Simulación de la fluido-dinámica de una turbina de discos paralelos para potencial generación de energía utilizando pulpas de mineral

Abstract

Actualmente se investiga el desempeño de turbinas Tesla en la generación de energía de mineroductos de transporte de sólidos bajo presión, debido a que, además de ser una tecno- logía con huella de carbono nula, al ser el flujo paralelo a la superficie de los discos, estos minimizarían los daños por erosión, reduciendo los costos en mantención de los equipos. Por medio de simulaciones de fluido-dinámica computacional (CFD, por su sigla en inglés) se caracterizaron y compararon dos geometrías (con y sin listones radiales) de rotores de tur- binas Tesla, a través de sus curvas características de potencia, caída de presión y rendimiento v/s caudal, para distintas velocidades de giro. La metodología de trabajo consistió en utilizar una geometría compuesta por dos discos paralelos de 8[pulg] de diámetro, un espaciado de 1[pulg] y un diámetro de salida en uno de los discos de 2[pulg] de diámetro; ambos discos unidos por 4 pasadores. Con esta geometría se realizó una prueba de independencia de malla y se determinó el número de elementos que optimiza el tamaño de malla respecto a la calidad de los resultados. Luego se verificaron los resultados a partir de una geometría base, comparando los resultados de una única simu- lación de esta geometría con un desarrollo teórico modificado para ser adaptado al caso en estudio. Finalmente se simularon 60 casos, correspondientes a las 2 geometrías distintas, con 5 velocidades de giro y 6 caudales, para obtener a partir de ellos las curvas características de ambos rotores. Las simulaciones fueron desarrolladas utilizando mallas hexaédricas de aproximadamente 1.000.000 de elementos, con métricas de calidad de malla conservadoras para evitar tanto problemas de convergencia como posibles errores sistemáticos en los resultados. A partir de las curvas características se obtiene que con la geometría con listones radiales, las potencias son mayores, las caídas de presión son menores, y los rendimientos mayores respecto de los mismos parámetros evaluados en la geometría sin listones. En particular, los rendimientos de la geometría con listones son aproximadamente el doble de los de la geometría sin listones, variando de 20% a un caudal de 60[m3 /h], a 60% a 10[m3 /h]. De acuerdo a esto, las curvas sugieren que, solo teniendo en cuenta el punto de vista fluido-dinámico, la geometría con listones es más eficiente en la generación de energía. Al observar el campo de velocidades en una superficie cercana a los discos, se ve que al pasar entre los ribs y alrededor de los pasadores (zonas en que disminuye el área de paso del fluido) el flujo se acelera, pudiendo provocar un mayor desgaste por abrasión en los discos. Además, al agregar ribs, estos se ven impactados de forma perpendicular por el flujo, lo cual los expone a un mayor riesgo de desgaste por erosión. Finalmente, se encontraron las curvas de operación de las geometrías, las cuales permiten conocer el rendimiento y potencia de trabajo para una determinada combinación de caudal y velocidad de giro.