Un modelo de elementos finitos basado en ANSYS modernizado para el diseño termoeléctrico de celdas de reducción de aluminio
Resumen
El balance de calor y la magnetohidrodinámica son cruciales para el diseño de las celdas de reducción de aluminio, ya que son los principales determinantes de la ventana operativa. Además, un recubrimiento inadecuado suele generar degradación del desempeño de la celda y fallas prematuras. La primera tarea al diseñar un recubrimiento es determinar la posición del reborde congelado y el calentador de la celda para una variedad de parámetros operativos.
Si bien se han propuesto varios enfoques de modelado diferentes y dominios computacionales para resolver el problema de Stefan, una metodología ampliamente aceptada -propuesta por primera vez por Dupuis [1]-, se basa en el reposicionamiento iterativo del frente del reborde en un modelo de elementos finitos (FE, por sus siglas en inglés) termoeléctrico (TE, por sus siglas en inglés). El algoritmo implica desplazamientos sucesivos de los nodos de solidificación frontales sobre la base del campo de temperatura calculado hasta que toda la interfaz reborde-líquido alcance la temperatura de solidificación del baño. El calentador se ajusta para minimizar la diferencia entre la generación de calor interna de la celda y las pérdidas de calor integradas en función del volumen de control. Originalmente, este enfoque estaba limitado a dos capas de los elementos de primer orden en todo el espesor del reborde con movimiento horizontal y no incluía los líquidos.
En este trabajo se presenta una generalización y las mejoras que se le hicieron a la metodología original, que permiten predecir el perfil del reborde mediante una cantidad arbitraria de elementos de primer o segundo orden a través del espesor del reborde, a la vez que incluye la almohadilla de metal y el baño. El marco de modelado propuesto se ha implementado en ANSYS con el lenguaje de programación llamado Lenguaje Paramétrico de Diseño de ANSYS (APDL, por sus siglas en inglés), que está diseñado para minimizar el costo computacional de mover el reborde. Otro beneficio es que los macros genéricos principales desarrollados también manejan en forma eficiente el desplazamiento del frente del reborde en cualquier orientación. Los elementos de tecnología ANSYS actuales se utilizan de manera que puedan aprovecharse los solucionadores informáticos de alto rendimiento.
En este artículo se ilustra la robustez de esta metodología mejorada al comparar los resultados obtenidos con tecnología de una celda de 300 kA ficticia frente a los calculados con el enfoque estándar.