Simulaciones de dinámicas de fluidos (CFD) para para optimizar sistemas DAF

19 de mayo de 2023 (Lectura 12 mins)
Jordi Fabregas

1. Introducción: simulaciones de dinámica de fluicos (CFD, o Computational Fluid Dynamics)

Las simulaciones de dinámica de fluidos (CFD) se aplican en sistemas de flujos hidráulicos y procesos de transporte. Son herramientas de desarrollo estándar para construcciones y equipos con componentes fluidos. Hoy en día, las simulaciones CFD son imprescindibles en todo tipo de ingenierías, incluyendo las de tratamientos de aguas.

Dentro del ámbito del tratamiento de aguas, los programas de CFD simulan la realidad fluido-dinámica y el comportamiento de fluidos y fases (agua, aire, sólidos…), que puede ser difíciles de observar directamente en equipos de tratamiento de aguas. Además, permiten predecir los efectos que tendrían lugar si se cambia alguna condición de operación (presiones, caudales, etc.).

Estas simulaciones ofrecen principalmente:

  • Validación de modelos de aproximación mediante medidas.
  • Análisis determinísticos mediante indicadores.
  • Aumento de la eficiencia de los equipos mediante planes de optimización, considerando la viabilidad económica.

A continuación, vamos a ver como en SigmaDAF llevamos a cabo simulaciones CFD para entender el comportamiento extraordinario de un equipo DAF FPHF 750 instalado para un cliente que produce químicos para la preparación de alimentos.

Figura 1. SigmaDAF modelo FPHF 750. Objeto del estudio mediante simulación CFD

El objetivo es entender por qué el flujo del agua en este equipo se comporta de forma extraordinaria y utilizar las concusiones del estudio para la mejora mecánica y operacional del mismo equipo. Esta valiosa información también es utilizada para perfeccionar los próximos diseños y construcciones de este modelo de DAF.

2. Descripción del caso de estudio

El equipo estudiado es un sistema DAF, modelo FPHF 750. Este equipo es prácticamente idéntico a otros equipos instalados previamente, pero sufre problemas de funcionamiento relacionados con la turbulencia que el flujo experimenta en la zona de entrada al equipo. Se entiende por turbulencia la distribución de velocidad no uniforme en la entrada del equipo.

Antes de llevar a cabo las simulaciones de dinámica de fluidos se establecen dos objetivos específicos:

  • Identificar las causas que generan un aumento de la turbulencia en la zona de entrada del efluente en base a dos elementos clave: caudales y configuración de tubería de entrada.
  • Proponer y analizar opciones de diseño que reduzcan esta turbulencia.
Figura 2. Equipo SigmaDAF FPHF 750 instalado y operativo en planta.
Figura 3. Barrido de flóculo y eliminación de Sólidos en Suspensión Totales en la superficie del equipo SigmaDAF FPHF 750.

Las simulaciones CFD comparan los valores de diseño versus los valores específicos de este cliente en lo referente al caudal de entrada y a la configuración de la tubería de alimentación al DAF.

Las simulaciones CFD también aportan una visión clara del funcionamiento del DAF y revelan posibles puntos a optimizar, tanto a nivel mecánico como a nivel de rendimiento. Específicamente, apuntan a un rediseño de partes físicas que permitirían una optimización hidráulica que conllevaría un aumento de la eficiencia de separación de flóculos.

Todos los procesos relevantes son tenidos en cuenta:

  • Caudal de agua.
  • Velocidad del agua.
  • Comportamiento de las microburbujas.
  • Comportamiento de flotación/sedimentación de las partículas y flóculos
  • Influencia de las lamelas.

2.1 Geometría del equipo

Esta es la geometría simplificada del equipo SigmaDAF FPHF 750. Esta geometría es el molde de las simulaciones CFD.

Figura 4. Geometría simplificada del equipo SigmaDAF FPHF 750.

La tubería de entrada instalada por el cliente presenta codos con un ángulo de 60º, diferente de la configuración estándar que recomienda Sigma, a 90º.

Figura 5. Comparación de las tuberías de entrada: diseño estándar SigmaDAF (izquierda) vs diseño del cliente (derecha).

El flujo de entrada al DAF choca con una chapa, momento en que se divide en dos corrientes. A continuación, cada corriente atraviesa una ventana de 380 x 380 mm, que están situadas simétricamente, como se muestra en la Figura 6. Una vez atravesada la ventana, el flujo se encuentra con un deflector que lo orienta en dirección vertical. La turbulencia se produce en la zona superior de descarga.

Figura 6. Ventanas de entrada a la cámara de flotación del DAF.

