Investigadores de la Universidad de Cincinnati dicen que han encontrado una solución a uno de los mayores problemas ambientales que enfrenta la industria energética:el consumo de agua.

Las plantas de energía en los Estados Unidos necesitan tanta agua cada año como todas las granjas del país juntas:un estimado de 133 mil millones de galones por día, según números federales. Esto supone una enorme presión sobre los recursos hídricos y tiene un impacto medioambiental perjudicial.

Pero Raj Manglik y Milind Jog, profesores de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UC, dicen que han desarrollado un nuevo sistema de enfriamiento por aire para plantas de energía que no usa agua pero es casi tan efectivo como los sistemas enfriados por agua.

"En algún momento, esta será una crisis de agua, y será bastante pronto, "Dijo Manglik." Esa fue la motivación principal. ¿Podemos hacer que la refrigeración por aire sea significativamente más viable para que las empresas la adopten independientemente?

El proyecto fue financiado con una subvención de $ 3.4 millones del Departamento de Energía de EE. UU.

La mayoría de las plantas de energía en los Estados Unidos se construyen junto a cuerpos de agua para satisfacer las demandas de sus sistemas de enfriamiento. Algo de agua se pierde por evaporación en las torres de enfriamiento. En otros casos, se bombea agua más caliente a los lagos, ríos o bahías, que puede elevar la temperatura ambiente, matando peces y otros organismos acuáticos y creando floraciones de algas tóxicas. Los científicos llaman a esto "contaminación térmica".

"El agua alrededor de las plantas de energía puede ser significativamente más cálida que el resto de un río o lago, Manglik dijo:"Esto afecta negativamente a los peces y las plantas y destruye el ecosistema".

Los dos investigadores utilizaron sus antecedentes en la transferencia de calor experimental, Modelado computacional y dinámica de fluidos para diseñar un mejor condensador refrigerado por aire para centrales eléctricas. Como el radiador de un coche, el condensador tiene una red de aletas metálicas especialmente diseñadas por los investigadores de la UC para eliminar el calor en el aire circulante.

Los investigadores de la UC desarrollaron aletas metálicas mejoradas con un diseño geométrico único que altera favorablemente el flujo de aire sobre ellas. Esto proporciona una convección de calor mucho mejor para enfriar el vapor en el condensador enfriado por aire.

"El flujo de aire se interrumpe con una mayor mezcla y una transferencia de calor más eficiente en comparación con las aletas tradicionales utilizadas en estos condensadores enfriados por aire, "Dijo Jog.

Manglik dijo que no había un solo "¡Eureka!" momento, sino mejoras deliberadas a lo largo del tiempo.

"Utilizamos experimentación cuidadosamente controlada junto con modelado computacional, "Dijo Manglik." El modelado nos ayuda a comprender la física. Los experimentos nos dan los resultados que se pueden utilizar para optimizar el diseño ".

Derramar más calor aumenta la eficiencia de las centrales eléctricas, lo que significa que pueden producir más electricidad. Y dado que el sistema de enfriamiento es más efectivo, no tiene que ser tan grande y costoso de construir, ellos dijeron. Las pruebas a escala de laboratorio sugirieron que el sistema de los investigadores puede reducir la temperatura de enfriamiento de los 140 grados actuales a tan solo 115 grados.

Los estudiantes de doctorado de la UC Kuan-Ting Lin y Dantong Shi probaron un pequeño prototipo en un laboratorio de ingeniería. Ahora UC se está asociando con Taneytown, Maryland, empresa EVAPCO en una prueba de prototipo a gran escala del diseño en los laboratorios de la empresa.

Pero los ingenieros de UC no se detuvieron con las aletas del condensador. También están trabajando en una solución a uno de los mayores enigmas de la industria energética. En el verano, la demanda de electricidad suele alcanzar su punto máximo durante la parte más calurosa del día, cuando los sistemas de refrigeración de una planta son menos eficientes.

Los profesores Jog y Manglik están desarrollando un mejor sistema para preenfriar el aire circulante utilizando un disipador de calor que captura temperaturas más frías durante la noche.

"La segunda parte que estamos desarrollando es un preenfriador de aire junto con almacenamiento de energía térmica, ", Dijo Jog." Así que por la noche, cuando las temperaturas son bajas, el sistema 'almacena' el frío. Y eso se usa durante las horas pico para enfriar el aire antes de que vaya al condensador ".

Los investigadores de la UC también están trabajando con Babcock &Wilcox, en Lancaster, Ohio, que en 2016 adquirió la empresa italiana SPIG especializada en sistemas de refrigeración de centrales eléctricas.

Manglik dijo que las plantas de energía enfriadas por aire serán cada vez más valiosas en las partes áridas del mundo frente a la creciente industrialización y el cambio climático.

"Ya hay escasez de agua, exacerbado por la necesidad mundial de energía, Manglik dijo:"Necesitaremos una cantidad sustancialmente grande de nuevas plantas de energía si el resto del mundo comienza a consumir energía al ritmo que lo hacemos en Estados Unidos".

Los investigadores de la UC han estado trabajando para patentar sus ideas desde que presentaron su propuesta de subvención en 2015. Manglik dijo que sus resultados de los experimentos a gran escala tendrán que ser persuasivos.

"La inercia en los sistemas de ingeniería es alucinante. Vas a una refinería de petróleo o una planta petroquímica, y algunas de las tecnologías que se utilizan tienen 40 o 50 años, "Dijo Manglik." La eficiencia no siempre es una medida que importa ".

Los dos investigadores han colaborado en diversos proyectos de investigación en la UC durante la última década.

"El Dr. Jog tiene talentos especiales en física computacional y modelado, "Dijo Manglik." Añado a eso conocimientos experimentales. No me importa ensuciarme las manos, literalmente ".

"Creo que la sinergia hace que funcione, "Dijo Jog.