Análisis térmico de un calentador de agua doméstico del tipo de paso

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1 Análisis térmico de un calentador de agua doméstico del tipo de paso R. López Callejas, M. Vaca Mier, A. Lizardi Ramos, H. Terres Peña, S. J. Morales Gómez, Chávez Sánchez, A. Hernández Castillo, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco Resumen En este trabajo se presenta la simulación numérica del comportamiento termodinámica de un calentador de agua del tipo de paso. La condición de temperatura de operación de 42 C se alcanzó en 30 s, después de éste el calentador trabajó en condición de flujo permanente. Cuando se cierra la válvula del flujo del agua se suspende el suministro de gas y como consecuencia de energía calorífica, entonces la temperatura promedio del agua en el interior del tanque fue de 44 C esto fue después de 90 s. Finalmente después de 270 s la temperatura del agua en el calentador fue de 30 C. Palabras Clave Simulación numérica, calentador de agua de paso, calentamiento de agua. Abstract This paper presents the thermodynamic numerical simulation of the behavior of a step-type water heater. The condition of operating temperature of 42 C was reached in 30 s, after this, the heater worked in permanent flow condition. When the water flow valve closes gas supply is suspended and as a consequence of heat energy, then the average temperature of the water inside the tank reached 44 C, this was after 90 s. Finally after 270 s the temperature of the water in the heater was 30 C. Keywords Numeric simulation, step-type water heater, heating water. I INTRODUCCIÓN El consumo eficiente de la energía juega un papel de gran importancia en la sociedad, la demanda de agua caliente para la satisfacción de necesidades domésticas y el cuidado personal para un hogar en México es de 30 litros por persona aproximadamente a 60 ºC. En el mercado los calentadores de agua se encuentran divididos por categorías, estos son: calentador con depósito, calentador de paso y calentador instantáneo, la diferencia entre éstos últimos es el recipiente de calentamiento. El incremento del costo de la energía y la reducción de tiempo de calentamiento del agua, ha intensificado la búsqueda de un mejor funcionamiento para incrementar la eficiencia del calentamiento de agua. Sin descuidar el ahorro del agua que cada vez es más escasa. La operación de los calentadores de agua domésticos tipo paso que utilizan gas, comienza con la activación de un sensor de flujo, activado por la abertura de un válvula de salida de agua caliente en cualquier parte de la instalación, esto provoca el inicio del proceso de calentamiento de encendido del quemador. El agua se calienta conforme fluye en el interior del contenedor. Estos modelos a gas consumen energía en el intervalo de 8 kw hasta los 32 kw. Las principales ventajas de los calentadores de paso son mantener un flujo constante de agua caliente manteniendo a la vez un bajo consumo de energía. La proporción significativa de este consumo ha contribuido al incremento de la eficiencia energética de éstos, alcanzando valores de entre 80% y 90%. Se han realizados diversos análisis sobre el rendimiento y optimización del diseño de calentadores de agua domésticos, por ejemplo, Tajwar et al., [1], realizaron un análisis para la mejora de eficiencia térmica y combustión de un calentador de agua con tanque, ellos mencionan que las eficiencias nombradas son del orden de 35% y 67.4% respectivamente, su objetivo fue lograr aumentar las eficiencias reteniendo más tiempo los gases de combustión usando distintos deflectores, obteniendo un aumento en la eficiencia térmica y de combustión de 35% a 67.4% y de 68% a 88% respectivamente. Boaitet al., [2], realizaron una comparación de eficiencia en algunos calentadores de agua, obteniendo que los calentadores detipo instantáneos alcanzan eficiencias mayores a los calentadores con tanque de almacenamiento y que el trabajo combinado de un calentador instantáneo y solar, logra una mayor eficiencia. Posteriormente Sedeh y Khodadadi [3], investigaron numérica y experimental un calentador de agua con depósito al cual se le agregó un deflector que modificó el campo de velocidad con la finalidad de reducir el consumo de combustible en un 5%, utilizaron dos deflectores de diferente geometría obteniendo un incremento en la eficiencia de 4.2% y 6.4%, respectivamente. Vieira et al., [4],determinaron el rendimiento de un calentador solar, de una bomba de calor y un calentador eléctrico de agua, utilizando un software de simulación, encontrando un rendimiento mayor de los calentadores eléctricos y solares en comparación con la bomba de calor. Continuo a esto, Bourke et al., [5], realizaron un estudio donde muestran pruebas estándares de laboratorio de Australia, Europa, Japón y Estados Unidos, con las cuales determinaron el consumo de energía en calentadores de agua sin tanque. Realizaron pruebas a cuatro diferentes calentadores, obteniendo que la implementación de las México D.F., 19 al 23 de octubre

