Bomba de calor termoacústica de cambio de fase para aplicaciones residenciales e industriales

Un grupo de investigación del Technion – Instituto de Tecnología de Israel ha desarrollado un novedoso concepto de bomba de calor termoacústica de cambio de fase (PTHP) para el bombeo de calor residencial e industrial.

“La conversión acústica de cambio de fase ofrece un gran potencial para una tecnología de enfriamiento limpia y eficiente, que puede ser alimentada por una fuente híbrida de electricidad o, lo que es más importante, calor”, dijo el autor principal de la investigación, Guy Ramon, a pv magazine. “El uso de la acústica simplifica enormemente la construcción de dispositivos, reduciendo la necesidad de piezas móviles, y la presencia de cambio de fase aumenta drásticamente la densidad de potencia de estos dispositivos, al tiempo que utiliza materiales sostenibles”.

El sistema accionado acústicamente utiliza una mezcla binaria de un componente inerte y reactivo como fluido de trabajo que sufre condensación y evaporación durante el ciclo termoacústico. Se utiliza aire atmosférico como gas inerte, mientras que se utiliza agua o isopropanol como componente reactivo.

La bomba de calor consta de un altavoz, un resonador y un núcleo termoacústico colocado dentro del resonador. El núcleo incluye un intercambiador de calor frío, una pila y un intercambiador de calor ambiental.

“La longitud y el diámetro del resonador son de 0,88 m y 47 mm, respectivamente, y la pila es una pieza de panal de cerámica de 600 celdas por pulgada cuadrada con una longitud de 95 mm”, explicaron los investigadores. “El intercambiador de calor ambiental es del tipo placa-aleta, con una separación de 2 mm y un ancho de aleta de 0,7 mm”.

El sistema incorpora un intercambiador de calor frío hecho de alambre de níquel-cromo de 0,5 mm de espesor y está integrado dentro de un esqueleto impreso en 3D. Se utiliza para proporcionar la carga de calor al sistema, que a su vez es accionado por un altavoz a la frecuencia resonante del sistema, que es de 86 Hz.

El sistema funciona en cuatro pasos. Inicialmente, la mezcla del componente reactivo y el gas inerte se mueve hacia la región de baja presión. Luego, la presión parcial reducida impulsa la evaporación del componente reactivo que lleva consigo el calor latente. En el tercer paso, la mezcla sufre los procesos inversos de los dos primeros pasos y el componente reactivo se condensa sobre el sólido, transfiriendo el calor latente. Finalmente, la potencia acústica se consume para bombear calor en contra del gradiente de temperatura.

El grupo de investigación comparó el rendimiento de la bomba de calor con el de un dispositivo de referencia sin cambio de fase. Encontró que la bomba de calor puede alcanzar un coeficiente de rendimiento (COP) superior al 40 % con una mezcla de aire e isopropanol a una concentración de 0,8.

“Nuestros resultados experimentales muestran que se puede obtener una mayor potencia de enfriamiento y un COP más alto con el cambio de fase cuando la diferencia de temperatura está por debajo de un valor crítico, lo que verifica que el cambio de fase mejora el bombeo de calor termoacústico”, afirmó. “Sin embargo, cuando la diferencia de temperatura aumenta para exceder el valor crítico, el rendimiento es peor que el de la bomba de calor termoacústica clásica equivalente, porque el flujo de masa promediado en el tiempo invierte su dirección y transporta el calor en contra de la dirección de bombeo de calor”.

El novedoso concepto de bomba de calor se presentó en el documento “Environmentally-sound: An listening-driven heat pump based on phase change” (Ecológica: Una bomba de calor basada en el cambio de fase que funciona a la escucha), publicado en Energy Conversion and Management. “La tecnología patentada ahora está entrando en las etapas iniciales de comercialización”, afirmó Ramón, y agregó que aún se requiere más investigación para la correcta realización de todo su potencial.