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

ARTÍCULO No. MEC-28
ARTÍCULO
ACEPTADO POR REFEREO
15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
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
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
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
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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.
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,
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 0.025 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.
̇
̇
̇
(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 0.00202
kg/s. La capacidad térmica específica del gas es de 57 280.34
kJ/kg K.
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
Figura 1. Tanque de calentador de agua de tipo de
paso.
III
DESARROLLO TEÓRICO
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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.
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 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.
Figura 5. Distribución de temperatura en el interior del tanque
a un tiempo de 40 s.
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.
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.
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Figura 6. Distribución de temperatura en el interior del tanque
a un tiempo de 120 s.
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.1305-1312, December 2010.
[2] P. J. Boait, D. Dixon, D. Fan, and a. Stafford, “Production
efficiency of hot water for domestic use,” Energy Build.,
vol. 54, pp. 160–168, 2012.
[3] M. Moeini Sedeh and J. M. Khodadadi, “Energy efficiency
improvement and fuel savings in water heaters using
baffles,” Appl. Energy, vol. 102, pp. 520–533, Feb. 2013.
[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. 222–236, Oct.
2014.
[5] G. Bourke, P. Bansal, and R. Raine, “Performance of gas
tankless (instantaneous) water heaters under various
international standards,” Appl. Energy, vol. 131, pp. 468–
478, Oct. 2014.
[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.
379–386, Apr. 2015.
[7] A. Najafian, F. Haghighat, and A. Moreau, “Integration of
PCM in domestic hot water tanks: Optimization for
shifting peak demand,” Energy Build., May 2015.
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.
BIOGRAFÍA
NOMENCLATURA
Capacidad calorífica a presión constante, ⁄
Capacidad calorífica a volumen constante, ⁄
Fuerza volumétrica, ⁄
Aceleración de la gravedad, ⁄
Entalpía específica, ⁄
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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,
Dr. Raymundo López Callejas. Universidad Autónoma
Metropolitana
Unidad
Azcapotzalco,
Área
de
Termofluidos, Profesor Investigador Titular. Área de
trabajo solución de problemas en Termofluidos.
Investigador nacional S.N.I. Nivel 1.
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Dr. Mabel Vaca Mier. Universidad Autónoma
Metropolitana
Unidad
Azcapotzalco,
Área
de
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
Metropolitana
Unidad
Azcapotzalco,
Área
de
Termofluidos, Profesor Investigador Asistente. Área de
trabajo solución de problemas en Termofluidos.
Antonio de Jesús Hernández Castillo. Universidad
Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, Área de
Termofluidos, Ayudante del área de Termofluidos.
Ingeniero Mecánico.
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