Estudio computacional del comportamiento de un calentador de agua con una resistencia tipo C
Barra lateral del artículo
Contenido principal del artículo
Resumen
El propósito principal de este trabajo es estudiar computacionalmente el comportamiento fluídico y térmico del agua en un calentador de agua con una resistencia tipo C. Para esto, se desarrolló una simulación numérica multífísica basada en la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD), donde se utiliza el Método de Elementos Finitos (FEM) y para la cual se acoplaron el modelo de flujo turbulento k-ε y las ecuaciones de conservación de la energía térmica y la ley de Fourier de la transferencia de calor. Como consecuencia de las simulaciones realizadas, se obtuvieron los perfiles de velocidades y vorticidad del flujo, la caída de presiones en la entrada y la salida del calentador, así como las temperaturas máximas alcanzadas en la salida del calentador para diferentes combinaciones de potencia de calor y caudales. Finalmente, se determinaron cuáles son las combinaciones de potencia y caudal que permiten que un usuario del calentador no sufra lesiones en la piel debido a la temperatura de salida del agua.
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
Los autores conservan los derechos de autor y ceden a la revista el derecho de la primera publicación y pueda editarlo, reproducirlo, distribuirlo, exhibirlo y comunicarlo en el país y en el extranjero mediante medios impresos y electrónicos. Asimismo, asumen el compromiso sobre cualquier litigio o reclamación relacionada con derechos de propiedad intelectual, exonerando de responsabilidad a la Editorial Tecnológica de Costa Rica. Además, se establece que los autores pueden realizar otros acuerdos contractuales independientes y adicionales para la distribución no exclusiva de la versión del artículo publicado en esta revista (p. ej., incluirlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro) siempre que indiquen claramente que el trabajo se publicó por primera vez en esta revista.
Citas
[1] Wattco, “Elementos de Calefacción Industrial,” 2024. [Online]. Available: https://www.wattco.com/es
[2] Aquapower, “Temperature; Technical Drawings - AquaPower AQM 2-1 Operation And Installation,” 2024. [Online]. Available: https://www.manualslib.com/manual/1213569/Aquapower-Aqm-2-1.html
[3] Manuals+, “Manual del usuario del calentador de agua eléctrico Rheem,” 2024. [Online]. Available: https://es.manuals.plus/rheem/rheem-electric-water-heater-manual-pdf
[4] S. F. Ahmed et al., “Recent progress in solar water heaters and solar collectors: A comprehensive review,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 25, 2021, Art. no. 100981. doi: 10.1016/j.tsep.2021.100981.
[5] V. E. Márquez-Baños, J. J. Valencia-López, O. García-Aranda, and C. Heard, “Determinación computacional del coeficiente de transferencia de calor en calentadores eléctricos de flujo continuo, mediante dinámica de fluidos computacional,” Información Tecnológica, vol. 27, no. 5, pp. 151–162, 2016, doi: 10.4067/S0718-07642016000500017.
[6] Z. Paul and P.-M. Masukume, “Efficiency optimization in solar water heaters: A comparative CFD study of design configurations,” Power Engineering and Engineering Thermophysics, vol. 2, no. 4, 2023, doi: 10.56578/peet020405.
[7] A. Parsaei and K. Goudarzi, “Numerical investigation of the performance improvement of instantaneous gas water heater by introducing new geometries for the heat exchanger,” Journal of Building Engineering, vol. 89, 2024, Art. no. 109275, doi: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109275.
[8] COMSOL, Introduction to the CFD Module, COMSOL Inc., 2023. [Online]. Available: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.cfd/IntroductionToCFDModule.pdf
[9] J. Claycomb, Mathematical methods for physics: using maple & matlab, 1st ed. Dulles, VA, USA: Mercury Learning & Information, 2018.
[10] S. P. Suresha, G. J. Reddy, and H. Basha, “Turbulent low-Reynolds-number k–ε model effect on buoyancy-driven free convection flow past a vertical cylinder,” Indian Journal of Physics, vol. 98, no. 2, pp. 659–677, Feb. 2024, doi: 10.1007/s12648-023-02797-7.
[11] D. O. A. Cruz and F. T. Pinho, “Turbulent pipe flow predictions with a low Reynolds number k-ε model for drag reducing fluids,” Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, vol. 114, no. 2–3, pp. 109–148, Sep. 2003, doi: 10.1016/S0377-0257(03)00119-8.
[12] M. T. Schobeiri, Fluid mechanics for engineers: A graduate textbook. Berlin, Germany: Springer, 2010, doi: 10.1007/978-3-642-11594-3.
[13] COMSOL, Heat Transfer Module User’s Guide, COMSOL Inc., 2023. [Online]. Available: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.heat/HeatTransferModuleUsersGuide.pdf
[14] Z. Chai and T. S. Zhao, “Lattice Boltzmann model for the convection-diffusion equation,” Physical Review E, vol. 87, no. 6, Jun. 2013, Art. no. 063309, doi: 10.1103/PhysRevE.87.063309.
[15] COMSOL, Material Library User’s Guide, COMSOL Inc., 2023. [Online]. Available: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.matlib/MaterialLibraryUsersGuide.pdf