Simulación numérica de las características de filtración de los filtros de tubería de barco

Resumen: Este estudio explora el impacto de la velocidad de filtración y el rendimiento de partículas en la caída de presión y la eficiencia de filtración del barco Filtros de tubería. El Modelo de Fase Discreta (DPM) en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se utilizó para modelar el proceso de filtración bajo varias condiciones operativas. El campo de presión, el campo de velocidad y la distribución de flujo de partículas dentro del filtro se calcularon y validaron contra datos experimentales. Los hallazgos demuestran una buena correlación entre los resultados de simulación y los datos experimentales. La caída de presión a través del filtro aumenta con el caudal. La velocidad de filtración óptima es de aproximadamente 1,8 m / s. La variación de flujo más significativa ocurre en la pantalla del filtro y en la tubería de salida. Con un rendimiento de partículas de 0,0001 kg / s, la eficiencia de filtración alcanza un pico del 60,22%. La eficiencia de filtración aumenta con tanto el caudal de agua como el de partículas, aunque el efecto sobre la eficiencia es marginal.

Introducción

Los filtros se utilizan ampliamente en aplicaciones como el tratamiento del agua de lastre de buques, el tratamiento de aguas residuales urbanas y los sistemas de energía nuclear. El diseño y la clasificación de los filtros dependen de las condiciones operativas específicas. Los filtros suelen clasificarse en filtros de malla, laminados y centrífugos. El filtro principal utilizado en los sistemas de agua de lastre de buques es el filtro de tubería, un tipo de filtro de malla conocido por su diseño compacto, facilidad de montaje y desmontaje, funcionamiento estable, alta eficiencia y rentabilidad. Los indicadores de rendimiento clave para evaluar el rendimiento del filtro incluyen la eficiencia de filtración y la caída de presión. A medida que el agua fluye por el filtro, se capturan partículas más grandes, mientras que las partículas más pequeñas pasan por la malla. Para mejorar la eficiencia de filtración, se puede reducir el tamaño de los poros del filtro de tubería; sin embargo, esto aumenta la caída de presión. Por el contrario, aumentar el tamaño de los poros para reducir la caída de presión da como resultado una disminución significativa de la eficiencia de filtración. Por lo tanto, el diseño de la estructura del filtro debe equilibrar los requisitos ambientales con la resistencia estructural, enfocándose en optimizar el tamaño de los poros y refinando el diseño estructural. Este equilibrio es crucial para mejorar la eficiencia de filtración y minimizar la caída de presión.

La pantalla del filtro del filtro de malla de tubería está formada por una estructura de placa perforada. Los mecanismos de filtración como la intercepción, la inercia, la difusión, la sedimentación y la dinámica de fluidos contribuyen al rendimiento de la pantalla. La función principal de la pantalla del filtro es capturar partículas, lo que afecta directamente a la eficiencia de la filtración. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se utiliza para crear un modelo tridimensional de la malla del filtro, lo que permite analizar el rendimiento del filtro y la distribución del flujo de partículas ajustando las condiciones del campo de flujo y los parámetros estructurales. En comparación con los métodos experimentales, el CFD ofrece un importante ahorro de costes y tiempo. Además, el CFD se utiliza para evaluar los efectos de factores como la velocidad de flujo y el rendimiento de partículas en la caída de presión y la eficiencia de la filtración. Una comprensión completa de la dinámica de flujo dentro del filtro es esencial para optimizar el rendimiento del filtro.

La pantalla del filtro es el componente más crítico, ya que experimenta la mayor caída de presión y funciona en las condiciones más complejas. El desarrollo del modelo sólido tridimensional considera tanto el campo de flujo general dentro del filtro como la dinámica de flujo a través de la pantalla del filtro. El agua entra en el filtro a través de la entrada y sale por la salida después de pasar por la pantalla del filtro. Las especificaciones estructurales del filtro son las siguientes: los tamaños de entrada y salida son DN100, el diámetro de la pantalla del filtro es de 127 mm, el grosor es de 3 mm y el tamaño de apertura es de 8 mm. El modelo estructural se muestra en la Figura 1, y el modelo de campo de flujo tridimensional del filtro se muestra en la Figura 2. Se utilizó Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para malla el modelo de campo de flujo del filtro, como se muestra en la Figura 3. El modelo está compuesto por 3.074.414 puntos de cuadrícula, con un factor de calidad de cuadrícula de 0,7.

