Estudio Termofluidodinámico Estructural en Calentadores de Agua de Uso Doméstico

Abstract

El presente trabajo describe simulaciones computacionales para caracterizar la mecánica de fluidos, transferencia de calor y mecánica de sólidos en dos equipos, que emplean gases de combustión de hidrocarburos para el calentamiento de agua, de uso doméstico. Uno de ellos es un calefactor de agua mejicano de Recuperación Rápida de 5 litros, de acero, con un intercambiador de calor anular, con aletas rectas en espiral. El otro, es un calentador de agua chileno de 6 litros que tiene un intercambiador de calor con 52 aletas de cobre. Las ecuaciones básicas de termo-fluidos, que incluyen el modelo k-ε de turbulencia, se resuelven empleando el Método de Volúmenes Finitos, mientras que la resistencia de materiales, que incluye los esfuerzos térmicos, se investiga empleando el Método de Elementos Finitos. Las simulaciones 3D se efectúan con el programa comercial ANSYS Fluent y ANSYS Static Structural, respectivamente. Los resultados obtenidos permiten describir en ambos equipos las distribuciones de velocidad y temperatura en los gases de combustión en el intercambiador de calor, junto con las distribuciones de velocidad y temperatura en el agua que circula por las tuberías del intercambiador de calor. Esta información se emplea para analizar el diseño de las aletas de los intercambiadores de calor de ambos equipos. El cálculo de tensiones y deformaciones indica que los factores de seguridad en las zonas críticas son de 4.1 y 1.2, respectivamente.