Modelación de un estanque estratificado de contacto directo mediante el método CFD

Abstract

El sistema solar térmico es una de las alternativas para producir agua caliente sanitaria de una manera eficiente y con bajo impacto sobre el medio ambiente. Estos sistemas captan energía solar a través de colectores, siendo posteriormente almacenada en un acumulador. Aquí ocurre un fenómeno que cumple un rol importante en el rendimiento térmico, denominado estratificación. Este fenómeno se puede aprovechar para maximizar la eficiencia térmica del sistema solar. El objetivo del presente trabajo es principalmente realizar una simulación de un estanque de almacenamiento de agua caliente sanitaria (tipo contacto directo) usando el método CFD para evaluar el efecto de la conducción axial y radial de la pared del estanque sobre la estratificación del agua almacenada en este. Para lograr esto, se simulan cuatro tipos de condiciones de pared: agua sin pared con condición de borde adiabática, agua y pared con condición de borde adiabática, agua, pared y aislante con condición de borde adiabática y agua, pared y aislante con transferencia de calor al ambiente. Para cumplir los objetivos se debe realizar un estudio bibliográfico sobre los sistemas solares, y en particular sobre el estanque de acumulación de agua caliente. Se identifican y describen los modelos de simulación existentes, tanto los semi-empíricos unidimensionales como los modelos basados en el método CFD, para utilizarlos como referenciaen la modelación realizada en este estudio. Posteriormente, se describe el sistema que se utiliza para validar el modelo de simulación. Se realiza el modelo geométrico, el mallado y el modelo físico del problema, destacando los aspectos particulares de la simulación a realizar. Posteriormente se propone una serie de simulaciones para responder a los objetivos planteados y dar a conocer la contribución que se pretende realizar con este trabajo. Con respecto a los resultados, se obtiene que la comparación con los datos experimentales obtenidos del memorista (Saelzer, 2015) cumplen la misma tendencia en la mayor parte de la termocuplas utilizadas en el ensayo para todos los casos de estudio. Las variables que probablemente causan estas discrepancias son las condiciones de entrada y la propiedad del agua que se considera como isótropa. También se realizan una serie de propuestas con el fin de mejorar las condiciones experimentales para obtener resultados más cercanos a la realidad. La diferencia máxima obtenida fue de 2,7 [°C]. En cuanto al análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones, se realiza un análisis del contorno de temperaturas y de velocidades, efectos de conducción, entre otros. Se cumplen los objetivos planteados en este trabajo, demostrándose que, para este caso en particular, las condiciones de pared del estanque no influyen en forma significativa en la estratificación del agua en el estanque.