimizado • Escala adecuada para la industria

Comparación de secadores

Convección Infrarrojo Longitud 12 m 4 m

Tiempo para secar 4.3 gr/ft2 de agua 33 s 27 s Consumo de gas 8 Kg/h 6 Kg/h

Jons, S.; Alonso, S.; Zitzumbo Guzmán R.; Ornelas Rodríguez F.J. (2006) CIATEC A.C., Omega 201, fraccionamiento industrial Delta, C. P. (37545), León Gto. México. INFRARED DRYING : A LEATHER FINISHING APPLICATION

Jons, S.; Alonso, S.; Zitzumbo Guzmán R.; Ornelas Rodríguez F.J. (2007) CIATEC A.C., Omega 201, fraccionamiento industrial Delta, C. P. (37545), León Gto. México. IMPROVEMENTS FOR INFRARED DRYING : A LEATHER FINISHING APPLICATION

Jesús M. Nieto, Jons A. Sánchez, Manuel R. Carbajal and Hector I. Castañeda (2012). Design of radiation shields for infrared heaters Diseño de escudos de radiación para secadores infrarrojos, 35(3), 279–283.

Aquiles Martínez R, Roger J. Carrillo Castellanos (Comp.) Tomo II (2004)

(S. Pérez, Normand Thérien, R.Dhib y A.D.Broadbent) Modelaje del proceso de secado en continuo de textiles mediante un horno a infrarrojo. Páginas 146-150.

Krishnamurthy, K., Khurana, H. K., Jun, S., Irudayaraj, J., & Demirci, A. (2008). Infrared Heating in Food Processing : An Overview.

Estado del arte

1. Replicar el modelo físico del horno en un modelo de transferencia de calor por el método de volumen finito, con el propósito de obtener un modelo base para el escalamiento a tamaño industrial.

2. Realizar la simulación del porcentaje de sustrato evaporado en el proceso de secado para validarlo con resultados experimentales.

Objetivos

MX272083

1° Etapa: simulación y validación de modelo térmico estacionario

2° Etapa: simulación y validación de modelo térmico transitorio

Simulación numérica

• Modelo de simulación de temperatura en estado estacionario de una hoja metálica.

• Condiciones de frontera del modelo virtual: temperatura en una hoja metálica real bajo el panel de infrarrojo en equilibrio estático.

• Perfiles de temperatura experimentales a emplear para validación de modelo de simulación

3° Etapa: simulación y validación de modelo de evaporación estacionario y transitorio

Simulación numérica

Arreglo experimental para comparar la simulación de evaporación

Corrida A B Evaporación

% Temperatura de salida(°C)

1 -1 -1 104.9 93.6 2 -1 1 59.17 72.8 3 -1 -1 104.9 92.8 4 -1 1 51.95 66.6 5 -1 -1 107.77 91.2 6 -1 -1 104.37 101.6 7 -1 1 42.99 71 8 -1 1 49.65 68.2 9 1 1 41.25 57.4

10 1 1 32.35 53.2 11 1 -1 76.01 86.2 12 1 1 39.07 56.4 13 1 -1 81.11 89.6 14 1 -1 59.02 86.8 15 1 1 31.17 57.8 16 1 -1 74.12 83.4

A = Gramaje de la película (3.99, 6.30 gr) B = Velocidad de transporte (7.68, 15.36 m/min) se utilizaron 3 paneles y la distancia de cada uno hasta las probetas se mantuvo en 20 centímetros.

Temperatura

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Tem

pera

tura

°C

Tiempo (s)

Ubicación de paneles infrarrojos

• Panel infrarrojo entrada: 26,000 BTU • Temperatura superficial en panel de cerámica: 982°C • Emisividad de cerámica: 0.94 • Temperatura del cuero al entrar al túnel: 20°C • Temperatura del aire circundante: 20°C • Humedad relativa aire: 40% • Humedad del cuero antes de sustrato: 14%

• Humedad del cuero seco después del sustrato: 10-12% • Altura del sustrato al panel cerámico: 20 cm • Espesor de la película aproximada: 0.14 mm • Peso de capa del sustrato: 3.14 ± 0.15 g • Medida de la muestra empleada: 304.8 x 304.8 x 2 mm • Numero de paneles encendidos: 3 • Separación entre ellos: 82.5 cm

Datos técnicos

Sustrato

Horno de secado

Generación de malla

Modelo matemático estacionario

Transferencia de calor sin perdida por convección libre temperatura ambiente

Q rad: flujo de calor de la fuente de radiación

Transferencia de calor con perdida por convección libre temperatura ambiente

Temperatura calculada en la superficie de la hoja metálica en estado estacionario

Modelo matemático estacionario

Transferencia de calor con perdida por convección libre temperatura ambiente

Error promedio 2.4%

Cambios de temperatura transitoria

Resultados

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Tem

pera

tura

°C

Tiempo (s)

Transferencia de masa en evaporación

Modelo de evaporación

% de masa evaporada en estado estacionario con temperatura constante

de 55°C

% de masa evaporada en estado estacionario con perfiles de

temperatura transitorio

Moderador

Notas de la presentación

Describir la grafica, comportamiento simulación-experimental-calculo

• Modelo estacionario sin evaporación: validación de resultados experimentales.

• Modelo transitorio sin evaporación: buena correlación entre los perfiles de temperatura obtenidos mediante la simulación y los datos experimentales.

• Modelo estacionario con evaporación: contornos de temperatura calculados.

• Modelo transitorio con evaporación: en curso.

Conclusiones

Contacto

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Omega 201, Col. Industrial Delta

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