Bomba de calor de propano eficiente y respetuosa con el medio ambiente

4 de septiembre de 2018

por la Sociedad Fraunhofer

Las bombas de calor utilizan la energía ambiental para proporcionarnos calor. Sin embargo, por lo general requieren refrigerantes sintéticos, que contienen gases fluorados de efecto invernadero (gases F) nocivos para el medio ambiente. Los investigadores de Fraunhofer ahora han contribuido al desarrollo de una bomba de calor que usa propano en su lugar. La bomba es más respetuosa con el clima y más eficiente.

"La calefacción y el agua caliente representan alrededor del 40 por ciento del consumo final de energía de Alemania. La quema de combustibles fósiles de alta calidad, como el gas natural o el petróleo crudo, no solo tiene poco sentido desde el punto de vista energético, sino que también daña el clima. Cada unidad de energía eléctrica requerida para operar una bomba de calor, a menudo derivada de recursos renovables, genera de tres a cinco unidades de energía térmica neutra en CO2. Esto hace que las bombas de calor sean un elemento importante en la implementación de la transición de Alemania hacia un sistema de energía sostenible", dice el Dr. Marek Miara, quien coordina el trabajo en bombas de calor en el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE en Friburgo.

Una bomba de calor funciona de manera similar a una nevera. El refrigerante absorbe el calor del interior del frigorífico y lo transporta al exterior. La diferencia es que el calor que se deja escapar libremente por la parte trasera de un frigorífico es el que extrae una bomba de calor, en este caso del suelo, aguas subterráneas o aire ambiente, para calentar nuestros hogares o el agua.

Para lograr esto, el refrigerante vaporizado y calentado se comprime, lo que eleva su temperatura y presión. El gas refrigerante caliente libera su calor en el agua y se condensa. El agua caliente fluye hacia sistemas de calefacción por suelo radiante, radiadores o tanques de almacenamiento de agua caliente, mientras que el refrigerante líquido, ahora frío, fluye de regreso a un llamado evaporador, donde nuevamente absorbe energía térmica. El ciclo vuelve a empezar desde el principio.

En su mayor parte, los refrigerantes están compuestos por una mezcla de sustancias sintéticas que contienen gases de efecto invernadero fluorados (gases F) nocivos para el medio ambiente. En junio de 2014, la Comisión Europea anunció que los gases F se eliminarán gradualmente del mercado. Una alternativa natural y respetuosa con el medio ambiente a los refrigerantes sintéticos es el propano, que ya está ganando popularidad en los sistemas de aire acondicionado y refrigeración. Pero su uso en bombas de calor es todavía relativamente nuevo.

Porque aunque el propano tiene excelentes propiedades termodinámicas, es altamente inflamable y esto presenta un desafío cuando se usa en un ciclo de calor.

"Si desea usar propano, debe mantener el volumen de refrigerante lo más bajo posible para minimizar los riesgos involucrados", dice la Dra. Lena Schnabel, quien dirige el departamento de tecnologías de calefacción y refrigeración en Fraunhofer ISE.

La solución de los investigadores de ISE, junto con sus socios de investigación europeos, es emplear intercambiadores de calor con aletas, soldados y altamente compactos que funcionan bien con pequeños volúmenes de líquido. La energía térmica se transfiere de una sustancia que fluye a otra a través de intercambiadores de calor. Estos se componen de numerosos canales paralelos que contienen el refrigerante en circulación, que absorben calor (conocidos como "vaporizadores") o lo irradian ("condensadores"). "El líquido debe vaporizarse por completo o recondensarse a lo largo de la carrera. Para garantizar que funcionen de manera eficiente, la relación vapor-líquido debe ser idéntica en todos los canales. En general, eso no es fácil de lograr y se vuelve especialmente complicado si también está tratando de limitar el volumen de refrigerante".

Para resolver el problema, Schnabel y su equipo desarrollaron un distribuidor con una estructura biónica: "Los distribuidores Venturi convencionales parecen una pila de espaguetis hechos de muchos tubos delgados que se unen donde se encuentran con el vaporizador. Nuestro distribuidor es diferente: tiene una ramificación continua estructura como las ramas y ramitas de un árbol, que aseguran una distribución uniforme del refrigerante en los canales individuales del evaporador, incluso con un pequeño volumen de refrigerante". Esta estructura permite un uso óptimo de toda la superficie del intercambiador de calor, lo que mejora la eficiencia.

Para reducir el riesgo de explosión al comprimir el propano, Schnabel y su equipo utilizaron un compresor especializado en el que se encapsularon todas las fuentes de ignición. Tuvieron mucho cuidado al conectar los componentes individuales de la bomba para evitar que se escapara el propano. "Actualmente estamos modificando el diseño técnico de la bomba de calor, probando el comportamiento a largo plazo de sus componentes y desarrollando estrategias de seguridad sostenibles", dice Schnabel.

Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft