Caracterización experimental de un ciclo de compresión de vapor de CO2 transcrítico con un subcooling termoeléctrico por Asur Menéndez Inchusta

La mayoría de las personas en nuestra época de estudios, hemos tenido ciertas asignaturas o campos de estudio que, de una forma totalmente irracional, nos llaman especialmente la atención. Desde que asistí a mi primera clase de transferencia de calor ya tenía claro que era uno de los sectores de la ingeniería que me despertaba un interés especial. Más tarde, al cursar asignaturas relativas a la aplicación de este campo de estudio, confirmé dicho pensamiento.

Fue en el último curso del grado cuando comencé a analizar las posibilidades de proyecto de final de grado. En un principio consideré fuertemente la realización de un proyecto centrado en la industria energética dándole un punto de vista más orientado a la empresa, el cual es otro de mis temas favoritos de estudio.

Sin embargo, pregunté a una profesora que me impartió una de las asignaturas que más disfruté, PhD Patricia Aranguren Garacochea. La cual me introdujo el planteamiento del proyecto, la regulación de los refrigerantes por razones medioambientales había traído consigo un cambio en el paradigma de la industria, se requería investigación en nuevos refrigerantes o sistemas para poder atender tanto a las regulaciones, como a la demanda. En este punto se quería estudiar la implantación del CO₂ como refrigerante en un sistema de refrigeración.

Me mostraron los estudios computacionales previos realizados y ya tomé la decisión final, realizaría este proyecto debido a su gran proyección y exclusividad, ya que apenas había estudios experimentales previos del tema. La imperiosa necesidad de encontrar sistemas de refrigeración económica y, energéticamente viables y que, además, cumplan con las regulaciones medioambientales actuales suponía un reto y una motivación increíbles.

El primer paso en el estudio consistió en conocer el estado del arte de los sistemas de compresión de vapor con CO₂. La mayoría de los estudios trataban la problemática que tiene este fluido al trabajar a ciertas temperaturas. Al superar los 32 °C ambientales, el fluido alcanzaba condiciones transcríticas, lo cual supone un detrimento sustancial en la eficiencia del sistema. Por lo tanto, para su inclusión en ambientes cálidos como el español, se debían estudiar otras configuraciones del ciclo de refrigeración para aumentar dicha eficiencia.

La instalación planteada sería de media a baja potencia utilizando CO₂ como refrigerante. Se quiso estudiar una instalación de estas características, debido a que los estudios realizados previamente en diferentes configuraciones del ciclo de refrigeración con CO₂, habían arrojado resultados muy prometedores para instalaciones de gran capacidad. Sin embargo, estas configuraciones resultaban excesivamente costosas para sistemas más pequeños. No obstante, había una configuración que había sido estudiada casi exclusivamente de forma computacional y que podía ser la clave para estos sistemas de baja potencia, el subenfriamiento termoeléctrico, debido a su bajo coste y sus grandes posibilidades.

Los módulos termoeléctricos son pequeños sistemas de refrigeración per se. Si se les introduce un voltaje y existe una diferencia de temperatura entre las caras del módulo, simultáneamente se produce una extracción y disipación de calor. Este efecto se puede introducir a la salida del condensador para que extraiga calor del fluido, produciendo un subenfriamiento en este, con su consecuente aumento de potencia frigorífica del sistema.

Para obtener una visión global de la nueva configuración, tras realizar los cambios correspondientes a la instalación para que fuera capaz de soportar las condiciones de trabajo y, a la vez, poder monitorizar los diferentes parámetros en estudio, se realizaron los tests iniciales. Tras estos ensayos, se demostró algo que ya se sabía, al trabajar con CO₂ transcrítico en un ciclo de compresión de vapor simple, la eficiencia global resultaba excesivamente baja, lo cual suponía que el sistema no fuera viable para su implantación en el mercado.

Tras estos ensayos, se quiso tener un modelo computacional capaz de validar los datos obtenidos, para más tarde, implementar el módulo de subenfriamiento termoeléctrico y observar los cambios que supondría. Se realizo un modelo con MATLAB simple, pero efectivo. Era capaz de simular la instalación en los puntos de trabajo requeridos. Una vez se tuvo el modelo simple, se diseñó otro que simulase un sistema de disipación de calor mediante módulos termoeléctricos previamente estudiado. Una vez se tuvo el modelo final, los resultados arrojados eran prometedores, ya que esta adición suponía un aumento en la eficiencia global suficiente para habilitar al sistema para su integración en el mercado.

Se pasó a la siguiente fase del proyecto, la implementación del sistema de subenfriamiento. Se diseñó un dispositivo de subenfriamiento termoeléctrico, mostrado en la Figura 1. Este estaba compuesto por 4 módulos termoeléctricos dispuestos de la siguiente forma: una de sus caras en contacto con la tubería que portaba el refrigerante y su otra cara con un sistema de disipación de calor. Este último se componía de heat pipes con un disipador de aletas y un ventilador que forzaba aire para una mayor disipación de calor.

Tras su inclusión en la instalación, llegaron los ensayos de la instalación final. Se realizaron varios barridos por diferentes presiones de descarga y voltajes aplicados a los módulos, con el objetivo de lograr una visión global del sistema y obtener los puntos de funcionamiento óptimos de la instalación.

Se observaron resultados tremendamente prometedores. Al realizar un análisis del impacto de los módulos termoeléctricos en el sistema, se observó un aumento del 24% en la potencia frigorífica obtenida, a la vez que un incremento del 10,5% en el EER del sistema. A estos prometedores resultados cabe añadir la reducción en las presiones de trabajo óptimas, lo cual tiene un gran impacto en el funcionamiento y diseño de las instalaciones. Estos esperanzadores resultados abren la puerta a futuras investigaciones que mejoren la instalación ensayada y, con ello, posibilitar la implantación de este sistema estudiado en el mercado.

Gracias al trabajo realizado y a los prometedores resultados obtenidos, el proyecto ha tenido la oportunidad de participar en varias competiciones. En primer lugar, se otorgó la 1ª posición en el premio HVACR de Atecyr en enero de 2020. Por otro lado, al ser el representante de Atecyr, pude defender el proyecto en el REHVA Student Competition 2020, obteniendo una 3ª posición frente a 14 representantes de cada país participante.