Metodología innovadora optimiza la eficiencia de bombas de calor en cascada con refrigerantes no azeotrópicos

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chiang Mai, en Tailandia, ha desarrollado una nueva metodología para identificar la temperatura óptima que permita mejorar el coeficiente de rendimiento (COP) en bombas de calor en cascada de dos etapas que utilizan refrigerantes no azeotrópicos. Estos refrigerantes, aunque no han tenido un éxito masivo en la industria, son considerados prometedores en aplicaciones de bombas de calor debido a su eficiencia tanto en términos de COP como en la reducción del consumo de energía del compresor.

Las bombas de calor en cascada de dos etapas operan mediante dos ciclos: uno en el lado de alta temperatura (HS, por sus siglas en inglés) y otro en el lado de baja temperatura (LS). Ambos ciclos están interconectados a través de un intercambiador de calor. Cada ciclo incluye un condensador, una válvula de expansión, un evaporador y un compresor, todos bajo condiciones de flujo y estado estacionario.

En el ciclo de baja temperatura (LS), el refrigerante se calienta y vaporiza en el evaporador, emergiendo como vapor saturado. Este vapor es comprimido por el compresor LS, lo que eleva su presión bajo un proceso isentrópico. Posteriormente, el refrigerante pasa por una expansión adiabática irreversible en la válvula de expansión y se vaporiza nuevamente al absorber calor en el evaporador de baja temperatura.

Por otro lado, en el ciclo de alta temperatura (HS), el fluido de trabajo llega al intercambiador de calor como vapor saturado y luego es comprimido por el compresor HS. Tras la condensación en el condensador, el fluido se transforma en líquido saturado, que luego se enfría y reduce su presión antes de regresar al evaporador HS.

Uno de los desafíos más grandes en este tipo de sistemas ha sido identificar la temperatura intermedia óptima, así como las temperaturas de condensación y evaporación en los ciclos HS y LS, respectivamente. Según los investigadores, hasta ahora no existía un enfoque general para determinar esta temperatura óptima en sistemas que utilizan refrigerantes no azeotrópicos, lo que dificultaba maximizar el COP.

El estudio reveló que el COP para calefacción y refrigeración simultáneas está influenciado por la temperatura en el punto de estrangulamiento (pinch point) en el intercambiador de calor en cascada. A medida que la temperatura en este punto disminuye, el COP aumenta. Además, se observó que la temperatura intermedia óptima tiende a incrementarse con las temperaturas de condensación en el ciclo HS y de evaporación en el ciclo LS.

Los investigadores también señalaron que la mayoría de las temperaturas óptimas encontradas eran inferiores al valor promedio entre la temperatura de condensación del ciclo HS y la temperatura de evaporación del ciclo LS. Para identificar esta temperatura óptima, propusieron una correlación basada en un factor de corrección, utilizando como referencia la temperatura promedio entre ambos ciclos.

El modelo desarrollado por el equipo mostró una alta precisión en la predicción de las temperaturas intermedias óptimas y los COP máximos, con desviaciones menores al 7% y 3%, respectivamente, en comparación con los cálculos realizados mediante el método de entalpía.

Este avance fue publicado en la revista *Results in Engineering* bajo el título «Temperatura intermedia óptima de bombas de calor en cascada de dos etapas con refrigerantes no azeotrópicos para calefacción y refrigeración simultáneas». Los investigadores esperan aplicar esta metodología en futuras pruebas con bombas de calor de múltiples etapas, diseñadas para ofrecer calefacción a temperaturas muy altas y refrigeración a temperaturas muy bajas.

Este nuevo enfoque podría abrir la puerta a mejoras significativas en la eficiencia energética de las bombas de calor, lo que tendría un impacto positivo en la reducción del consumo energético en aplicaciones industriales y residenciales.

Fuente: https://www.pv-magazine.com/2024/09/18/how-to-increase-coefficient-of-performance-in-two-stage-cascade-heat-pumps-based-on-non-azeotropic-refrigerants/