Diseño de un intercambiador convectivo gas-aire para equipos de combustión a leña.

Abstract

El uso generalizado de leña como fuente de calor para calefactores y cocinas es una de las principales fuentes de contaminación del aire en entornos urbanos, lo que tiene como perjuicio el deterioro de la salud pública y calidad de vida, provocando afecciones como infecciones de las vías respiratorias, enfermedad pulmonar obstructiva, cáncer de pulmón, accidentes cerebro y cardiovasculares, entre otras. Junto a lo anterior, se agrega el coste a nivel social y público, en donde, según el Quinto Reporte de Medio Ambiente (2019), se destinan alrededor de mil millones de dólares sólo en Chile. El objetivo principal de este trabajo de título es diseñar un intercambiador de calor gas-aire que permita recuperar energía térmica desde los gases de combustión, y así mejorar el rendimiento del dispositivo a biomasa, con el fin de reducir el consumo de leña. También se estudia la viabilidad de desarrollar un diseño de recuperador de calor que sea autónomo respecto a la energía eléctrica, aprovechando tecnologías que permitan generar electricidad en base al calor producido en la combustión de la leña. En primer lugar, se realiza una búsqueda de tecnologías existentes capaces de recuperar calor desde los gases de combustión de dispositivos a biomasa residenciales que utilicen aire como fluido recuperador, y de tecnologías capaces de generar electricidad en base a calor adecuados para estos dispositivos térmicos. Luego, se proponen diseños de recuperadores de calor gas-aire, principalmente de tubos y coraza de un paso (1-1), modelados térmicamente mediante ecuaciones como la ley de la conservación de la energía (1a Ley de la Termodinámica), transferencias de calor, métodos de resolución como 𝜀-NUT, entre otros, los cuales son comparados con el fin de obtener el diseño de una propuesta de recuperador de calor. No se encontraron tecnologías viables capaces de generar electricidad a partir del calor de la combustión, debido a que en el comercio no se encuentran dispositivos diseñados específicamente para estufas y su aplicación actual se limita principalmente al ámbito de la investigación, y las opciones disponibles en el mercado que se podrían adaptar resultan excesivamente costosas para el objetivo del presente trabajo. Se presentaron 8 propuestas de recuperadores de calor. La primera propuesta, un intercambiador a contraflujo, recupera 619,4[W] de calor desde los gases a las condiciones nominales definidas en el informe. Dentro de las propuestas de tubos y coraza, se presentaron con 4, 7, 9, 12 y 14 tubos, los cuales logran recuperar 1156, 1417, 1537, 1669 y 1734[W] de calor respectivamente a las condiciones nominales. Se calcularon las diferencias de presión de los gases para cada propuesta, las cuales están entre 10,1 y 11,5[Pa]. Todas las propuestas de tubos y coraza presentaron buen comportamiento térmico. En base a los resultados obtenido se presenta el diseño de un prototipo en el capítulo 4.

The widespread use of firewood as a heat source for heaters and stoves is one of the main sources of air pollution in urban environments, leading to detrimental effects on public health and quality of life. This results in conditions such as respiratory infections, obstructive pulmonary disease, lung cancer, and cardiovascular accidents, among others. Additionally, there is a social and public cost, with around one billion dollars allocated, according to the Fifth Environmental Report (2019), in Chile alone. The primary objective of this academic projectis to design a gas-air heat exchanger that allows the recovery of thermal energy from combustion gases, thereby improving the performance of biomass devices and reducing firewood consumption. The feasibility of developing a heat recovery design that is autonomous in terms of electrical energy is also studied, leveraging technologies that enable electricity generation based on the heat produced during wood combustion. Firstly, a search for existing technologies capable of recovering heat from combustion gases of residential biomass devices using air as the recovery fluid is conducted. Additionally, technologies capable of generating electricity from heat suitable for these thermal devices are investigated. Subsequently, designs for gas-air heat exchangers, mainly of the shell-and-tube type with a single pass (1-1), are proposed. These designs are thermally modeled using equations such as the law of conservation of energy (First Law of Thermodynamics), heat transfer, and resolution methods like ε-NUT, among others. The designs are compared to obtain a proposal for a heat recovery system. Despite the search, no viable technologies capable of generating electricity from combustion heat were found. This is because devices specifically designed for stoves are not commercially available, and their current application is mainly limited to the research domain. Additionally, the market-available options that could be adapted are excessively costly for the objectives of this work. Eight heat recovery proposals were presented. The first proposal, a counterflow heat exchanger, recovers 619.4 W of heat from gases under defined nominal conditions. Among the shell-and-tube proposals, configurations with 4, 7, 9, 12, and 14 tubes respectively, recover between 1156 and 1734 W of heat under nominal conditions. Pressure differences of the gases were calculated for each proposal, ranging between 9.72 and 11.49 Pa. All shell-and-tube proposals showed good thermal performance. Based on the results obtained, the design of a prototype is presented in Chapter 4.