28 diciembre 2012

Cálculo de las pérdidas de calor en depósitos de agua caliente



Los depósitos de agua caliente modernos pueden sentirse fríos al tacto, pero están perdiendo calor. En este nuevo artículo dedicado a los procesos térmicos explicamos cómo calcular el flujo de calor y también la forma de medirlo empíricamente.

Usando la fórmula para calentamiento del caudal podemos computar la pérdida de calor en las paredes del tanque en btu/hora (1 BTU equivale a 252 calorías), luego convertirlo a vatios, kwh por año y euros de ahorro. Basándonos en estos cálculos, un tanque de 80 galones con aislamiento R-16 necesitaría un promedio de alrededor de 41 vatios para sustituir el calor que escapa a través de las paredes del tanque.

Cálculo teórico

La fórmula de pérdida de calor básica es:


Donde:
  • H = Pérdida de calor en btu/hr
  • A = Área de superficie en pies cuadrados
  • Thot = Temperatura del agua en F
  • Tcold = Temperatura del aire en F
  • R = Valor R del aislamiento en ft2hrF/btu
Área de superficie

Puede computarse el área de superficie de agua caliente a partir de las dimensiones del tanque. Primero medimos el diámetro del tanque en pulgadas. La superficie total del tanque, en pulgadas cuadradas, es:

Si dividimos este resultado entre 144 para conseguir el área total en pies cuadrados. El número sería mayor que 5 y menor que 50 pies cuadrados. Si obtenemos un número fuera de este rango probablemente nos equivocaremos en la medición o cálculo.

Thot = Podemos medir directamente la temperatura del agua caliente colocando un termómetro hasta que la temperatura se estabiliza.
Tcold = La temperatura fría es la temperatura del aire a la que el exterior del calentador de agua está expuesto. Esto puede variar en gran medida dependiendo de la estación y donde se localiza el tanque. Si el tanque está en un garaje no aislado, por ejemplo, puede estar a 90 F en verano, pero 30 F en invierno. En este caso podemos tener aproximadamente una temperatura anual de 60 F.
Valor R: El valor R podemos calcularlo a partir de la información del fabricante, estimarse con calculadores o determinarse experimentalmente.

Cálculo de muestra

En un calentador de agua de 24,5 pulgadas de diámetro, 58 pulgadas de alto, y un valor R de 16. La temperatura del agua es alrededor de 120 F y la temperatura de la base se asume en promedio 60 F.

Área de superficie = 37,5 pies cuadrados

Pérdida de calor = H = 37,5 * (120 – 60) / 16 = 140,88 btu/hora

Convirtiendo a kWh

Un kWh de electricidad, genera 3412 btus de calor. Así para convertir btu/hr en kWh/hr dividiremos entre 3412. Podemos cancelar las horas y obtener sólo kW.

H (en KW) = h (EN BTU/HR) / 3412
H = 41,3 vatios

Así el tanque de agua caliente pierde calor a una velocidad de alrededor de 41 vatios. El motivo es que las paredes del tanque se enfrían de forma que los 41 vatios se extienden sobre una gran superficie.

Así el tanque de agua caliente pierde calor a una tasa de 41 vatios cada hora. Para computar los kWh usados en un día, multiplicamos el kW por 24 horas. Para nuestro calentador de agua:

kWh día = 0,0413 kW x 24 horas/día = 0,99 kWh/día

Esto puede ser alrededor de 1 kwh por día, lo cual implica alrededor de 30 kwh/mes y 365 kwh/año.

Convirtiendo a coste

Para calcular los costes multiplicamos el número de kwh por el valor del kWh y así podemos estimar el coste de las pérdidas mensuales.

El análisis anterior no captura todas las pérdidas. Hay también pérdidas en la válvula de alivio de presión montada en el calentador de agua, y pérddas de agua caliente que proceden de las tuberías de agua caliente. Tanto la válvula de alivio de presión como la tubería de agua se sienten calientes al tacto. Estos sugiere que se necesita una medición empírica para conseguir manejar las pérdidas de agua.

Bibliografía:

Hote Water Tank Heat Loss. School of Hard Knocks