Figura 1: Estructura del filtro

Figura 2: Modelo de campo de flujo de filtro

Figura 3: Malla de filtro

El modelo de cálculo utiliza un modelo de flujo medio continuo combinado con el Modelo de Fase Discreta (DPM), con ecuaciones clave que gobiernan que incluyen impulso, energía, masa y movimiento de partículas. Se aplica el algoritmo SIMPLE, que acopla presión y velocidad, para la solución iterativa. El esquema de ceñida de segundo orden se utiliza para la discretización, y el modelo de turbulencia k-ε Realizable se aplica para simular el campo de flujo en estado estacionario. El esquema de ceñida de segundo orden, que proporciona mayor precisión, se utiliza para discretizar impulso, presión, energía cinética turbulenta y tasa de disipación turbulenta. Se elige un tamaño de paso de iteración apropiado. Se supone que el flujo de agua es incompresible y se descuida la deformación del filtro, con se supone que la estructura es rígida. Las partículas de fase discreta se modelan como partículas esféricas inertes en estado estacionario, con se considera el acoplamiento de fase. La solución acoplada se calcula simultáneamente con la fase continua.

La entrada del filtro se modela como una entrada de velocidad, y la salida se modela como una salida de presión con una presión de salida de 200 kPa. El medio filtrante es agua limpia, con una densidad de 1000 kg / m ³ y una viscosidad cinemática de 1,3 × 10 ￫? m² / s. La distribución del tamaño de partícula en el modelo DPM sigue la distribución de Rosin-Rammler. La entrada, salida, pantalla del filtro y carcasa del filtro se definen como paredes antideslizantes. Las condiciones límite para la carcasa, entrada y salida se configuran para 'reflejar', mientras que la condición límite para la pantalla del filtro se establece para 'atrapar' para asegurar la captura de partículas. La configuración experimental utiliza agua limpia como medio de flujo, con una válvula utilizada para controlar el caudal de entrada de agua y se registra la diferencia de presión de entrada y salida.

El DPM se utiliza tanto para el cálculo como para el posprocesamiento de las presiones de entrada y salida. La fórmula para la diferencia de presión de entrada y salida es la siguiente:

¿Dónde P?_En Es la presión de entrada, P_Fuera Es la presión de salida, y se supone que la presión está distribuida de manera uniforme tanto en la entrada como en la salida. El flujo de partículas se calcula utilizando la función Pista de partículas, que determina el número total de partículas, así como el número de partículas capturadas y escapadas. La eficiencia de filtración se calcula utilizando la siguiente fórmula:

Donde S _ interception es el número de partículas interceptadas por el filtro, S _ inlet es el número total de partículas en la entrada y S _ outlet es el número de partículas en la salida.

La figura 4 presenta las diferencias de presión de entrada y salida simuladas a varios caudales de entrada, comparados con con datos experimentales obtenidos de la plataforma de prueba de agua de lastre. Los resultados de la simulación coinciden estrechamente con los datos experimentales, con una desviación máxima del 12%, lo que demuestra la confiabilidad de la simulación. La pérdida de presión del filtro aumenta a medida que aumenta la velocidad de entrada. A medida que aumenta el caudal de agua de 0,5 m / s a 2,5 m / s, la diferencia de presión de entrada y salida aumenta de 266,1 Pa a 5322,74 Pa. El gradiente de pérdida de presión aumenta la velocidad con , alineando con el comportamiento real del filtro. En el diseño del filtro, normalmente se requiere que el coeficiente de resistencia permanezca por debajo de 2,5, lo que implica que la diferencia de presión no debe superar los 1900 Pa. En base a esto, se puede concluir que la velocidad máxima permitida de entrada para aplicaciones prácticas del filtro es de 1,8 m / s.

Figura 4 Diferencia de presión de entrada y salida del filtro vs. velocidad del flujo de agua

Las figuras 5 y 6 ilustran las distribuciones de presión y velocidad dentro del filtro a una velocidad de entrada de 1,0 m / s. Estas figuras demuestran que la distribución de presión del filtro es relativamente uniforme en toda la estructura, con mayor presión en la entrada y menor presión en la salida. La pantalla del filtro exhibe un bloqueo significativo, lo que resulta en una clara caída de presión, que alinea con las condiciones reales de funcionamiento. A medida que el agua fluye a través de la pantalla del filtro, se genera turbulencia debido a la malla de la pantalla, creando un patrón de recirculación notable río abajo. Además, se observan velocidades de flujo inverso en los extremos superior e inferior del filtro, lo que confirma aún más el efecto de filtrado de la pantalla. Debido a que la tubería de salida es perpendicular al cilindro del filtro, las condiciones de contorno en la salida hacen que el componente de velocidad a lo largo de la pared de la tubería disminuya gradualmente, mientras que el componente de velocidad a lo largo del eje de la tubería aumenta. Esto conduce a la formación de una región turbulenta en forma de "Y" en el campo de flujo de la tubería de salida.

