Diseo de un tanque de almacenamiento de agua caliente sanitaria,utilizando materiales de bajo costo.Design of a storage tank hot water, using inexpensive materialsJuan Alberto Mantilla1, Mario Alexander Casallas2Facultad Tecnolgica, Universidad Distrital Francisco Jos de CaldasResumenEn este artculo se presenta el proceso de diseo y construccin de un tanque de almacenamiento de aguacaliente sanitaria !C"# para consumo domstico, que se llev a ca$o desde el % de noviem$re del &'()*asta el (' de a$ril del &'(+, !dem-s,sedescri$e el an-lisis matem-tico, la seleccin de materiales tantoparael aislamientocomoparael cuerpodel tanque, lasimulacindel comportamiento*idrost-tico, elprocesodeconstruccincon$aseenlanorma!".Eseccin/000,lasprue$asde1uncionamientoylaevaluacin trmica del mismo, Este tra$a2o *ace parte de un proyecto de investigacin orientado al diseo y construccin decalentadores solaresa partirdematerialesreutili3a$les,reali3adopor el semillerodeinvestigacin "E!,perteneciente al grupo de investigacin en energas alternativas 40E!UD, que inicia desde el ao &'(& *astala actualidad,El colector solar, construido por los estudiantes del semillero "E! y el tanque 1a$ricado por los autores,se encuentran instalados en la terra3a del gimnasio u$icado en la Facultad Tecnolgica de la UniversidadDistrital FranciscoJosDeCaldas, enlaqueel tanque1uemotivodeevaluacinparaevidenciarlae1iciencia en la conservacin de la temperatura y su 1uncionalidad como calentador solar,Palabras clave: !islamiento trmico, 5orma !".E, Trans1erencia de calor, 6ecipiente a presin,bstractKeywords7 1 2amantillal8correo,udistrital,edu,co2 maacasallasr8correo,udistrital,edu,co1!. "#$R%D&''"(#El calentamiento de agua para el consumo domstico, o la produccin de agua caliente sanitaria (ACS) pormedio de la energa solar, es una alternati!a mu" importante para sustituir los calentadores tradicionales (agas, elctricos, etc#) debidoal a$orroenergtico%uesterepresenta, al permitir el reempla&odeloscombustibles 'siles o la electricidad para lograr este propsito# (n calentador solar de ACS, construido con materiales reutili&ables, presenta ciertas !enta)as comparadas conlos calentadores solares de placa plana o de tubos al !aco, como lo es su ba)o costo, pero tambin implicaincon!enientes, como su ba)a e'iciencia por las prdidas de calor %ue se presentan en el tan%ue dealmacenamiento de ACS, principalmente en las $oras nocturnas, entre otros aspectos# *or esta ra&n " porseguridad, sere%uieredelaconstruccindeuntan%ue%uecumplaconnormasinternacionales, comoseregula en ASME +1,Actualmente los tan%ues de almacenamiento empleados en calentadores de uso domstico !aran dependiendosu posicin, como lo sontan%ues cilndricosde tipo !ertical " $ori&ontal, %ue est-n dise.ados principalmentepara la conser!acinde agua caliente producida por el panel solar o colector, este tan%ue de 'orma cilndricaes 'abricado en $ierro, pintado " acabado con pintura epxica# /e esta manera el tan%ue se llena con agua 'rapor la parte in'erior " en la parte superior por di'erencia de densidades se ubica el agua caliente debido a un'enmenodenominadoe'ectotermosi'n# El colector al capturar laradiacindel sol "trans'ormarlaenenerga calrica, pro!oca %ue el agua %ue se encuentra en el colector gane energa " suba $acia el tan%uesolar, con!irtindose en una recirculacin cclica0 siempre " cuando exista una di'erencia de temperatura entrela parte ba)a del tan%ue " el colector solar# +2,Estos tan%uesest-nlibres demantenimiento"noposeenaccesoparareali&ar lacorrectaoperacindelimpie&a, a di'erencia del 'abricado %ue comprende un *and*oleo dispositi!o de inspeccin basados en lanorma ASME +1, %ue permite reali&ar un mantenimiento adecuado al tan%ue de ACS " e!idenciar su interior#2os tan%ues para calentadores solares " calentadores con!encionales (gas, elctricos) %ue se comerciali&anactualmente para uso domstico no cuentan con acceso de mantenimiento " limpie&a es por eso %ue la idea%ue se presenta en este artculo es inno!adora en lo %ue corresponde a 'abricacin de tan%ue dealmacenamiento de ACS#El presentetraba)o $aceparte de unpro"ecto de in!estigacingeneral,%uese $a !enido desarrollandoalinteriordel semillerodein!estigacinenenergasalternati!asdela(ni!ersidad/istrital (SEA), el cualconsiste en el dise.o " construccin de un calentador solar usando material reciclable o de ba)o costo# *araesto se $a traba)ado en dos 'rentes3 uno consiste en dise.ar " construir el colector solar %ue produ&ca ACS amnimo456Cconlaradiacinsolar promediodelaciudadde7ogot-, "el otrodedicadoal dise.o"construccin del tan%ue de almacenamiento#2). *R%'+,% D+ D",+-% . '%#,$R&''"(# En esta seccin se detalla el procedimiento lle!ado a cabo para el dise.o " construccin del tan%ue, adem-sdel an-lisis " seleccin del aislante trmico " la e!aluacin del rendimiento del mismo#).! Determinaci/n de las dimensiones del tanque*ara el desarrollo de este tem de dise.o, se $a tomado como re'erencia las 89eglas para la construccin derecipientes a presin: de la ;orma Asme +1,, de donde se brindan los par-metros necesarios para determinarlas dimensiones del tan%ue, como la longitud, el di-metro, la presin de dise.o, el espesor " tipo de material,entre otros#2as especi'icaciones para este tan%ue son3 Capacidad de almacenamiento3 125 2 (4,215 6C (145 6?)# Aun%ue la temperatura de traba)o mnima es de 45 6C, se adoptaun !alor de temperatura ma"or, contemplando un 'actor de seguridad, %ue en este caso es de 1,@# *resin de operacin3 5,1 Mpa (14,@ psi)# *resin de dise.o3 5,2 Mpa (2A psi)#El material %ue se traba)ar- es Acero1525, este es aceptadopor la norma enmencin, conalgunasmodi'icaciones sugeridas por la misma +1,, cu"as propiedades mec-nicas se citan a continuacin3 9esistencia a la 'luencia S"B 255 Mpa (2A Csi)# Es'uer&o Dltimo a la tensin SutB 414 Mpa (>5 Csi)# Mdulo de elasticidadEB 255 Epa (2A x 15> psi) coe'iciente de conducti!idad trmica FB 41GHmIC*ara el an-lisis de las soladuras, se siguen los lineamientos de la seccin (G, en la %ue la e'iciencia de lasoldadura est- en 'uncin de la inspeccin de la misma (tintas penetrantes o ra"os x) donde el !alor m-ximoes 1# *ara este caso, el !alor de la e'iciencia es 5,< por%ue no se cuenta con inspecciones certi'icadas tanto enlas tapas como en el cuerpo +4,#).) *resi/n de diseoEl !alor %ue se usa en las ecuaciones para el c-lculo de las partes del tan%ue es el siguiente# *ara *o J 155 psi (2,5 del espesordel material# +@, S B !alor del es'uer&o del material (psi) E B e'iciencia de la soldadura (adimensional)# ? B relacin entre el di-metro " longitud del recipiente (adimensional)#( 124)50103psi0,7F=60 psi?B 5,4114A$ora, con el !alor del 'actor?B 5,4114 " el !olumen del recipiente MB4,21 't1 (5,12m1), se busca el di-metrodel tan%ue en a la siguiente 'igura34?igura 1# /eterminacin gra'ica di-metro exterior del tan%ue +2,SegDn