Análisis dinámico de fluidos computacional de

Chorro de agua con circulador avanzado

Informe de análisis térmico de ingeniería para:

Sistemas Avanzados de la Era Espacial y Tecnologías de Ingeniería ACTIVO

Análisis dinámico de fluidos computacional de chorro de agua circulador avanzado

Introducción

Este informe documenta el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) realizado en un chorro de agua Circulator avanzado a temperatura y presión estándar de EE. UU. (STP).

Objetivo

Este informe determinará la diferencia en términos de eficiencia de energía térmica, entre un retorno de agua de piscina estándar y el chorro de agua Circulator avanzado inventado por Advanced Space-age Systems & Engineering Technologies - ASSET. Este informe documentará los ahorros de costos al usar el chorro de agua Circulator avanzado sobre un retorno de piscina fijo cuando se usa con o sin calentadores de piscina.

Formato de informe

Este informe presentará gráficos de análisis en profundidad y detalles como se describe en el objetivo. Supuestos de análisis

Esta sección enumera los supuestos de análisis utilizados. En general el modelo se resolverá utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD) para fluidos incompresibles, que no depende del tiempo pero sí de efectos gravitatorios incluidos.

Se utiliza una bomba de piscina de 1 hp para generar un caudal típico de 50 gpm.

Se considera un pool típico con dos retornos.

El flujo de agua se distribuye uniformemente entre las boquillas de retorno de la piscina

El retorno de la piscina estándar y el chorro de agua Circulator avanzado tienen las mismas dimensiones de boquilla.

El retorno de la piscina estándar se fija en su lugar

El chorro de agua circulador avanzado gira 360 grados a una velocidad angular constante de 0,5 rad/seg.

La temperatura del aire ambiente es de 70 F.

La temperatura del agua calentada que ingresa a la piscina es de 90 F.

La temperatura inicial del agua es de 60 F.

Espesor de pared de hormigón típico de 4" utilizado en el modelo.

Enfoque de análisis

En esta sección se enumera el enfoque de análisis adoptado. Se modeló una simulación matemática de una piscina llena de agua con dos retornos. El enfoque de análisis consiste en calcular primero la efectividad de un retorno de piscina estándar mediante la predicción de la temperatura del agua esperada para una configuración de retorno fijo. Luego compararemos este valor con las temperaturas previstas calculadas para el chorro de agua circulador avanzado.

Figura 1: Representación matemática del retorno del agua de una piscina

Si se considera que un volumen de control térmico es igual al volumen del dominio de cálculo, la eficiencia térmica de calentar el agua de la piscina se puede determinar mediante el siguiente procedimiento:

Se hace un balance de energía para los supuestos mencionados anteriormente.

La diferencia de energía calculada estará determinada por la ecuación de convección:

Q = hc x A x DT [1]

Donde: Q = energía térmica

hc = coeficiente de convección térmica

A = superficie de agua expuesta al aire

DT = diferencia de temperatura entre el agua y el aire.

Luego se determinará la diferencia de eficiencia térmica entre los dos retornos y los dos chorros de agua del circulador avanzado y se calculará un AHORRO DE COSTOS basado en las suposiciones y una tasa típica de costos de energía.

En el modelo de análisis térmico se considerarán la conducción térmica hacia el terreno circundante, la radiación fuera de la superficie del agua y las pérdidas por convección de la superficie del agua.

Se supuso que el retorno estándar del agua de la piscina apuntaba en dirección horizontal y luego se generó un gráfico de la temperatura del agua. La figura 2 muestra un gráfico de la temperatura del agua de un retorno de piscina estándar. Observe cómo el agua caliente, a medida que sale del retorno de la piscina, sube hasta la parte superior de la superficie de la piscina. El agua caliente en la superficie de la piscina liberará rápidamente energía térmica por convección y radiación al aire sobre la superficie de la piscina. El agua caliente en la superficie de la piscina también ayudará a la evaporación.

La Figura 3 muestra la temperatura prevista en la superficie del agua para una configuración de retorno de piscina estándar. El agua caliente del retorno de la piscina se mezcla con el agua fría de la piscina y sube a la superficie debido a los efectos de flotabilidad. Si suponemos que el agua caliente afecta al 10% de la superficie de la piscina entonces para una piscina de 30' X 15' analizada encontramos:

Q = hc x A x DT

Tabla de referencia 2; para un sistema de retorno de dos piscinas, se pierden 61,4 BTU/h adicionales de energía térmica debido al calentamiento de la superficie del agua únicamente. Esto equivale a 491 BTU de energía por cada 8 horas de bombeo. Además, si tenemos en cuenta la evaporación del agua, se pierden 8000 BTU adicionales por cada galón de agua de 80 F perdidos.

Análisis Conclusiones

Ahorros de las medidas de conservación de la bomba

Uso de la energía de la condición

(kWh/año) Costo de Energía

($ / año) Ahorro de Energía

originales 3000 240 --

Reemplazo de la bomba

(reducción) 1800 140 40%

Tiempo reducido 60% 1200 100 60%

Combinación de arriba 720 60 75%

Mesa cortesía de la revista Home Energy. Estos ahorros representan un fondo común típico en Florida. La factura de energía promedio de la bomba de la piscina es probablemente más alta en Florida que en muchas otras áreas del país debido a la larga temporada de natación. Si bien los ahorros absolutos aquí serán mayores que en otros lugares, los ahorros porcentuales deberían aplicarse en todo el país. Tenga en cuenta que los ahorros de la combinación de medidas no son simplemente la suma de los ahorros de las medidas individuales. Cuando se implementan ambos, el uso de energía es 60% del 40% del uso original - 75% de ahorro.

Tabla 1: Ahorro de energía de la conservación de la bomba

En un estudio, la mayoría de las personas que redujeron el tiempo de extracción a menos de 3 horas por día en promedio ahorraron el 60 % de su factura de electricidad en extracción.

Mediante una mezcla más eficiente del agua caliente del calentador de la piscina, se ha demostrado que el chorro de agua circulador avanzado ahorra un mínimo de 500 Btu de energía térmica por día. Se obtendrán muchos más ahorros de energía con el chorro de agua Circulator avanzado, ya que se evitará que el agua caliente suba a la superficie de la piscina y gracias a una distribución de temperatura más uniforme que resultará en una menor pérdida por evaporación.

Este informe documenta el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) realizado en un chorro de agua Circulator avanzado a temperatura y presión estándar de EE. UU. (STP). Referencia: Conservación de energía y calentamiento de su piscina con energía solar.