2 pruebas estándares no son funcionales en cálculos de costos de consumo de energía en consumidores individuales. Después Atikol y Aldabbagh [6], efectuaron un análisis del rendimiento económico-exergético de un calentador de agua eléctrico con tanque de almacenamiento sometido a dos diferentes descargas de agua, obteniendo para una descarga de 64.2 L y de 21.4 L una eficiencia exergética de 87% y 66% respectivamente. Concluyeron como mejor estrategia: consumir tanta agua caliente como sea posible en una sola descarga. Continuamente Najafian et al., [7], realizaron un estudio con la integración de materiales de cambio de fase para almacenar energía en forma de calor latente, determinando un rango óptimo de la cantidad de material entre 32 y 36 kg, causandoun consumo de 6.1 kj de energía. El objetivo de este trabajo es simular numéricamente el comportamiento termodinámico de un calentador de paso de 10 L., utilizando el método de CFD (computational fluid dynamics). II. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El calentador que se simulará consta de un tanque cilíndrico, el cual contiene al agua a calentar y un tubo concéntrico por el cual pasan los gases de combustión (Figura 1). El diámetro exterior del tanque es de 0.26 m, el diámetro interior es de 0.10 m y una altura de 0.29 m, está construido en lámina de acero al carbón cédula 80. El tubo del agua de alimentación y descarga del tanque son de acero al carbón de m de diámetro nominal cédula 40, están sumergidos una profundidad de 0.15 m desde la superficie superior, es decir llegan hasta la mitad del tanque. La temperatura del agua de alimentación será igual a la del medio ambiente, en este caso de 20 C. Se considera que el calentador elevará su temperatura hasta los 70 C, a un flujo volumétrico de 10 L/min. Realizando un balance de energía para el volumen de control considerando solo el tanque de almacenamiento se tiene. ( ) ( ) (1) El proceso por el cual se desarrolla el calentamiento del agua será de flujo estacionario, que aplicando las consideraciones pertinentes en el balance de energía se obtiene: (2) Para el problema descrito el calor de entrada es el calor generado en la ignición del gas y el calor de salida es el calor que gana el agua. El flujo de calor disponible de la fuente de energía que es la ignición de un gas, (3) El flujo de calor necesario para incrementar la energía de un fluido es, (4) Las ecuaciones que describen la conducta al fluir el agua a través del tanque en el método CFD utilizado son: ( ) [ ( ( ) )] (5) ( ) (6) Y para el proceso de transferencia de calor la ecuación siguiente: ( ) (7) Condiciones de frontera Para el desarrollo de la simulación se consideró los siguientes datos experimentales: temperatura del agua de alimentación 20 C, flujo volumétrico de agua de 10 L/min, temperatura de los gases de combustión a la entrada y salida de 240 C y 120 C, respetivamente. Flujo másico de gases de combustión kg/s. La capacidad térmica específica del gas es de kj/kg K. Figura 1. Tanque de calentador de agua de tipo de paso. III DESARROLLO TEÓRICO IV ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS Al inicio del proceso de calentamiento, se supone que no hay flujo de agua por lo tanto el fluido dentro del calentador permanece a la temperatura del medio ambiente 20 C. Cuando se abre la válvula de la regadera, se inicia la combustión del gas y como consecuencia el calor que se desprende pasa al fluido, de tal manera que a los diez México D.F., 19 al 23 de octubre

3 segundos se tiene que la temperatura en la base del calentador es de 65 C aproximadamente y a la altura de la tubería de descarga es de 32 C, tal y como se muestra en la Figura 2. En la tubería de suministro del fluido se nota como la temperatura afecta el calentamiento del mismo. Hacia arriba de este punto permanece constante con un valor de 20 C. Figura 4. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 30 s. Figura 2. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 10 s. A los 20 s de iniciado el proceso, la temperatura en la base del tanque está a 68 C y va disminuyendo hacia arriba, en la sección de salida tiene un valor de 36 C y en la sección de entrada se aprecia la forma de la pluma del agua fría, Figura 3. Obsérvese que en la parte superior del tanque el fluido aún está a la temperatura del medio ambiente. Cuando se presenta el cierre de la válvula de la regadera, entonces el flujo del agua hacia el interior del tanque es nulo, entonces el calor almacenado en el interior del calentador hace que la temperatura del agua almacenada llegue hasta una cierta temperatura de equilibrio. En la Figura 5, se presenta la distribución de temperatura 10 s después del cierre de la válvula, observe que no existe flujo de agua al interior del tanque, en este momento la temperatura en la tubería de salida es de 57 C. Figura 5. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 40 s. Figura 3. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 20 s. La temperatura de 42 C se alcanza cuando el tiempo es de 30 s. La pluma del agua de entrada es casi igual al tiempo anterior y en la parte superior el fluido no ha aumentado. Después de este tiempo las condiciones de operación permanecen constantes hasta que se cierra la válvula de la regadera. Después de haber transcurrido un tiempo de 90 s, posteriores al cierre de la válvula, la temperatura del agua cae hasta 44 C, siguiente a esto la temperatura del agua sigue disminuyendo hasta llegar a 30 C, después de un tiempo transcurrido de 270 s posteriores al cierre de la válvula. México D.F., 19 al 23 de octubre

