Un equipo internacional de investigación ha realizado un análisis computacional sobre bombas de calor de compresión de vapor de propano (R290) que integran un subenfriador termoeléctrico (TESC) para reducir el consumo de energía de los sistemas de compresión de vapor y ha descubierto que esta combinación puede aumentar el coeficiente de rendimiento de las bombas de calor en un 12,29%.
En el artículo «Effect of thermoelectric subcooling on COP and energy consumption of a propane heat pump» (Efecto del subenfriamiento termoeléctrico en el coeficiente de rendimiento y el consumo energético de una bomba de calor de propano), publicado en Applied Thermal Engineering, los científicos explican que la combinación de estas tecnologías resultó muy beneficiosa para los sistemas de refrigeración en investigaciones anteriores y afirman que las bombas de calor de propano también podrían beneficiarse enormemente del subenfriamiento termoeléctrico.
Los TESC se componen de módulos termoeléctricos (TEM) y motores térmicos de estado sólido que utilizan electrones como fluido de trabajo. Los TEM se utilizan ampliamente para la refrigeración electrónica de dispositivos como procesadores de ordenadores personales, así como sistemas portátiles de almacenamiento de alimentos y bebidas.
El modelo computacional se aplicó a una bomba de calor de propano residencial destinada a proporcionar calefacción de espacios.
En la configuración del sistema propuesto, el TESC está situado entre el condensador y el intercambiador de calor interno (IHX). El agua que debe calentarse pasa por el TESC y posteriormente por el condensador. Además, el TESC absorbe el calor del propano para proporcionar subenfriamiento a la salida del condensador, lo que beneficia el funcionamiento del sistema de compresión de vapor.
«La temperatura del agua de entrada define la entrada al TESC, mientras que la temperatura del agua de salida determina la entrada del condensador», explicaron los científicos. «Cada uno de los bloques presenta diferentes temperaturas de sumidero caliente y frío, ya que el flujo de propano se enfría a su paso por el sistema TESC y el flujo de agua se calienta».
Al parecer, el modelo computacional es capaz de desarrollar un proceso iterativo que supone las temperaturas de salida de cada bloque y resuelve cada una de ellas hasta que la suposición coincide con el funcionamiento del bloque. También calcula la temperatura de salida del propano y la temperatura de salida del flujo de agua, así como el COP y el consumo de energía del TESC.
«El modelo computacional se ha desarrollado de modo que la bomba de calor completa sea capaz de proporcionar un kW de capacidad calorífica», explica el grupo. «Para ello, la capacidad del compresor se incrementa en cada resolución para alcanzar el kW de capacidad calorífica».
En sus simulaciones, los investigadores consideraron temperaturas ambiente de entre -20 ºC y 15 ºC, niveles de tensión TEM de entre 0,5 V y 10 V, un sistema termoeléctrico formado por entre 1 y 8 bloques, y dos temperaturas de entrada del agua de 40 ºC y 55 ºC. También tuvieron en cuenta los flujos de masa, las capacidades de calefacción, las relaciones de compresión, las capacidades del compresor, las capacidades de refrigeración, las temperaturas, los COP y los consumos de energía.
Su análisis demostró que los niveles óptimos de tensión TEM son clave para maximizar el funcionamiento de la bomba de calor, y que los suministros de tensión muy altos son contraproducentes para la compresión de vapor. También demostró que la mayor mejora del COP, del 12,29%, se obtenía cuando la temperatura ambiente era de -20 °C y se lograba cuando el TESC se diseñaba con 8 bloques formados por 16 TEM.
«Sin embargo, si el sistema TESC se reduce a la mitad, con sólo 4 bloques (8 TEM), la mejora del COP sigue siendo del 9,54%», subraya el grupo. «Cuando la bomba de calor se utiliza para la calefacción de espacios con fan-coil, los incrementos del COP son del 7,64 y el 6,03 %, respectivamente».
Otros análisis también demostraron que el TESC también podría mejorar el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) de la bomba de calor en un 9,98 % si se integra un sistema TESC de 8 bloques por kW de capacidad de calefacción para calentar agua para radiadores convencionales.
Los académicos planean actualmente construir un prototipo del sistema para confirmar los resultados de las simulaciones. «La inclusión del subenfriamiento termoeléctrico en una bomba de calor de compresión de vapor de propano ha demostrado ser muy beneficiosa en términos de COP y consumo energético», concluyeron. «Además, se ha demostrado que los sistemas termoeléctricos son robustos, sencillos, flexibles, fiables, baratos y fáciles de controlar».
El equipo de investigación estaba formado por académicos de la Universidad Pública de Navarra y la Universidad Jaume I de España, así como de la Universidad Tecnológica de Silesia (Polonia).
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