Mejora en la eficiencia térmica de una estufa de tiro balanceado a través del aprovechamiento del calor residual de los gases de combustión

NÉSTOR JAVIER MARIANI; ROBERTO FEDERICO PEREIRAS; SERGIO DARÍO KEEGAN; LUIS EDUARDO JUANICÓ; GUILLERMO FERNANDO BARRETO

La Plata

Congreso; XI Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica; 2013

Facultad de Ingeniería, UNLP - Federación Iberomericana de Ingenería Mecánica

El consumo residencial representa una parte significativa de los requerimientos energéticos de los países, siendo el rubro calefacción uno de los más importantes. En particular, en Argentina el sistema de calefacción mayormente utilizado son las estufas, también conocidas como 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 argentinos [e.g., 1]. En estos trabajos se reportan medidas de eficiencia térmica, realizadas para una marca de estufa en particular, que para el sistema de evacuación de gases más frecuentemente empleado se encuentra alrededor del 60%. Estos valores son especialmente bajos si se los compara con los de otros sistemas de calefacción residenciales que utilizan gas como combustible, como las calderas de agua caliente (rendimientos de hasta 90%). No obstante, y como contrapartida, los costos de adquisición de estos últimos resultan sensiblemente mayores para calefaccionar una habitación del mismo volumen. Otro aspecto a considerar es que operando a potencia máxima, las temperaturas de salida de los gases de combustión resultan considerablemente elevadas. Se concluye que el empleo de las estufas de tiro balanceado actualmente comercializadas 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. La opción planteada en este trabajo para hacerlo es la de emplear un recuperador de calor para precalentar el aire por medio de los gases de combustión. Habida cuenta del objetivo propuesto, se instaló un banco para ensayar este tipo de estufas adecuadamente instrumentado. Para el desarrollo del trabajo se empleó una estufa de tiro balanceado disponible en el mercado, marca Emegé modelo Patagonia de 3,5 kW de potencia nominal. Los conductos de entrada de aire y salida de gases se dispusieron en forma horizontal concéntrica (instalación más frecuente). Se planteó medir el caudal de gas natural consumido y la presión a la entrada de la estufa, la temperatura y humedad ambiente, la composición y temperatura de los gases de combustión según la norma Argentina NAG 315. Los resultados preliminares obtenidos indican que la estufa opera con un exceso de aire de aproximadamente 25% para potencia máxima, por el contrario, a mínima potencia este exceso supera largamente 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 de los gases de combustión, las mismas resultan significativamente altas (405 y 295ºC a potencia máxima y mínima, respectivamente). Paralelamente, se diseño y fabricó un recuperador de calor del tipo de tubos concéntricos aletados (16 aletas longitudinales de hierro galvanizado-interiores y exteriores- de 3,5 cm de altura y 22 cm de largo). Como primera alternativa se instaló el recuperador en posición horizontal en reemplazo de los conductos entrada y salida estándard. Se realizaron una serie de experiencias a potencia máxima en las que se detectaron cantidades significativas de CO (y prácticamente nula cantidad de O2) a la salida como consecuencia de un insuficiente ingreso de aire, debido, en principio, a que el tiro estándar de la estufa no permite vencer la perdida de presión introducida por la presencia del recuperador. Resulta claro que no puede admitirse un funcionamiento en estas condiciones. Cabe aclarar que a potencia mínima el sistema estufa-recuperador funcionó adecuadamente permitiendo disminuir en forma significativa la temperatura de salida de los gases de combustión. Adicionalmente, debe señalarse que la alternativa de instalar el recuperador en posición horizontal tiene la desventaja de acentuar la asimetría en la distribución de los flujos, de gas caliente y aire frío, en la sección transversal, no aprovechándose integralmente ni el área de transferencia ni las secciones transversales para la circulación. El hecho de que la estufa original no provea un tiraje apropiado sumado a la distribución asimétrica del flujo, motivaron la implementación de una alternativa distinta consistente en ubicar el recuperador en posición vertical y elevar el tiraje del sistema en 45 cm. De este modo pudo alcanzarse una combustión completa y perfecta, no detectándose CO ni de hidrocarburos no quemados en los gases de combustión. Simultáneamente, para la condición de potencia máxima se observó una disminución de la temperatura de salida de los gases de combustión de aproximadamente 200ºC respecto al calefactor funcionando sin el recuperador, lo cual implica un nivel de recuperación entálpica elevado (50%), aún considerando que el exceso de aire es mayor para la alternativa calefactor-recuperador vertical que para el calefactor funcionando sólo dado que se ha incrementado el tiraje. [1] L. Juanicó, ?Eficiencia de calefactores a gas de tiro balanceado medición e impacto en usuarios residenciales?, Interciencia 32-12 (2007), 854-856