4 ARTÍCULO No. MEC-28 Figura 6. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 120 s. Figura 7. Distribución de temperatura en el interior del tanque a un tiempo de 5 min. V CONCLUSIÓN Se ha obtenido la simulación numérica del comportamiento térmico de un calentador de agua de paso el cual permite un flujo de 10 L. La temperatura de operación que es de 42 C se alcanza después de 30 s de iniciado el proceso de calentamiento y después permanece constante. Cuando se cierra la válvula de flujo del agua, se evita el suministro de energía al interior del calentador, por lo cual el calor almacenado se debe distribuir en el fluido atrapado en el mismo, después de 90 s se alcanza la temperatura de 44 C. a partir de este momento el calentador empieza a perder calor hacia el medio ambiente que está a 20 C. Después de 270 s la temperatura del fluido es de 30 C. NOMENCLATURA Capacidad calorífica a presión constante, Capacidad calorífica a volumen constante, Fuerza volumétrica, Aceleración de la gravedad, Entalpía específica, Longitud característica, Conductividad térmica, Tasa de flujo de masa, Presión absoluta, Densidad, Fuente de calor, Tasa de flujo de calor, Tiempo, Temperatura, Velocidad, Viscosidad dinámica, Velocidad, Trabajo, Subíndices Agua Entrada Gas Salida REFERENCIAS [1] S. Tajwar, A.R.Saleemi, N. Ramzan, S. Naveed, Improving thermal and combustión efficiency of gas water heater, Appl. Thermal Engineering, vol. 31, pp , December [2] P. J. Boait, D. Dixon, D. Fan, and a. Stafford, Production efficiency of hot water for domestic use, Energy Build., vol. 54, pp , [3] M. Moeini Sedeh and J. M. Khodadadi, Energy efficiency improvement and fuel savings in water heaters using baffles, Appl. Energy, vol. 102, pp , Feb [4] A. S. Vieira, C. D. Beal, and R. a. Stewart, Residential water heaters in Brisbane, Australia: Thinking beyond technology selection to enhance energy efficiency and level of service, Energy Build., vol. 82, pp , Oct [5] G. Bourke, P. Bansal, and R. Raine, Performance of gas tankless (instantaneous) water heaters under various international standards, Appl. Energy, vol. 131, pp , Oct [6] U. Atikol and L. B. Y. Aldabbagh, The impact of twostage discharging on the exergoeconomic performance of a storage-type domestic water-heater, Energy, vol. 83, pp , Apr [7] A. Najafian, F. Haghighat, and A. Moreau, Integration of PCM in domestic hot water tanks: Optimization for shifting peak demand, Energy Build., May BIOGRAFÍA Dr. Raymundo López Callejas. Universidad Autónoma Termofluidos, Profesor Investigador Titular. Área de trabajo solución de problemas en Termofluidos. Investigador nacional S.N.I. Nivel 1. México D.F., 19 al 23 de octubre

5 Dr. Mabel Vaca Mier. Universidad Autónoma Termofluidos, Profesor Investigador Titular. Área de Trabajo solución de problemas de restauración de suelos y problemas de Termofluidos. Investigador nacional S.N.I. Nivel 2. Dr. Juan Morales Gómez. Doctor por New Mexico State University. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, Área de Termofluidos, Profesor Investigador Titular. Área de trabajo solución de problemas en Termofluidos. M. en C. Arturo Lizardi Ramos. Ingeniero Mecánico ESIME-IPN (1995). Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica SEPI ESIME-IPN (1997). Profesor Investigador de la UAM-A, México. Áreas de interés: Análisis experimental y numérico de problemas en Termofluidos. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, Área de Termofluidos, Profesor Investigador Titular. Se desarrolla en la línea de Energía Solar. Investigador Nacional S.N.I. Nivel 1. M. en C. Sandra Chávez. Universidad Autónoma Termofluidos, Profesor Investigador Asistente. Área de trabajo solución de problemas en Termofluidos. Antonio de Jesús Hernández Castillo. Universidad Autónoma Termofluidos, Ayudante del área de Termofluidos. Ingeniero Mecánico. México D.F., 19 al 23 de octubre

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