Proyecto de reducción de pérdidas de energía térmica en la piscina de la Academia OR. Durán Durán - Cordero Clavijo, Juan Alfredo (2007)
La Academia de Natación OR. Durán Durán enfrenta el problema financiero de los altos costos que debe cubrir para producir servicios en cursos de natación al público en general, los cuales son relativamente altos comparados con la entrada neta mensual. El mayor costo se centra en la compra de combustible (gas licuado de petróleo GLP) dentro de materiales directos, seguido a este costo se encuentra el consumo de luz y agua dentro de los gastos generales de producción. Tales costos se generan en el proceso de calentamiento de la piscina. El gas se utiliza para calentar un flujo de agua de la piscina en máquinas térmicas (calefones) para volver a mezclarla en la piscina y aumentar así su energía, y ya que se necesita recircular el agua de la piscina para que atraviesen las máquinas térmicas, el uso de una bomba accionada por energía eléctrica, es imprescindible. Por esto, la razón del desarrollo del presente Proyecto es para estudiar perspectivas que faciliten a la Administración de la Academia la planeación de cambios técnicos para emprender en la gestión de soluciones y lograr con ello mejorar sus finanzas. Las soluciones se conseguirán por medio de los estudios, Técnico Termodinámico de la transferencia de calor en el conjunto piscina-recinto, y un estudio costo-beneficio que permita comparar la factibilidad de realizar cambios. El primer capítulo de la tesis enfoca el diagnóstico de la situación actual que enfrenta la gerencia de la Academia, y se refiere al examen de enfriamiento de agua (signo o causa del problema) que se produce por la transferencia de calor desde la superficie de la piscina; convección libre, radiación y por transferencia de masa por motivo de evaporación de agua. Otra parte del contenido del primer capítulo, hace énfasis en el fundamento teórico, el mismo que se refiere a la deducción de la teoría de las ciencias de la Termodinámica y la Transferencia de Calor, ciencias que cubren el examen de las causas que provocan la pérdida de energía en el agua de la piscina. Como se podrá entender, el examen de las causas involucra leyes y principios físicos pertinentes, por lo cual una manera de comprender el problema, es analizando los modelos matemáticos que representan el problema en estudio. El fenómeno de la pérdida de energía térmica en la piscina de la Academia se puede describir por medio de modelos matemáticos, y es así que en el desarrollo de la tesis, esto es muy representativo, ya que puede ayudar a mostrar el grado de dependencia de algunas variables con respecto a otras y la importancia relativa de diversos términos. Se fija el tratamiento para los sistemas termodinámicos elegidos para el estudio (sección 1-3), piscina-recinto como sistemas de flujo estable para tener una aproximación al comportamiento de transferencia de energía, sabiendo que en realidad existe un flujo no estable de calor. Las mediciones de temperatura realizadas en los sistemas revelan por medio de la variación de temperatura, la variación del flujo de energía de los sistemas, siendo la variación del clima del medio ambiente la que afecta de manera permanente a los sistemas para que exista un flujo no estable de calor. También se define a los sistemas como volúmenes de control puesto que todo el tiempo existe flujo de masa. En el sistema de la piscina el flujo de masa corresponde al flujo de vapor de agua desde la superficie de la piscina y su correspondiente difusión el aire del recinto. El sistema del recinto recibe las entradas de aire atmosférico por puertas y orificios de la cubierta del recinto y la correspondiente expulsión de mezcla de aire y vapor de agua del recinto, en la actualidad, y en proyecto se suma la entrada de aire acondicionado. El tratamiento de la Transferencia de Calor se hará en base a la Termodinámica en lo que se refiere al principio de la conservación de la energía, y su estudio se divide en dos grupos, "la capacidad nominal y el dimensionamiento de un sistema. La capacidad nominal trata de la determinación de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia específica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan con la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de temperatura)" La Transferencia de Calor, se apoya en las dos primeras leyes de la ciencia de la Termodinámica de la siguiente manera: • Respecto a la primera ley: se requiere que la velocidad de transferencia de energía hacia un sistema sea igual a la velocidad de incremento de energía de ese sistema. Esto hace mención a que el balance de energía entre los sistemas piscina-recinto, y entre este último sistema y sus alrededores (medio ambiente) se balancee los intercambios energéticos, entre la energía que entra y la que sale de un sistema y el diferencial de energía en el sistema. • Respecto a la segunda ley: se requiere que la energía se transfiera en dirección de la temperatura decreciente. Un correcto tratamiento de estas dos ciencias, puede brindar modelos matemáticos que representen de manera oportuna la pérdida de energía de la piscina para predecir una reducción de la velocidad de transferencia de calor y por ende la cantidad de energía térmica. Quizá el mayor valor del trabajo de la tesis esté en las deducciones del primer capítulo, ya que se convierte en el apoyo para realizar exitosamente la aplicación de las ecuaciones de balance de energía a los sistemas, para descubrir la cantidad de trabajo que se debe hacer en máquinas térmicas como de definir el diseño de la cubierta del recinto. El segundo capítulo se enfoca en la proyección de la climatización del aire del recinto, en el sentido de fijar la cantidad de trabajo que se requiere para mantener el aire del recinto a una temperatura más alta en comparación con la actual temperatura, esto, con el fin de disminuir el desequilibrio térmico entre la piscina y el aire del recinto. En el tercer capítulo se enfoca la proyección de reducir las velocidades de transferencia de calor, por conducción desde el aire del recinto a través de los materiales de la cubierta al medio ambiente, y desde la superficie de la piscina a las paredes internas de la cubierta por radiación térmica. El cuarto capítulo se centra en fijar el flujo de calor después de las proyecciones mencionadas en los capítulos segundo y tercero y la posibilidad de energizar la piscina por mezcla con agua potable precalentada por medio de calentadores solares. La relación de COSTO-BENEFICIO, tema de estudio del quinto capítulo, se apoya en el estudio técnico proyectado al comportamiento energético de los sistemas termodinámicos piscina-recinto respecto de: - La fijación de los costos de máquinas térmicas que se necesiten para suministrar energía a los sistemas, piscina-recinto. - Los costos de consumo de energía por el funcionamiento de las máquinas térmicas. - La determinación de materiales empleados para conseguir velocidades adecuadas de transferencia de calor en la cubierta del recinto. Para proceder a observar el beneficio o ahorro de dinero y definir la validez financiera del Proyecto.