Crédito:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
En Suiza, Del 50 al 60 por ciento de las casas nuevas están equipadas con bombas de calor. Estos sistemas extraen energía térmica del entorno circundante, como el suelo, aire, o un lago o río cercano, y convertirlo en calor para edificios.
Si bien las bombas de calor actuales generalmente funcionan bien y son amigables con el medio ambiente, todavía tienen mucho margen de mejora. Por ejemplo, mediante el uso de microturbocompresores en lugar de sistemas de compresión convencionales, Los ingenieros pueden reducir el requerimiento de energía de las bombas de calor entre un 20 y un 25 por ciento (ver recuadro), así como su impacto en el medio ambiente. Eso es porque los turbocompresores son más eficientes y diez veces más pequeños que los dispositivos de pistón. Pero incorporar estos mini componentes en los diseños de las bombas de calor no es fácil; Las complicaciones surgen de sus diminutos diámetros ( <20 mm) y velocidades de rotación rápidas (superiores a 200, 000 rpm).
En el Laboratorio de Diseño Mecánico Aplicado de EPFL en el campus de Microcity, un equipo de investigadores dirigido por Jürg Schiffmann ha desarrollado un método que hace que sea más fácil y rápido agregar turbocompresores a las bombas de calor. Mediante un proceso de aprendizaje automático llamado regresión simbólica, los investigadores idearon ecuaciones simples para calcular rápidamente las dimensiones óptimas de un turbocompresor para una bomba de calor determinada. Su investigación acaba de ganar el Premio al Mejor Papel en la Conferencia Turbo Expo 2019 celebrada por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.
1, 500 veces más rápido
El método de los investigadores simplifica drásticamente el primer paso en el diseño de turbocompresores. Este paso, que implica calcular aproximadamente el tamaño ideal y la velocidad de rotación de la bomba de calor deseada, es extremadamente importante porque una buena estimación inicial puede acortar considerablemente el tiempo total de diseño. Hasta ahora, Los ingenieros han estado usando tablas de diseño para dimensionar sus turbocompresores, pero estas tablas se vuelven cada vez más inexactas cuanto más pequeño es el equipo. Y los gráficos no se han actualizado con la última tecnología.
Crédito:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Es por eso que dos EPFL Ph.D. los estudiantes, Violette Mounier y Cyril Picard, trabajaron en el desarrollo de una alternativa. Alimentaron los resultados de 500, 000 simulaciones en algoritmos de aprendizaje automático y ecuaciones generadas que replican los gráficos, pero con varias ventajas:son fiables incluso con turbocompresores de pequeño tamaño; son tan detallados como simulaciones más complicadas; y son 1, 500 veces más rápido. El método de los investigadores también permite a los ingenieros omitir algunos de los pasos en los procesos de diseño convencionales. Allana el camino para una implementación más sencilla y un uso más generalizado de microalimentadores en bombas de calor.
Los beneficios de los microturbocompresores
Las bombas de calor convencionales utilizan pistones para comprimir un fluido, llamado refrigerante, e impulsar un ciclo de compresión de vapor. Los pistones deben estar bien engrasados para funcionar correctamente, pero el aceite puede adherirse a las paredes del intercambiador de calor y perjudicar el proceso de transferencia de calor. Sin embargo, los microturbocompresores, que tienen diámetros de unas pocas docenas de milímetros, pueden funcionar sin aceite; giran sobre cojinetes de gas a velocidades de cientos de miles de rpm. El movimiento giratorio y las capas de gas entre los componentes significan que casi no hay fricción. Como resultado, Estos sistemas en miniatura pueden aumentar los coeficientes de transferencia de calor de las bombas de calor entre un 20 y un 30 por ciento.
Esta tecnología de microalimentadores se ha estado desarrollando durante varios años y ahora está madura. "Ya nos han contactado varias empresas interesadas en utilizar nuestro método, "dice Schiffmann. Gracias al trabajo de los investigadores, a las empresas les resultará más fácil incorporar la tecnología de micro-turbocompresores en sus bombas de calor.
