Cuatro formas de rentabilizar un estudio de simulación por elementos finitos

Ya hemos visto en alguna ocasión diversos campos de aplicación de los estudios por elementos finitos y como pueden ser realmente útiles a la hora de aportar nueva información sobre el comportamiento de un equipo o mecanismo en unas circunstancias determinadas. En esta entrada, por otra parte, nos gustaría centrarnos en cuatro de las múltiples formas que existen de rentabilizar monetariamente dichos estudios, recortando costes a medio/largo plazo mucho mayores que los gastos derivados de realizarlos.

Reducción de ensayos prueba y error.

La forma más típica de rentabilizar un estudio por elementos finitos suele ser la reducción de pruebas experimentales necesarias para lograr un diseño con las especificaciones deseadas. Aunque estas no pueden ser suprimidas en su totalidad en muchas ocasiones, gracias a este tipo de simulaciones, la mayoría de ellas pueden ser omitidas.

Como ejemplo de ello, se puede consultar varios casos en el artículo denominado “Cutting Design Costs: How Industry leaders Benefit from Fast and Reliable CFD”.  

En uno de ellos se explica cómo la compañía británica “Intelligent Fluid Solutions” pudo reducir hasta en dos años (lo que supuso un ahorro de 55000 $)  los tiempos de desarrollo de la botella con calentador “Yoomi” para bebes. Las simulaciones permitieron conocer como el compuesto químico utilizado para intercambiar calor cambiaba de fase y progresaba a través de los canales del calentador. Gracias a estos estudios se consiguió duplicar el rendimiento del diseño inicial construyendo únicamente cuatro prototipos.

Aumento de la eficiencia energética de un equipo existente.

Una segunda estrategia de obtener beneficios mediante simulaciones en general puede ser el perfeccionamiento de un diseño que en la actualidad funciona adecuadamente, pero cuenta con un amplio potencial de mejora en relación a su eficiencia energética.

Para ejemplificar esto, citamos al estudio de Jim Gleason y colaboradores de 2007 denominado “Process Heating Using CFD Analysis to Reduce Energy Consumption”.

En dicho estudio se tiene como objetivo la optimización energética de un secador industrial motivada por el incremento del precio de la electricidad. Para lograrlo, realizan simulaciones CFD para identificar las zonas donde los patrones de flujo son más desiguales. En dichas zonas existen incrementos innecesarios de la velocidad del fluido que se traducen en una mayor generación de pérdida de carga y por ende un mayor consumo energético para mover la misma cantidad de fluido. Al modificar el diseño de estos elementos por otros que conduzcan a patrones de flujos mejores, logran reducir el consumo energético del ventilador de 149 CV a 112 CV, disminuyendo además la potencia requerida del motor (el original precisaba de 200 CV y el nuevo modelo optimizado de 125).

Teniendo en cuenta el precio del kWh y tomando una base de 2000 horas de utilización, estiman un ahorro anual de 3650 $ por cada ventilador optimizado (el ahorro se dispara al contabilizar más de una unidad optimizada en dicho estudio).

Mejora de la eficiencia energética de un recinto.

Bastante relacionada con el punto anterior, otra manera de reducir costes utilizando las simulaciones CFD es la reducción de energía consumida en un recinto mediante estudios de climatización o HVAC. 

En el siguiente artículo del blog de “SimScale” se muestran las posibilidades de estos estudios al conseguir reducir en un 11% los costes de refrigeración de un centro de procesamiento de datos o “datacenter” (que suponen un 50% de los costes eléctricos de este tipo de salas).

Utilizando como parámetros la temperatura del aire suministrado al recinto y el flujo total introducido, se evaluaron 16 combinaciones distintas, con el objetivo de refrigerar una sala con 4 filas de 13 servidores cada una. En una de estas combinaciones simuladas se logra cumplir con los rangos de temperatura específicos de este tipo de salas a la vez que se ahorra el mencionado 11% en costes energéticos.

Reducción del coste de reparación de fallos o mantenimiento.

Cuando un equipo ya operativo presenta fallos o requiere de mantenimiento a menudo, los costes de una empresa pueden dispararse. En casos de que estos equipos sean vitales para el correcto funcionamiento de la industria en cuestión, estos problemas pueden suponer importantes pérdidas de dinero y reputación.

En estos casos las simulaciones pueden aportar información de gran valor, permitiendo conocer de manera detallada el funcionamiento de dicho equipo y dando explicación a la causa de estos fallos. Como ejemplo de esto podemos comentar el caso de la compañía de generación de energía brasileña “Tractebel” recogido en el artículo de Win Slagter ya mencionado en el primer punto de este artículo. 

En dicho caso los operarios se enfrentaban a un problema de erosión en uno de los quemadores de carbón. Para realizar las labores de mantenimiento era necesario apagar completamente el equipo, lo que suponía una pérdida de tiempo enorme ya que se debía identificar la causa de la erosión, con el consiguiente coste de volver a ponerlo en marcha una vez finalizadas las reparaciones. Las simulaciones CFD permitieron a los ingenieros conocer en mayor profundidad la causa de estas erosiones, planificando de manera mucho más eficiente las paradas para realizar los mantenimientos necesarios.

Conclusión.

Invertir en simulaciones CFD o FEA puede resultar algo complejo o tedioso en un primer momento debido al desconocimiento, pero como se ha podido comprobar en este artículo, el ahorro monetario a medio/largo plazo puede lograrse de múltiples maneras, y siempre será mayor que el coste de realizar este tipo de proyectos.