Análisis térmico y fluidodinámico de un calefactor a gas de tiro balanceado

NÉSTOR J. MARIANI; ROBERTO PEREIRAS; SERGIO D. KEEGAN; GUILLERMO F. BARRETO

Jornada; Segundas Jornadas de Investigación y Transferencia, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata; 2013

El consumo doméstico representa una parte significativa de los requerimientos energéticos de los países (60 a 70%), presentando el rubro calefacción una incidencia de importancia. En particular, en Argentina el sistema de calefacción mayormente utilizado son los calefactores a gas de tiro balanceado. Este dispositivo es elegido por razones de confort y seguridad, ya que no consume aire del ambiente ni descarga los gases de combustión en el mismo. A pesar de su uso extendido, la información disponible en la literatura abierta referida a la evaluación del funcionamiento térmico y fluidodinamico (la circulación de los gases es natural) de estas unidades resulta llamativamente escasa; sólo pueden consignarse una serie de trabajos relativamente recientes del mismo grupo de investigadores. En estos trabajos (e.g.1) se reportan medidas de eficiencia térmica realizadas para una marca de estufa en particular que, dependiendo del sistema de evacuación de los gases empleado, no superan el 60%. Estos valores son especialmente bajos si se lo compara con los correspondientes a otros sistemas de calefacción domésticos que utilizan gas como combustible, como las calderas de agua caliente (rendimientos de hasta 90%). No obstante, y como contrapartida, los costos asociados a la adquisición de estos últimos resultan sensiblemente mayores para calefaccionar una habitación del mismo volumen. Otro aspecto a considerar es que en condiciones de operación a potencia máxima, las temperaturas de salida de los gases de combustión pueden resultar considerablemente elevadas.  De lo expuesto se concluye que el empleo de calefactores de tiro balanceado como los actualmente comercializados presenta un impacto negativo desde dos puntos de vista: el medioambiental (contaminación térmica) y el de la utilización racional de los recursos naturales. En este sentido, resulta de máxima significación el análisis de alternativas que mejoren su eficiencia, en particular, la opción que se pretende es la de emplear un recuperador de calor que permita precalentar el aire por medio de los gases de combustión. Para avanzar en el diseño de recuperador es necesario, en primer término, alcanzar una adecuada caracterización del comportamiento térmico y fluidodinámico de los calefactores actuales, en ese sentido se inserta el alcance de la presente contribución. Habida cuenta del objetivo propuesto, se instaló un dispositivo consistente en un calefactor de tiro balanceado marca Emege modelo Patagonia de 3,5 kW de potencia nominal y los instrumentos de medición y control. Los conductos de entrada de aire y salida de gases se dispusieron en forma horizontal concéntrica (instalación más frecuente). Se planteó medir la distribución de temperaturas sobre la pared frontal de la cámara de combustión, el caudal de gas natural consumido y la presión a la entrada del calefactor, la temperatura y humedad ambiente, la composición y temperatura de los gases de combustión según la norma NAG 315. Los resultados preliminares obtenidos indican que el calefactor opera con un exceso de aire de aproximadamente 30% para potencia máxima, por el contrario, a mínima potencia este exceso supera el 200%. En ambos casos, la combustión puede considerarse perfecta y completa (no hay CO ni hidrocarburos no quemados en los productos). Respecto a las temperaturas de salida, las mismas resultan considerablemente altas (400 y 270ºC a potencia máxima y mínima, respectivamente). Respecto a la medida del campo de temperaturas en la pared frontal de la cámara de combustión se registraron valores entre 310 y 440ºC y entre 190 y 270ºC a potencias, máxima y mínima, respectivamente. La zona ubicada debajo del nivel de la llama (quemador) presenta las menores temperaturas, mientras que, en la región ubicada sobre el nivel de la llama se registran los valores más altos; en esta región se observa que la temperatura se incrementa conforme se asciende con un máximo en una posición intermedia, para luego disminuir hacia extremo superior de la cámara de combustión. Las temperaturas promedio obtenidas a partir de los valores medidos (en 9 posiciones uniformemente distribuidas) en la pared frontal sobre el nivel de la llama son de 370ºC y 230ºC para condiciones de operación máximo y mínimo, respectivamente.  La información obtenida permitirá avanzar en la evaluación de alternativas de recuperación de calor a través de dispositivos de intercambio térmico entre los gases de combustión y el aire de entrada.