Este dispositivo utiliza una tecnología específica para generar los vórtices.
Cómo estudiar la separación entre aire y polvo con CFD
En este ejemplo de FLOEFD vemos un separador ciclónico para el tratamiento del aire. Tenemos una entrada por la que entra el aire con partículas, una primera etapa de separación con su correspondiente salida, una segunda etapa de separación con su correspondiente salida y la salida del aire tratado.
Echemos un vistazo rápido al diseño de estos vortex tubes. Como puedes ver, cada conducto está formado por una espiral que impulsa el aire hacia el exterior. De esta manera, las partículas entran en contacto con las paredes de la hélice y del tubo, reduciendo su velocidad y separándose del flujo principal.
En FLOEFD podemos comprobar la geometría para asegurarnos de que el volumen de la cavidad interna del dispositivo sea el deseado. Puedes ver este volumen de color celeste, que representa la geometría de la cavidad.
Pasamos después al análisis CFD, comprobando algunos ajustes:
- Aplicamos el caudal de aire en la entrada.
- Tenemos tres condiciones distintas de presión en la salida.
Ahora comprobamos el modelo: aplicamos un plano de sección y observamos la malla de cálculo generada automáticamente. FLOEFD utiliza el método de los volúmenes finitos. En la sección se puede apreciar cómo varía la densidad de la malla en las distintas zonas del modelo: es más gruesa cerca de la entrada y más refinada alrededor de los detalles geométricos.
En particular, la malla es muy fina en la zona de salida de los vortex tubes.
Ahora echemos un vistazo a los resultados:
- Vemos el mapa de velocidades y utilizamos la sonda para obtener valores puntuales. Podemos consultar la velocidad en la zona de entrada, en el interior de los vortex tubes y en las zonas de salida.
- Otro resultado muy importante es el mapa de presión, que nos permite estimar rápidamente la pérdida de carga entre la entrada y la salida.
A nivel cualitativo, también podemos introducir en el modelo partículas sin masa que nos permiten visualizar la trayectoria del flujo en las distintas zonas del dispositivo. También podemos animarlas para comprender mejor el comportamiento del flujo.
Podemos modificar la sección en tiempo real y observar la trayectoria de estas partículas sin masa
Para conocer la eficiencia del separador, podemos utilizar los Particle Studies. Esta herramienta permite simular la inyección de partículas con características específicas, como el diámetro (en este caso, 50 micras, 5 micras y 0,5 micras), la masa y la fricción superficial.
Tomemos como ejemplo las partículas de 50 micras: decido cuántas partículas inyectar en el flujo y selecciono el tipo de material particulado que quiero separar. En este caso, simulamos partículas procedentes de virutas de madera contrachapada.
Activamos este estudio y lo ejecutamos. Al finalizar el cálculo, podemos visualizar el movimiento de las partículas, coloreadas según su velocidad local. Se aprecia claramente el movimiento rotacional y el efecto centrífugo de los vortex tubes.
A partir de esta animación, podemos observar cualitativamente cómo funciona la separación. En la primera etapa se captura la mayoría de las partículas, mientras que no se detectan partículas en la salida del separador. Por tanto, la separación es eficaz para partículas de 50 micras.
Veamos ahora el caso de las partículas de 5 micras: también en este caso, la mayoría de las partículas se separa en la primera etapa, pero esta vez hay más partículas en la segunda etapa e incluso algunas llegan a la salida.
Por último, con partículas de 0,5 micras, la situación es claramente diferente. Se puede observar que la separación no es óptima, ya que un gran número de partículas llega a la salida.
Además de estos aspectos cualitativos, es posible obtener indicadores cuantitativos que permiten evaluar la eficacia de la separación. Para consultar estos resultados, utilizamos el Surface Parameter, que indica cuántas partículas de cada tipo han alcanzado las secciones de salida de la primera etapa, de la segunda etapa y del dispositivo.
En nuestro caso, hemos inyectado 1000 partículas de cada tipo para obtener una referencia estadística y calcular fácilmente los porcentajes
- A la salida de la primera etapa, observamos que se recoge el 98,5 % de las partículas de 50 micras, el 93 % de las de 5 micras y solo el 32,4 % de las de 0,5 micras.
- A la salida del separador, llega únicamente el 0,1 % de las partículas de 50 micras, el 1,6 % de las de 5 micras y, en cambio, hasta el 46,2 % de las de 0,5 micras.
Otro resultado interesante es el nivel de erosión provocado por las partículas que impactan contra las superficies de la hélice. Este mapa nos permite identificar las zonas del dispositivo en las que impactan las partículas y en las que, por tanto, podrían producirse problemas de erosión.
En este ejemplo, hemos visto cómo utilizar FLOEFD para estudiar la separación de partículas de polvo en aplicaciones de tratamiento del aire.
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