Modelo de transferencia de calor en regimen transitorio para recuperador de calor instalado en cocinas a leña.

Abstract

El presente proyecto se relaciona con la caracterización de un sistema recuperador de calor tipo termocañón instalado en una cocina a leña, parte de un banco de ensayos disponible en el laboratorio de termofluidos, con el propósito de desarrollar un modelo que permita predecir la evolución temporal de la temperatura del agua al interior del sistema. Se evalúa el uso de un termocañón comercial y de un prototipo de tres pasos por el lado gases, construido en el marco del proyecto FONDEF ID21|10402, con el propósito de comparar el desempeño de ambos equipos en cuanto a su habilidad para transferir el calor de los humos de combustión al agua contenida en el recuperador. Se realiza una búsqueda bibliográfica sobre el uso de recuperadores de calor en artefactos a leña, para orientar y respaldar el trabajo a realizar, incorporando elementos relacionados con modelos de transferencia de calor en régimen transitorio. Por otra parte, se presenta el banco de ensayos y los registros que fueron utilizados para generar el modelo. Luego, se detalla el desarrollo del modelo, las resistencias planteadas para el análisis de la transferencia de calor dentro del sistema y las ecuaciones utilizadas para el cálculo de la temperatura del agua y los gases de combustión de salida del termocañón. Adicionalmente, se muestran los submodelos de lambda, tasa de quemado y porcentaje de CO, que se desarrollan según los comportamientos encontrados en el registro de los ensayos realizados. Se visualizan los resultados obtenidos, incluyendo el error y consideraciones del modelo, donde este difiere de la temperatura real pero no así del comportamiento del aumento de temperatura, tanto para los gases de combustión como para el agua contenida en el recuperador. Para finalizar, se concluye con planteamientos para mejorar el modelo, el cual tiene mucho margen de mejora, con el propósito de guiar trabajos futuros y llegar a resultados satisfactorios.

The present thesis develops a research project related to the characterization of a heat recovery system, specifically a heat exchanger-type device installed in a wood stove as part of the test bench in the thermofluids laboratory. The objective is to create a mathematical model capable of predicting the temperature that the water in the heat exchanger tank would reach at a given time, or the time it would take to reach a certain temperature. The study evaluates the use of both a commercial thermotank device and a prototype device created within the framework of the FONDEF ID21|10402 project, aiming to compare both devices in terms of their ability to transfer heat from combustion gases to the water contained in the heat recovery thermotank. A literature review is conducted to examine the state of the art in heat recovery from wood or biomass appliances to guide and support the work. Subsequently, information is compiled regarding the modeling of heat transfer in transient regimes. The test bench is presented, along with the records used to generate the model and their relevance to the project. The development process of the model is detailed, including the resistances proposed for the analysis of heat transfer within the heat exchanger and the equations used to calculate the temperature of the water and the combustion gases exiting the heat exchanger. Submodels are introduced, developed based on empirical behaviors found in the recorded tests. In conclusion, suggestions are made to improve the heating model, which has significant room for enhancement, with the aim of guiding future work and achieving satisfactory results.