La configuración simétrica busca que el flujo se divida por igual a través de cada ventana. Sin embargo, puede haber factores que rompan la simetría del flujo y generen una dirección preferencial hacia una de las ventanas, contribuyendo a la turbulencia y al escape de flóculos de lodo hacia la salida del clarificado.

Para confirmar esta hipótesis se realizan simulaciones CFD que analizan como influye la distribución de velocidad que se observa en la zona de la entrada.

2.2.Condiciones de contorno

Se llevan a cabo simulaciones multi-fase con aire y agua en las que las burbujas de aire se modelan como la fase dispersa.

El agua fluye al interior del DAF por una tubería de DN600, procedente del tanque de floculación previo al DAF. El principio de la tubería (codo superior) no está completamente lleno, como se muestra en la siguiente fotografía:

Figura 7. Entrada de la tubería de alimentación al DAF, vista desde la parte superior del tanque de floculación previo al DAF.

La Tabla 1 recoge las condiciones de contorno que se aplican a las simulaciones CFD. En dicha tabla se pueden observar las diferencias entre las condiciones de diseño para las que se construyó el equipo de las condiciones que generalmente aplica el cliente.

Tabla 1. Condiciones de contorno para las simulaciones CFD.

Parámetrounidadesvalores de Diseñovalores del Cliente
Caudal de entradam3/h725400
Caudal recirculadom3/h100100
Total entradam3/h825500
Caudal mínimo de diseñom3/h550550
Caudal de aire consumidoL/min150150
Diámetro de microburbujaµm30 – 5030 – 50

2.3 Definición de las partículas y flóculos

Las partículas pueden considerarse parte de la fase acuosa utilizando un modelo algebraico de deslizamiento. La velocidad relativa de las partículas se basa en datos de literatura y análisis de flóculos reales. Dependiendo de la densidad de las partículas y su acoplamiento a las microburbujas, estas pueden sedimentar, quedarse flotando al mismo nivel o elevarse hacia la superficie.

Se asume, mediante una aproximación, la velocidad relativa de las partículas. Cuando las microburbujas se adhieren a un flóculo de lodo, la densidad del flóculo disminuye por debajo de la densidad del agua y la velocidad ascendente de este aglomerado (lodo – aire) aumenta.

El valor exacto de velocidad ascendente es desconocido y es distinto para cada flóculo. Por este motivo, se establece un rango de velocidades ascendentes, que sean físicamente posibles, en las simulaciones CFD . Estas velocidades relativas se recogen en la Tabla 2.

Tabla 2. Velocidades estimadas de las partículas. Los valores negativos significan que son ascendentes (velocidad de “sedimentación” negativa).

Tipo partícula de Rango de velocidad de sedimentación (mm/seg)*
Elevada(-100) – (-1,0)
Flotando en medio del DAF0,0
Sedimentada0.5 – 2,0
*Valores negativos representan velocidades ascendentes.

3. Resultados de las simulaciones de dinámica de fluidos

3.1 Simulación de las fases agua, aire y partículas en el DAF para los sistemas de Diseño y del Cliente.

El caudal de entrada se desvía dos veces en la tubería de entrada (una vez en cada codo) y posteriormente se desvía de nuevo en la ventana de entrada, antes de introducirse en el DAF. Las velocidades de entrada son mayores a 90 cm/segundo en el sistema diseñado por SigmaDAF, pero se sitúan entre 50 – 60 cm/segundo en el sistema DAF operado por el cliente (Figuras 8 (5.1) y 9 (5.3)).

Figura 8. Líneas de corriente con velocidades.
Figura 9. Gráfico de contorno de velocidades y vectores de velocidad, analizados en un plano horizontal.

Dadas las altas velocidades de entrada y el flujo prácticamente horizontal en el sistema de Diseño, el caudal incide el plato inclinado de la entrada casi horizontalmente y es principalmente desviado hacia arriba a la parte superior del tanque (Figura 10, izquierda).

En el sistema del Cliente, las velocidades son inferiores y por tanto sólo parte del caudal se desvía hacia arriba (Figura 10, derecha). En el sistema del Cliente puede observarse un flujo hacia abajo a través de la apertura de entrada, por tanto, existe un cortocircuito de flujo entre la entrada y la salida de la tubería, que muy posiblemente conlleva un aumento de la cantidad de flóculos en esta zona.

Figura 10. Gráfico de contorno de velocidades y vectores de velocidad, analizado en un plano vertical.

