El tamaño de los componentes, clave para ampliar las bombas de calor de alta temperatura

Un equipo de investigación europeo ha investigado los efectos de la ampliación de las bombas de calor de alta temperatura (HTHP, por sus iniciales en inglés) que utilizan un refrigerante R1233zd(E) y ha descubierto que su tamaño es un factor clave para el coeficiente de rendimiento (COP).

El grupo comparó, en particular, el rendimiento de dos HTHP a escala de laboratorio de diferentes capacidades para hacer afirmaciones generales válidas sobre los retos de la ampliación. “Hay que señalar que el estudio se centró en los compresores alternativos. Queda por investigar el comportamiento a mayor escala de otros compresores”, explicó a pv magazine Jaromir Jeßberger, autor del estudio.

“Los estudios suelen centrarse en una única instalación experimental y validan los resultados experimentales medidos utilizando modelos de simulación o datos bibliográficos”, señalaron los investigadores. “Sin embargo, dada la considerable disparidad entre estas instalaciones experimentales y las operaciones a escala industrial, se plantea una importante cuestión de investigación sobre la viabilidad de ampliar directamente los resultados de laboratorio a una mayor capacidad térmica”.

El grupo de investigación comparó dos HTHP diseñadas en publicaciones anteriores, una con una capacidad térmica de 11 kW (HTHP A) y la otra con una capacidad térmica de 35 kW (HTHP B). Analizaron en ambas las características de transferencia de calor, el calor perdido en distintos componentes, el coeficiente del compresor y el coeficiente de rendimiento (COP).

“Las bombas de calor consideradas presentan un alto grado de similitud en sus componentes, como un compresor alternativo de Bitzer, intercambiadores de calor de placas y separador de aceite, lo que permite una comparación termodinámica entre ellas”, señalaron los académicos. “Ambos tienen ciclo de bomba de calor con compresor de pistón e intercambiador de calor interno (IHX)”.

Mediante su análisis, los científicos descubrieron que las configuraciones más extensas prometen una mayor eficiencia. “Los puntos de pinzamiento y los deslizamientos de temperatura pueden verse influidos por el dimensionamiento relativo de los componentes; los efectos de escalado, como las pérdidas de calor un 15 % mayores en la planta más pequeña, se deben probablemente a una mayor relación entre la superficie para la pérdida de calor y la capacidad calorífica”, subrayaron.

Además, debido a una relación diferente entre potencia absorbida y fricción, la HTHP B de mayor tamaño muestra una mejor eficiencia volumétrica, entre un 0 y un 3,5% superior, así como una mejor eficiencia isentrópica, entre un 6 y un 8,7%. “A nivel de sistema, las configuraciones más pequeñas muestran en la mayoría de los puntos de funcionamiento un COP mejor, resultado de los efectos del diseño. Considerando el COP en función de la temperatura de evaporación, las eficiencias siguen una línea de tendencia similar”, añadieron.

Por último, para llegar a una conclusión general sobre el escalado, el grupo científico también analizó el comportamiento de más de 200 puntos de datos de HTHP industriales. También incluyeron un análisis del Carnot-COP de los sistemas, que es la máxima eficiencia teórica de una bomba de calor.

“Utilizando estos datos, una hipótesis razonable para modelos de baja fidelidad, para la integración de HTHP en sistemas energéticos o procesos industriales, sería utilizar un COP que sea el 45% del COP de Carnot para un conjunto de condiciones de funcionamiento”, explicaron.

Su trabajo se presentó en “Experimental investigations of upscaling effects of high-temperature heat pumps with R1233zd(E)” (Investigaciones experimentales de los efectos de ampliación de las bombas de calor de alta temperatura con R1233zd(E)), publicado en la revista International Journal of Refrigeration. El equipo estaba formado por científicos de la Universidad alemana de Bayreuth y de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Suiza Oriental.