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Title: Simulación CFD del comportamiento y dinámico de una partícula de Biomasa Lignocelulosica durante el proceso de secado
Authors: León Moreira, Doménica Viviana
Delgado Plaza, Emérita Alexandra, Director
Keywords: Biomasa lignocelulósica
Simulación CFD
Cinética de secado
Transferencia de calor y masa
Issue Date: 2025
Publisher: ESPOL.FIMCP
Citation: León Moreira D.V. (2025) Simulación CFD del comportamiento y dinámico de una partícula de Biomasa Lignocelulosica durante el proceso de secado [Tesis Maestría] Escuela Superior Politécnica del Litoral. Guayaquil, 47 páginas
Abstract: CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. This research project develops and validates a computational fluid dynamics (CFD) simulation model to characterize the thermal and dynamic behavior of the lignocellulosic biomass (yellow guayacan) drying process. The study addresses the need to technologically optimize drying processes in the CDTS laboratory, using a numerical approach to understand the transport phenomena that occur at the individual particle level. The methodology was based on the use of Ansys Fluent software under a multiphase Eulerian-Eulerian model. A prismatic geometry (100𝑥10𝑥5 𝑚𝑚) was designed that allowed for structured orthogonal discretisation, ensuring the stability of the solution in the face of common irregularities in spherical models. Transient simulations were performed under boundary conditions of 60°𝐶 and 0.5 𝑚𝑠⁄, evaluating the evolution of the velocity, temperature and moisture fraction fields. The results demonstrate that drying kinetics are governed by internal diffusion, where the low thermal conductivity of the material (0.15 𝑊𝑚·𝐾⁄) acts as the main limiting factor for the evaporation of bound water. Spatial analysis identified that the formation of the boundary layer and the wake zone induce asymmetric heat transfer on the surface of the chip. The model was validated by comparing it with experimental data from a massive load (León-Chamba, 2024), obtaining a coefficient of determination 𝑅2= 0.6295. Despite the inherent bias in scaling, the simulation accurately replicated the mass loss slope during the decreasing velocity period. In conclusion, the developed model constitutes a robust digital tool for predicting the thermodynamic behavior of biomass. The findings enable parametric studies to be carried out that reduce the need for costly experimental testing, facilitating the design of more efficient drying strategies based on precise control of temperature and air flow velocity. Keywords: Lignocellulosic biomass, CFD simulation, drying kinetics, heat and mass transfer
Description: CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. Este proyecto de investigación desarrolla y valida un modelo de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) para caracterizar el comportamiento térmico y dinámico del proceso de secado de biomasa lignocelulósica (Guayacán amarillo). El estudio aborda la necesidad de optimizar tecnológicamente los procesos de secado en el laboratorio del CDTS, utilizando un enfoque numérico para comprender los fenómenos de transporte que ocurren a nivel de partícula individual. La metodología se fundamentó en el uso del software Ansys Fluent bajo un modelo multifásico Euleriano-Euleriano. Se diseñó una geometría prismática (100𝑥10𝑥5 𝑚𝑚) que permitió una discretización estructurada ortogonal, garantizando la estabilidad de la solución frente a las irregularidades comunes en modelos esféricos. Las simulaciones transitorias se ejecutaron bajo condiciones de contorno de 60°𝐶 y 0.5 𝑚𝑠⁄, evaluando la evolución de los campos de velocidad, temperatura y fracción de humedad. Los resultados demuestran que la cinética de secado está gobernada por la difusión interna, donde la baja conductividad térmica del material 0.15 𝑊𝑚·𝐾⁄ actúa como el principal limitante para la evaporación del agua ligada. El análisis espacial identificó que la formación de la capa límite y la zona de estela inducen una transferencia de calor asimétrica en la superficie de la astilla. El modelo fue validado mediante una comparación con datos experimentales de una carga masiva (León-Chamba, 2024), obteniendo un coeficiente de determinación 𝑅2= 0.6295. A pesar del sesgo inherente al escalamiento, la simulación replicó con precisión la pendiente de pérdida de masa en el periodo de velocidad decreciente. En conclusión, el modelo desarrollado constituye una herramienta digital robusta para la predicción del comportamiento termodinámico de la biomasa. Los hallazgos permiten realizar estudios paramétricos que reducen la necesidad de pruebas experimentales costosas, facilitando el diseño de estrategias de secado más eficientes basadas en el control preciso de la temperatura y la velocidad del flujo de aire
URI: http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/69086
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