Numerical analysis of the thermal and fluid dynamic behaviour of the flue gases in a traditional furnace for panela production

Abstract

Introduction−Panela is a product derived from sugar cane that is prepared using a traditional burner designed especially for this purpose. According to studies found in the literature, it was identified that the thermal ef-ficiency of panela burners is 30% on average.Objective−The objective of this investigation is to con-tribute to the search for new alternatives for the im-provement of the low efficiency present on these systems, mainly affecting the flue gases duct.Methodology−The development of this study is as fol-lows: first, a research of the radiation and optical thick-ness effect in a simplified furnace is carried out. After-ward, a series of simulations with modifications in the design of the flue gas duct for a real size furnace are analyzed.Results−The results showed that the radiation effect must be considered and, even though the optical thick-ness is low, it has a relevant impact in the heat transfer process due to the high temperatures in the furnace. A chaotic movement of the gases implied more heat trans-ferred to the heaters and high values of Nusselt with the addition of new elements in the duct were obtained.Conclusions−Arrangement 1, provides the best results with a Nusselt and thermal efficiency increase. No sig-nificant differences between the DOM and the P-1 radia-tion were found.

Introducción−La panela es un producto derivado de la caña de azúcar. En su elaboración se utiliza una hornilla tradicional, diseñada especialmente para este propósito. Según estudios encontrados en la literatura, se ha identi-ficado que la eficiencia térmica de las hornillas paneleras se estima en un 30% promedio.Objetivo−Esta investigación tiene como objetivo contri-buir en la búsqueda de nuevas soluciones para el mejora-miento del nivel de eficiencia, modificando principalmente el ducto de humos.Metodología−El desarrollo de este estudio es el siguien-te: primero, se realiza una investigación del efecto de la radiación y del espesor óptico en un horno simplificado. Posteriormente, se realiza una serie de simulaciones con modificaciones en el diseño del ducto de humos para un horno de tamaño real.Resultados−Los resultados mostraron que se debe con-siderar el efecto de la radiación. Aunque el espesor óptico sea bajo, tiene un impacto relevante en el proceso de trans-ferencia de calor debido a las altas temperaturas en el hor-no. Un movimiento caótico de los gases implicó más calor transferido a las pailas, y se obtuvieron altos valores de Nusselt con la adición de nuevos elementos en el conducto.Conclusiones−El arreglo 1, proporciona los mejores resultados con un aumento de la eficiencia térmica y de Nusselt. No se encontraron diferencias significativas entre los modelos de radiación DOM y P-1.