la 'igura 1, el di-metro exterior optimo del tan%uees de 1,1 't o 455 mm ", con este !alor, se calcula lalongitud ptima de acuerdo con laecuacin 2#L= 4V D21)23/nde3 2B longitud optima del recipiente (mm o inc$) MB !olumen de traba)o ('t1 o 2) /B di-metro exterior optimo (mm o inc$)#Entonces3 L=4(4,2372ft3)(1,3)22B 1#1 't (A44 mm)(na !e& obtenidos los resultados de di-metro " longitud, se determina, en el Anexo 2 (memorias de c-lculocuerpo del tanque# el espesor de la l-mina del tan%ue de 1HN in, " el tipo de tapas laterales a utili&ar (tapaselpticas) tal como se muestra en el Anexo 1 (planos tanque) las dimensiones 'inales para la construccin delmismo, basados ba)o +>,#).4n5lisis hidrost5tico5El propsito de este an-lisis es saber si el tan%ue dise.ado !a a soportar el peso del agua, adem-s de la presina la %ue !a a estar sometido# =ambin se busca establecer si el material escogido es el apropiado para %ue steno !a"a a su'rir algDn deterioro o no cumpla con los re%uerimientos de dise.o# El an-lisis se reali&a medianteuso del so1t9are Ans"s en el %ue se pretende encontrar los rangos de es'uer&os " de'ormaciones %ue presentael tan%ue, as como determinar si cumple o no con las especi'icaciones de dise.o#En la 'iguras 2 " 1 se aprecian los es'uer&os " de'ormaciones a los cuales est- sometido el tan%ue ba)o lascondiciones de dise.o#?igura 2# Comportamiento del material del tan%ue por es'uer&os?uente3 2os Autores, A;SOSP GorFbenc$ M 14#5 +creado el 2@ de Mar&o de 251@, Con una presin de 15 psi (5,21 M*a) " una temperatura de operacin de >5 6C, la simulacin $ec$a por elso1t9areAns"smuestra%uelade'ormacinm-ximaesdeN,4eP1pulgadas(5,2mm)"%ueeles'uer&om-ximo est- en el orden de 1,> psi (24,N C*a), lo cual garanti&a %ue el recipiente no !a a 'allar por%ue noexcede la presin de dise.o (15 psi)# *or lo tanto, el espesor de la l-mina del tan%ue es apropiado para reali&ar" lle!ar a cabo su 'uncin# En e'ecto, el espesor 1 mm es apropiado para su construccin#?igura 1# Comportamiento del material del tan%ue por de'ormacin#6?uente3 2os Autores, A;SOSP GorFbenc$ M 14#5 +creado el 2@ de Mar&o de 251@, El so1t9are Ans"s muestra, de manera exagerada, dnde es posible %ue 'alle el elemento# (na !e& reali&adasestas simulaciones, se procede a determinar cu-l es el me)or tipo de aislante para el cuerpo del tan%ue, el cualconser!ar- la temperatura mnima del ACS para su consumo#).6 Determinaci/ndel tipo de aislante2osmaterialespreseleccionadosparadeterminarel deme)orcomportamientosonel papel corrugado, elcartn, el poliestireno expandido " la lana de !idrio# 2a seleccin se debe a %ue son de '-cil obtencin, esdecir, se pueden encontrar en sitios $abituales como !i!iendas, empresas, centro de reutili&acin de materialesouni!ersidades, "su!alor dead%uisicines relati!amenteba)oencondicionesiniciales del dise.o# Acontinuacin se muestra proceso seguido para la seleccin del tipo de aislante#).6.! 'ondiciones inicialesAl desarrollo del c-lculo para determinar cu-l de los materiales preseleccionados o'rece las me)orescondicionesdeaislamientotrmico, sesiguenlasrecomendacionesdelingenieroCengel, %uerecomiendae!aluar el radio crticode aislamiento, la ra&n de prdida de calor, el espesor del aislante ", 'inalmente, latrans'erencia de calor con el aislante +, < " N, respecti!amente, muestran la prdidade calor en trminos generales, en el tan%ue sinaislamiento " el c-lculo del espesor, teniendo una prdida de @>@,@ Qsin aislante" 'i)ando como par-metrouna prdida m-xima de 255 Q e%ui!alente al >> T#Q=

