Thesis:

Modelo computacional de transferencia de calor de un lecho empacado radial utilizando elementos discretos

Este trabajo presenta el desarrollo de una plataforma computacional de simulación tridimensional basada en el método de elementos discretos para analizar la transferencia de calor en un lecho empacado de flujo radial. De esta forma, se representa cada partícula contenida en el almacenador con sus respectivas propiedades mecánicas y térmicas, lo que permite el desacoplamiento de las fases sólida y fluida. Esto posibilita obtener información más detallada de los efectos de transferencia de calor con respecto de los modelos térmicos de conductividad efectiva que emplean modelos continuos. El modelo propuesto considera conducción directa e indirecta, y de convección. Se implementa en régimen transitorio bajo las condiciones de operación de una implementación experimental proveniente de la literatura. Se obtienen los perfiles de temperatura y el porcentaje de calor transferido mediante cada mecanismo de transferencia, donde se logró obtener que el principal mecanismo corresponde a la convección, con un 62,7% del calor transferido durante 1 h de carga. Finalmente, se realiza un análisis comparativo entre los resultados numéricos del modelo de elementos discretos, un modelo continuo y datos experimentales reportados en la literatura, obteniéndose un error absoluto promedio de 33 °C respecto de los resultados experimentales. Por último, se evalúa la variación del calor específico de las partículas en el modelo mediante un enfoque estadístico de densidad de probabilidad aplicado a la escoria de cobre.

This work presents the development of a three-dimensional computational simulation platform based on the discrete element method for analyzing heat transfer in a radial flow packed bed. Each particle within the storage system is represented with its respective mechanical and thermal properties, allowing for the decoupling of the solid and fluid phases. This enables the acquisition of more detailed information on heat transfer effects compared to effective conductivity thermal models that employ continuous models. The proposed model considers direct and indirect conduction, as well as convection. It is implemented in transient regimes under the operating conditions of an experimental implementation from the literature. Temperature profiles and the percentage of heat transferred by each transfer mechanism are obtained, revealing that convection is the primary mechanism, accounting for 62.7% of the heat transferred during a 1-hour loading period. Finally, a comparative analysis is performed between the numerical results of the discrete element model, a continuous model, and experimental data reported in the literature, yielding an average absolute error of 33 °C with respect to the experimental results. Lastly, the variation in the specific heat of the particles in the model is evaluated using a statistical probability density approach applied to copper slag.