Análisis de configuraciones de carga y descarga en estanques de almacenamiento, evaluando su eficiencia de estratificación

Abstract

Para satisfacer las necesidades de calefacción y agua caliente sanitaria en contextos domiciliarios, surge el uso de energías renovables no convencionales, en donde la energía solar térmica destaca por su factibilidad técnica. Para lograr mitigar las variaciones de este recurso y satisfacer completamente las demandas, se utilizan sistemas de almacenamiento térmico, en donde el uso de agua como fluido de trabajo se muestra como una de las opciones más baratas y seguras; y la estratificación de temperatura en el estanque de almacenamiento ha mostrado ser conveniente en términos de aprovechamiento de la energía y acoplamiento a otros sistemas como bombas de calor. El fenómeno de la estratificación térmica se genera debido a que a diferentes temperaturas, los fluidos varían su densidad, provocando que en un mismo estanque puedan existir distintas masas de fluido a diferentes temperaturas. En un intento por fomentar el fenómeno de la estratificación térmica, se realizan simulaciones computacionales de configuraciones de carga y descarga de dos estanque de almacenamiento, con variaciones el caudal y alturas de entrada de éste en el estanque; y evaluando el impacto de dos geometrías de difusores en el comportamiento térmico. Las simulaciones son realizadas en el software ANSYS Fluent, utilizando un modelo de turbulencia y la aproximación de Bousinessq para emular las fuerzas de empuje. Para comparar cuantitativamente los perfiles de temperatura resultantes de cada configuración, se utiliza la eficiencia de estratificación térmica, basada en la generación de entropía producto de las irreversibilidades internas. Este parámetro resulta independiente de los flujos entrantes y salientes, y de las pérdidas térmicas. Los resultados de las simulaciones son validados experimentalmente en un banco de pruebas, y muestran en primer lugar, para un estanque con una baja relación de aspecto (altura dividido en diámetro), el efecto de los difusores propuestos es bajo en comparación al caso base, con mejoras en en la eficiencia de estratificación de hasta un 2%. En cambio, la altura de entrada se muestra como un factor determinante, en donde una mayor altura lleva a una mejor estratificación, con mejoras de hasta un 15% para un estanque con baja relación de aspecto y hasta un 20% para un estanque con una alta relación de aspecto. Para este segundo estanque, los difusores mostraron un impacto considerable, llegando a mejoras de hasta un 15% para un difusor tipo T que divide el flujo entrante.