sair$s$ais12).6.6 *rocedimiento para determinar la p;rdida de calor con el aislante respectivoA continuacin se describen las ecuacionespara determinar cu-l es la trans'erencia de calor correspondientedel tan%ue al medio, teniendo en cuenta el espesor de cada tipo de material aislante#2os !alores de 9, en la ecuacin >, corresponden a las resistencias trmicas %ue tiene cada material paratrans'erir calor#2os !alores de las resistencias trmicas se calculan de la siguiente manera3$con' ,1= 1h1 A (C/w) 1?2$tu(o= ln(r2r1)2 k1L() C/ *)(10)9$aislamiento= ln(r3r2)2 k2 L (C/w)1!!2$con', 2=1h2A3(6CHQ) 1!)2ais+$con' ,2$total=$con' ,1+$tu(o+$1!023/nde3

!13 emperaturadel ACS (45 6C)

!2=emperaturaambiente (15 6C)h1, h23 Coeficiente decon'eccion del tanque , am( #A1, A3: Area superficiedel tanque , aislante #k1, k23 Coe'# =rans'erencia de calor tan%ue " aislante#2a =abla 2 muestra los resultados obtenidos a partir de la ecuacin 1 $asta la ecuacin 11 ", con estos !alores,se determina el aislante trmico con el cual se !a a recubrir el tan%ue#8$+R"7 rc1cm2Q(Q)SinAisr3(cm)U (Q)aislante*apelcorrugado5,1A@ @>@,@ 11,21 255Cartn 5,1@ @>@,@ A,@,@ de 2Vx 1HNV# El calentador se instala con la instrumentacin necesaria para reali&ar las pruebas de 'uncionamiento31 termmetros de escala (P15 a 115 6C) o (25 a 225 6?), %ue cumplen con la norma de E;P111A5 +N,, ubicadosa la entrada del tan%ue, salida del colector " salida del tan%ue agua caliente0 un manmetro " !-l!ula de ali!iopara garanti&ar la seguridad del dispositi!o al ser operado#?igura 15#Ensamble, tan%ue, captador solar, instrumentos " accesorios para su correcto 'uncionamiento#?uente3 2os Autores +Creado el 1 de Abrilde 251@,#).= *rueba de fugas tanque captador solar(na !e& reali&ado el respecti!o ensamble, se de)a el tan%ue con agua un tiempo de 1 das esto con el 'in de!eri'icar %ue no posea algDn tipo de 'ugas %ue podra repercutir en el buen 'uncionamiento del calentador13solar, adem-sde!eri'icar%ueel captadorsolar esteenbuenestado"estenopresenteningunada.oodeterioroentre sus componentes#).> +nsaAo del rendimiento del tanque en la conservaci/n de la temperatura A continuacin, semencionaelprocedimientopara!eri'icar%utane'icienteeseltan%ue, apartirdelaobtencin de datos " posteriormente su interpretacin#(na !e& reali&ado el ensambla)e del tan%ue con el captador solar "elaborado la !eri'icacin de cero'ugas,se procedi a tomar datos de temperatura " presin durante una semana (contemplada desde el 2@ de mar&odel 251@ al 1 de abril del 251@), teniendo tres $oras establecidas3 en lama.ana a las .! Datos obtenidos2os datos obser!ados son los das en los %ue se reali& el ensa"o %ue comprende el periodo desde 2@ demar&o al 16 de abril del 251@, donde se establece la temperatura ambiente del da " la presin manomtricaregistrada por el instrumentoinstalado#D"$+8*+R$&R*m=B0@a.m.!)B@@ m. 6B0@ p.m.$ain out "n out "n outda 1 11 15 44 41 1> 11 1> 1,Nda 2 2N 2@ 41 45 14 11 14 1,Nda 1 15 2< 44 41 11 15 11,> 1,Nda 4 2A 2> 41 45 1> 11 1< 1,Nda @ 12 2A 41 1N 1N 1@ 1@ 1,Nda > 2N 2@ 42 1A 1@ 12 11,@ 1,Nda < 11 2A 4@ 42 11 15 14 1,Nda N 15 11 41 45 1< 14 1> 1,N=abla 2# /atos obtenidos experimentalmente#0. R+,&7$D%, 14En las gr-'icas 1 " 2, se e!idencia la !ariacin detemperatura durante los das e!aluados, teniendo en cuentala'ran)a$orariaenla%ue'uerontomadoslosdatos(