Diseño de un sistema de recuperación térmico para el calentamiento de agua de consumo utilizando tubos de calor en el condensador de un enfriador de agua
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2023
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Resumen
A nivel mundial los sistemas de aire acondicionado y calentamiento de agua representan un costo energético elevado, y lograr hacer ambos procesos más eficientes resultaría en, una economización que permitiría ralentizar el cambio climático sobre el planeta y mejorar el acceso a condiciones de aire y agua caliente adecuadas. Así, en este proyecto se diseña una geometría única de termocambiador de 3000 W basado en tubos de calor, el cual es capaz de extraer calor de rechazo de refrigerante R410A a 51.3 °C, y con este, elevar la temperatura de agua de consumo humano desde 20 °C hasta 27 °C, a una tasa de 6 L por minuto. El dispositivo es sumamente costo-efectivo, y logra un periodo de retorno de inversión de menos de 90 días; en su vida útil esperada (20 años) puede producir ahorros de energía por más de 70 millones de colones. Su diseño se basa en satisfacer la extracción de calor del condensador de una manejadora de agua helada. El cálculo matemático se hace mediante un sistema doble de Zukauskas iterando hasta lograr una eficiencia aproximada del 99 % en los cálculos en agua y refrigerante. El diseño del dispositivo se realiza en un software de dibujo asistido por computadora, donde se contempla evitar pares galvánicos, fugas de refrigerante, espesores de paredes incapaces de tolerar las presiones del sistema y, en general, se considera la ergonomía y la facilidad de ensamble y desensamblaje para facilitar la manutención frecuente del sistema.
Globally, air conditioning and water heating systems represent a high energy cost. By making both processes more efficient, with this economization, it is possible to slow down climate change on the planet and improve access to appropriate air and hot water con- ditions . A unique 3000 W heat exchanger geometry based on heat pipes is designed, capable of extracting waste heat from R410A refrigerant at 51.3 °C and using the extrac- ted heat to raise the temperature of human consumption water from 20 °C to 27 °C at a rate of 6 L per minute. The device is highly cost-effective, achieving a payback period of less than 90 days, and over its expected 20 year lifespan, it can generate energy savings of over 70 million colones. The design is based on meeting the heat extraction require- ments of a chiller’s condenser. Mathematical calculations are performed using a double Zukauskas system, iterating until efficiency approached 99 % on the water and refrigerant calculations. The device is designed using computer-aided design software, considering the avoidance of galvanic pairs, refrigerant leaks, wall thicknesses incapable of withstanding system pressures, and overall ergonomics, ease of assembly, and disassembly to facilitate frequent system maintenance.
Globally, air conditioning and water heating systems represent a high energy cost. By making both processes more efficient, with this economization, it is possible to slow down climate change on the planet and improve access to appropriate air and hot water con- ditions . A unique 3000 W heat exchanger geometry based on heat pipes is designed, capable of extracting waste heat from R410A refrigerant at 51.3 °C and using the extrac- ted heat to raise the temperature of human consumption water from 20 °C to 27 °C at a rate of 6 L per minute. The device is highly cost-effective, achieving a payback period of less than 90 days, and over its expected 20 year lifespan, it can generate energy savings of over 70 million colones. The design is based on meeting the heat extraction require- ments of a chiller’s condenser. Mathematical calculations are performed using a double Zukauskas system, iterating until efficiency approached 99 % on the water and refrigerant calculations. The device is designed using computer-aided design software, considering the avoidance of galvanic pairs, refrigerant leaks, wall thicknesses incapable of withstanding system pressures, and overall ergonomics, ease of assembly, and disassembly to facilitate frequent system maintenance.
Descripción
Proyecto de graduación (licenciatura en ingeniería mecánica)--Universidad de Costa Rica. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica, 2023
Palabras clave
AIRE ACONDICIONADO - EQUIPO Y ACCESORIOS, CALOR - RADIACION Y ABSORCION, DISPOSITIVOS ELECTROMECANICOS - DISEÑO, INTERCAMBIADORES DE CALOR, TRANSMISION DEL CALOR - APARATOS E INSTRUMENTOS