La distribución de aire en el tanque se muestra en la Figura 11 y 12. Las microburbujas tienen apenas un pequeño movimiento inherente debido a su baja velocidad de ascenso y son transportadas principalmente por efecto del flujo. Debido al menor caudal en el sistema del Cliente, las microburbujas se transportan lentamente y tienen un mayor tiempo de residencia y mayor concentración de la que tendrían en el sistema de Diseño.

Figura 11. Gráfico de contorno de la fracción de aire, analizada en un plano vertical.
Figura 12. Gráfico de contorno de la fracción de aire, analizado en planos verticales y un plano horizontal.

La Figura 13 y 14 muestran la energía cinética turbulenta en el tanque. Los valores más elevados se detectan a la salida de la sección de entrada al DAF.

Figura 13. Gráfico de contorno de la energía cinética turbulenta, analizado en planos verticales.
Figura 14. Gráfico de contorno de la energía cinética turbulenta, analizado en planos horizontales.

Debido al caudal de entrada menor, las velocidades y energía cinética turbulenta, las separaciones de las fases son mayores en el sistema del Cliente. En el sistema de Diseño, las partículas ascendentes se transportan a la parte superior y posteriormente parte de ellas hacia el fondo por acción de las lamelas, como se ve en la Figura 15. En el sistema del Cliente, parte de las partículas es transportada directamente hacia el fondo con el flujo, sin pasar a través de las lamelas.

Figura 15. Concentración de partículas ascendentes normalizadas con la concentración de entrada, representado en un plano vertical, para varias velocidades ascendentes.

3.2 Estudio de configuración de las ventanas de entrada

Además de la simulación CFD de la totalidad del DAF incluyendo la tubería de entrada, se efectúan simulaciones extraordinarias focalizadas especialmente en las ventanas de entrada descrita en el punto 2.1. Se toma el sistema del Cliente para estas simulaciones. Los resultados se muestran en la Figura 16 y 17.

El perfil de velocidad generado en las ventanas paralelas provoca caudales diferentes en cada ventana, pero el corte de la chapa entre las ventanas reduce de forma insignificante la diferencia de caudal y velocidades manifestadas en la zona de entrada.

Figura 16. Distribución de velocidades de flujo en la zona de entrada al DAF con la doble ventana existente.
Figura 17. Distribución de velocidades de flujo en la zona de entrada al DAF con un corte íntegro como ventana de acceso.

3.3 Estudio de la orientación del caudal de entrada al DAF

Por último, se simula el caso en el que el agua no entra desde un tanque cayendo por una tubería, sino que entra en el DAF de forma lineal directamente orientado hacia este, como ocurriría en el caso en que se hubiera aplicado un sistema de floculación plug-flow PFL. Se muestra el resultado en la Figura 18.

La forma del perfil de velocidad del flujo a la entrada de los codos desempeña un papel fundamental en el reparto de caudal entre las ventanas. En el caso donde el caudal llega perfectamente desarrollado directamente orientado hacia la entrada del DAF se ve un reparto homogéneo entre ambas ventanas. En cambio, al considerar el caudal de salida procedente de la descarga de un tanque anterior, el flujo que entra en el DAF se encuentra muy deformado, lo que impide un reparto homogéneo entre ambas ventanas.

Figura 18. Distribución de velocidades de flujo en la zona de entrada al DAF con un flujo orientado hacia este.

4. Acciones propuestas para dar solución a las turbulencias

Se enumeran a continuación parejas de hipótesis – acción para los diferentes escenarios estudiados.

A) Debido al caudal menor en el sistema del Cliente se origina un cortocircuito en la distribución del flujo provocando un arrastre de partículas a la parte inferior del DAF en la zona de entrada a éste. Para evitarlo, una opción es el bloqueo de la apertura inferior como se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Sugerencia del cierre del hueco entre las lamelas y la pared de la entrada al DAF.

B) El corte de chapa para unir las ventanas paralelas no contribuiría a la mejora de la distribución del flujo y de las velocidades de entrada, por tanto se descartaría esta acción.

C) Una configuración de la tubería de entrada de forma que esta fuera perfectamente orientada hacia el DAF permitiría la distribución homogénea del flujo, lo que podría disminuir la turbulencia.

Todas estas hipótesis y acciones se tienen en cuenta para futuros proyectos. El objetivo de SigmaDAF es la mejora continua de sus equipos para adaptarlos a cada situación.

5. Referencias y agradecimientos

ANSYS (2021): ANSYS FLUENT Theory Guide; Release 2021 R1.; ANSYS Inc.: Canonsburg, PA, USA.

Versteeg HK, Malalasekera W. (2007): An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Pearson education.

Wilcox, DC (1998): Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, California.

Agradecimientos:

Instituto Tecnológico de Aragón: ITAINNOVA.

Hydrograv GmbH.

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