MODELACIÓN COMPUTACIONAL DE LA DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS AL INTERIOR DE UN HORNO TÚNEL

Desde el enfoque de la dinámica de fluidos computacional se construye un modelo para la simulación del comportamiento térmico y fluidodinámico de un horno tipo túnel con recirculación forzada de aire.La metodología propuesta consiste en el uso del software Ansys Fluent V18.2 que se basa en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes sobre un modelo CAD 3D de una sección representativa del horno.A partir de modificaciones en las condiciones de borde, ubicación y cantidad de componentes, se analiza la influencia de distintas configuraciones sobre el campo de temperaturas y circulación de aire.Las dimensiones geométricas para el modelo CAD 3D se obtienen a partir de planos de diseño del horno, así como ubicación de componentes tales como quemadores, ventiladores y ductos. Estos fueron seleccionados a partir de catálogos de fabricantes según los requerimientos de potencia y caudal. En este caso, se selecciona un quemador de gas de 163 [kW] y un ventilador de 1100 [m3/h].La simulación se desarrolla en estado estacionario, pues interesa conocer la distribución de temperaturas durante el tratamiento térmico el cual se realiza en condiciones estables de operación. Se incluyen los efectos de la turbulencia por medio del modelo Realizable k-¿, ya que predice de mejor manera flujos en geometrías complejas con recirculación en comparación a otros modelos disponibles. Además, se considera la transferencia de calor hacia el ambiente por conducción por lo que se seleccionan materiales estructurales que normalmente se utilizan en la construcción de este tipo de horno.Se analizan 3 configuraciones incluyendo la configuración original. En el caso de la geometría base, además de la presencia de gradientes térmicos una de las preocupaciones principales es la pérdida de energía debido a un mezclado deficiente a causa de la cercanía entre los quemadores y ductos de extracción de aire; En este caso, si bien gran parte de los gases son recirculados, se obtiene como resultado una diferencia de temperaturas de 19[°C] en y = 1.2 [m] y un gradiente de temperaturas alto en el lado opuesto al quemador para la configuración original. Con respecto a la configuración 2, donde se consideran dos quemadores por sección ubicados en las caras laterales del horno, la distribución de temperaturas cambia en cada sección del horno y se obtiene una diferencia de temperaturas de 60[°C] en y = 1.2 [m]. En el caso de la configuración 3, donde se analiza la influencia sobre los campos de temperatura y velocidades al utilizar un solo quemador lateral por sección en lugar de dos, la diferencia de temperaturas es de 35 [°C].Finalmente, se ha comprobado que la dinámica de fluidos computacional permite caracterizar de manera muy eficiente el comportamiento de sistemas que involucran geometrías complejas.
 From the computational fluid dynamics approach a simulation model has been built. It predicts thermal and fluid dynamic behavior of a tunnel type furnace with forced flue gases recirculation for tempering process of 5 and 5½ inch diameter forged steel balls (127-139.7 [mm]).The proposed methodology consists in the use of Ansys Fluent V18.2 software that is based on the resolution of Navier-Stokes equations over a 3D CAD model of a representative section furnace. Then, by means of changes on boundary conditions, location and number of components, the influence over the temperature fields and gases circulation of different arrangements will be analyzed. The objective is to determine best arrangement of the burners and/or fans to obtain a uniform transverse temperature as the material advances through the transport tray.Geometrical dimensions for the 3D CAD model were obtained from furnace design plans, as well as the location of components such as burners, fans and ducts. These have been selected from manufacturer’s catalogs according to power and flow requirements. In this case, a gas burner of 163 [kW] and a fan of 1100 [m3/h] were selected.A steady state simulation was performed, because of the interest on temperature distribution during the thermal treatment which is assumed to be carried out under stable operating conditions. Turbulence effects has been included using the Realizable model k-¿ as, compared to other available models, it predicts in a best way complex geometries flows that includes recirculation zones. Also, environment heat transfer by conduction is considered, so structural materials that are normally used in the construction of this type of kiln are selected.Three configurations were analyzed including the original configuration. In the case of base geometry, in addition to the presence of thermal gradients one of the biggest concerns is the loss of energy due to proximity between the burners and air extraction ducts; In this case, a temperature difference of 30 [°C] and a high temperature gradient on the opposite side to the burner result. In case of the second configuration, where two burners per section located on the side faces of the furnace are considered, the temperature distribution changes in each section of the furnace and become unequal. In case of third configuration, the influence on the temperature and velocity fields of using a single burner on one of the side faces of the furnace, instead of one, is analyzed. In the latter case, the temperature difference decreases to 35[°C].Finally, it has been proved that the computational fluid dynamics allows characterizing efficiently the behavior of systems that involve complex geometries.