Refrigerador-bomba de calor termoacústico con configuración de acoplamiento directo

Un grupo de investigadores dirigido por la Academia China de las Ciencias (CAS) ha desarrollado un refrigerador/bomba de calor termoacústico accionada por calor (HDTAR/HDTAHP) que funciona a altas temperaturas de calentamiento. Describen el sistema como una tecnología prometedora para la refrigeración y calefacción con bajas emisiones de carbono, alta eficiencia y fiabilidad.

“El sistema puede combinarse fácilmente con la energía fotovoltaica”, declaró a pv magazine Ercang Luo, autor correspondiente de la investigación. “Por ejemplo, durante la generación de energía fotovoltaica puede producirse una cantidad considerable de calor residual, que puede utilizarse como fuente de frío en nuestro sistema de bomba de calor termoacústica y cuya temperatura puede elevarse para satisfacer diferentes demandas de suministro de calefacción”.

Los científicos explicaron que los sistemas HDTAR/HDTAHP utilizan el efecto termoacústico inverso para la refrigeración o el bombeo de calor y emplean helio o nitrógeno como medio de trabajo. Un motor termoacústico (TAE) integrado utiliza la resonancia de una onda estacionaria en el medio de trabajo para convertir el calor en energía acústica.

El sistema propuesto se concibió con una configuración de acoplamiento directo que, según el grupo de investigación, puede ayudar a reducir el desajuste entre la generación de energía acústica del TAE y el consumo de energía acústica de la subunidad TAR/TAHP. “Debido al desajuste del flujo de energía, la generación extra de potencia acústica se convierte en última instancia en pérdida de energía en el sistema termoacústico, lo que conduce a la disminución del rendimiento de trabajo, pero no como debería ser”, explicó.

Los científicos utilizaron un pistón escalonado (SP) para separar la potencia acústica de salida de la unidad de acoplamiento directo. Con ello se pretende transportar una parte de la potencia acústica al regenerador de la subunidad TAE y el resto a la subunidad TAR/TAHP, lo que permite igualar la potencia acústica.

“Tanto la potencia acústica de salida de la subunidad TAE como la potencia acústica desviada entran en la subunidad TAR/TAHP. En la subunidad TAR/TAHP, la potencia acústica se consume y el calor se bombea continuamente desde el intercambiador de calor del lado frío”, afirmaron, señalando que la potencia acústica de salida del TAR/TAHP vuelve a través de un resonador a la entrada de la unidad de acoplamiento directo. “Hasta aquí, en esta medida, el sistema finaliza un funcionamiento cíclico completo”.

Mediante una simulación a través del software de cálculo unidimensional Sage, los académicos compararon el rendimiento del sistema basado en el SP con el de un dispositivo de referencia con un pistón mecánico convencional, teniendo ambos sistemas una configuración de acoplamiento directo y una capacidad de refrigeración de 1 kW.

Las pruebas mostraron que el sistema con el SP alcanzó un coeficiente de rendimiento (COP) de 1,694, mientras que el dispositivo de referencia sólo alcanzó un valor de 0,6825. Esto se debe a que la temperatura de calefacción del sistema de referencia está “seriamente” limitada por las temperaturas ambiente y del lado frío. “La variación de la temperatura de calentamiento provocará el desajuste entre la generación de potencia acústica en la subunidad TAE y el consumo de potencia acústica en la subunidad TAR/TAHP, y finalmente conducirá al deterioro del rendimiento global de refrigeración”, subrayaron los investigadores.

También señalaron que el sistema propuesto puede alcanzar una eficiencia tres veces superior a una temperatura de calentamiento de unos 500 ºC y explicaron que la mejora de la eficiencia de conversión de calor en energía acústica en la subunidad TAE a una temperatura de calentamiento más elevada es responsable de la mejora del rendimiento de la refrigeración. “La novedosa configuración muestra diferentes distribuciones del campo acústico debido al componente de derivación y puede disminuir significativamente la pérdida de exergía que se produce en el regenerador del motor”, concluyeron.

El sistema se describe en el artículo “A highly efficient heat-driven thermoacoustic system for room-temperature refrigeration by using novel configuration” (Un sistema termoacústico altamente eficiente impulsado por calor para refrigeración a temperatura ambiente mediante una configuración novedosa), publicado recientemente en Applied Energy. “No hemos calculado ni comparado su coste con el del sistema tradicional de refrigeración por absorción, pero se cree que este sistema de refrigeración con bomba de calor logrará un bajo coste en el futuro”, afirma Luo.