Figura 5 Distribución de la presión del filtro

Figura 6 Distribución de la Velocidad del Filtro

La figura 7 muestra la distribución de partículas dentro del filtro a una velocidad de entrada de 1,0 m / s. Las partículas se distribuyen uniformemente en el área de entrada, con una reducción notable en la concentración de partículas después de pasar por el filtro. El filtro demuestra una alta eficiencia de intercepción y las partículas no están significativamente influenciadas por la gravedad durante la filtración. La figura 8 presenta la curva de eficiencia de filtración para el filtro a diferentes velocidades de entrada. La eficiencia de filtración aumenta a medida que aumenta la velocidad del flujo de agua. Esto se debe a que la mayor velocidad de flujo aumenta la distancia sobre la cual el agua interactúa con partículas, lo que lleva a más colisiones con la superficie del filtro antes de que las partículas sean transportadas con el flujo de agua y capturadas. Sin embargo, el aumento de la eficiencia de filtración es mínimo. Para estos cálculos, solo se considera el rendimiento del filtro en su estado inicial, excluyendo los efectos de la obstrucción del filtro. A un caudal dado, la eficiencia de filtración puede estimarse ajustando la velocidad de entrada. La figura 9 muestra la eficiencia del filtro a diferentes caudales de partículas, con una velocidad de flujo de 1,0 m / s. La eficiencia de filtración aumenta con el caudal de partículas. A medida que aumenta el caudal, aumenta el número de partículas, lo que lleva a que el filtro capte más partículas. Cuando el caudal de partículas aumenta de 0,0001 kg / s a 0,0006 kg / s (un aumento de seis veces), la eficiencia de filtración aumenta de 59,84% a 60,22%, un aumento del 0,63%. Esto sugiere que el caudal de partículas tiene un impacto mínimo en la eficiencia de filtración y puede considerarse insignificante. Incluso con un aumento de seis veces en el caudal de partículas, la fracción de masa en el agua sigue siendo solo del 0,008%, una proporción muy pequeña, lo que indica que la fase de partículas tiene un efecto mínimo en la fase de agua.

Figura 7 Distribución de partículas dentro del filtro

Figura 8 Eficiencia de filtración vs Velocidad del flujo de agua

Figura 9 Eficiencia de filtración vs Velocidad de flujo de partículas

Las características de filtración del filtro de tubería se analizaron mediante dinámica de fluidos computacional (CFD), con un enfoque en el impacto del caudal de agua en el diferencial de presión y los efectos del caudal, caudal de partículas y otros factores en la eficiencia de filtración. Se pueden sacar las siguientes conclusiones:
(1) Los resultados de la simulación alinean estrechamente con los datos experimentales, con una desviación máxima del 12%. El diferencial de presión entre la entrada y la salida del filtro aumenta a medida que aumenta la velocidad de entrada y la tasa de aumento se vuelve más pronunciada a velocidades más altas. De acuerdo con las especificaciones de diseño, la velocidad máxima permitida de entrada debe ser de aproximadamente 1,8 m / s.
(2) La eficiencia de filtración aumenta con tanto la velocidad del flujo de agua como la tasa de flujo de partículas. El filtro exhibe una alta eficiencia de intercepción, pero la mejora en la eficiencia de filtración es marginal, lo que indica que el impacto de la velocidad del flujo y la tasa de flujo de partículas en la eficiencia de filtración es insignificante y puede ignorarse.
(3) En base a estos hallazgos, es evidente que la simulación representa solo el efecto de filtración inicial. Se requiere más investigación para evaluar el rendimiento del filtro bajo bloqueo. El filtro tiene algunas limitaciones, como caída de presión excesiva a velocidades de flujo más altas y rendimiento de filtración subóptimo. Es necesaria una optimización continua del diseño y la estructura del filtro.