Aunque se está trabajando para desarrollar refrigerantes alternativos y mejorar las estrategias de gestión de refrigerantes, la reducción gradual de los HFC impondrá restricciones en los equipos de compresión de vapor que requerirán compensaciones entre costo, eficiencia y seguridad. Estas limitaciones podrían presentar oportunidades de mercado para tecnologías alternativas de acondicionamiento de espacios. Tecnologías alternativas basadas en su estado de desarrollo (algunas tecnologías se encuentran en etapas muy tempranas de desarrollo), potencial de ahorro de energía y otros factores que pueden afectar su capacidad para competir con los sistemas de compresión de vapor.
La siguiente figura agrupa 22 tecnologías de compresión sin vapor analizadas en el estudio del DOE, clasificadas por fuente de energía y fluido o material de trabajo primario. Si bien los sistemas de compresión de vapor también se usan en aplicaciones de refrigeración, transporte y enfriamiento de procesos, el estudio del DOE se enfoca únicamente en la construcción de aplicaciones HVAC.
Algunas tecnologías alternativas no son prácticas para las aplicaciones de acondicionamiento de espacios debido a las bajas eficiencias y capacidades, y algunas están demasiado tempranas en su ciclo de desarrollo para ser evaluadas completamente (p. ej., bomba de calor Bernoulli, ciclo de flujo crítico y bomba de calor electrocalórica).
Esta sección explica algunas de las alternativas a los ciclos de compresión de vapor.
Ciclo de dióxido de carbono transcrítico
La temperatura crítica baja para el dióxido de carbono se puede ver en el diagrama de presión-entalpía ( Imagen siguiente ). Un ciclo con rechazo de calor a 31 °C tendría un efecto de refrigeración mucho menor que uno con condensación a, digamos, 27 °C. Por encima del punto crítico, el gas no puede condensarse y es necesario pasar a esta región si la temperatura de disipación de calor se aproxima a los 30 °C. Si el gas se puede enfriar, digamos 40 °C como se muestra en la figura, el efecto de refrigeración es similar al de la disipación de calor a 30 °C. En el ciclo que se muestra, el gas se enfría de 120 °C a 40 °C a una presión constante de 100 bar en un intercambiador de calor descrito como enfriador de gas.
La formación de líquido solo tiene lugar durante la expansión al nivel de presión más bajo. Puede ser posible operar un sistema diseñado para operación transcrítica en el modo subcrítico, es decir, como un ciclo de compresión de vapor, en condiciones ambientales bajas, en cuyo caso el enfriador de gas se convierte en un condensador.
La regulación de la alta presión es necesaria para el ciclo transcrítico. La presión óptima se determina en función de la temperatura de salida del enfriador de gas y es un equilibrio entre el mayor efecto refrigerante posible y la menor cantidad de energía del compresor.
Refrigerantes de pérdida total
Algunos fluidos volátiles se usan una sola vez y luego escapan a la atmósfera. Dos de estos son de uso general: dióxido de carbono y nitrógeno. Ambos se almacenan como líquidos bajo una combinación de presión y baja temperatura y luego se liberan cuando se requiere el efecto de enfriamiento.
El dióxido de carbono está por debajo de su punto triple a la presión atmosférica y solo puede existir como 'nieve' o gas. El punto triple es donde coexisten las fases sólida, líquida y de vapor. Por debajo de esta presión, un sólido se sublima directamente al estado gaseoso. Dado que ambos gases provienen de la atmósfera, no existe riesgo de contaminación. La temperatura del dióxido de carbono cuando se libera será de 78,4°C. El nitrógeno estará a 198,8°C. El hielo de agua también puede clasificarse como refrigerante de pérdida total.
Ciclo de absorción
El vapor se puede retirar de un evaporador por absorción en un líquido ( Imagen siguiente ). Se utilizan dos combinaciones, la absorción de gas amoníaco en agua y la absorción de vapor de agua en bromuro de litio. Este último no es tóxico y, por lo tanto, puede usarse para aire acondicionado. El uso de agua como refrigerante en esta combinación lo restringe a sistemas por encima de su punto de congelación. El vapor refrigerante del evaporador es atraído hacia el absorbedor por el absorbente líquido, que se rocía en la cámara. La solución resultante (o licor) luego se bombea hasta la presión del condensador y el vapor se elimina en el generador mediante calentamiento directo.
El gas refrigerante a alta presión que se desprende puede condensarse de la forma habitual y volver a pasar al evaporador a través de la válvula de expansión. El licor débil del generador pasa a través de otra válvula reductora de presión al absorbedor. La eficiencia térmica general se mejora mediante un intercambiador de calor entre las dos rutas de licor y un intercambiador de calor de succión a líquido para el refrigerante. La energía para la bomba de licor generalmente será eléctrica, pero la energía térmica para el generador puede ser cualquier forma de energía de bajo grado, como petróleo, gas, agua caliente o vapor. También se puede utilizar la radiación solar. La energía total utilizada es mayor que con el ciclo de compresión, por lo que el COP es menor. Las cifras típicas son las que se muestran en la Tabla.
ciclo de aire
La refrigeración por ciclo de aire funciona en el ciclo inverso Brayton o Joule. El aire se comprime y luego se elimina el calor; este aire luego se expande a una temperatura más baja que antes de comprimirse. Luego se puede extraer el calor para proporcionar un enfriamiento útil, devolviendo el aire a su estado original (vea la Figura a continuación). Se extrae trabajo del aire durante la expansión mediante una turbina de expansión, que elimina energía a medida que el aire en expansión hace girar las palas. Este trabajo puede emplearse de manera útil para hacer funcionar otros dispositivos, como generadores o ventiladores. A menudo, se usa para ayudar a alimentar el compresor, como se muestra. A veces, el expansor alimenta un compresor separado, llamado compresor de arranque, que proporciona dos etapas de compresión. El aumento de la presión en el lado caliente eleva aún más la temperatura y hace que el sistema de ciclo de aire produzca más calor utilizable (a una temperatura más alta). El aire frío después de la turbina se puede usar como refrigerante directamente en un sistema abierto como se muestra o indirectamente por medio de un intercambiador de calor en un sistema cerrado. La eficiencia de tales sistemas está limitada en gran medida por las eficiencias de compresión y expansión, así como por las de los intercambiadores de calor empleados.
Originalmente, se usaban compresores alternativos de baja velocidad y expansores. La baja eficiencia y confiabilidad de tal maquinaria fueron factores importantes en el reemplazo de tales sistemas con equipos de compresión de vapor. Sin embargo, el desarrollo de compresores rotativos y expansores (como en los turbocompresores de automóviles) mejoró en gran medida la eficiencia isoentrópica y la confiabilidad del ciclo del aire. Los avances en la tecnología de turbinas junto con el desarrollo de cojinetes de aire y componentes cerámicos ofrecen mejoras adicionales en la eficiencia.
La principal aplicación de este ciclo es la climatización y presurización de aeronaves. Las turbinas utilizadas para la compresión y expansión giran a muy altas velocidades para obtener las relaciones de presión necesarias y, en consecuencia, son ruidosas. El COP es más bajo que con otros sistemas.
ciclo de Stirling
El ciclo de Stirling es un ciclo de gas ingenioso que utiliza el calor transferido del gas que baja de temperatura para proporcionar el calor del gas que sube de temperatura. El ciclo de Stirling se ha aplicado con éxito en aplicaciones especializadas que requieren bajas temperaturas en trabajos muy bajos.
Refrigeración termoeléctrica
El paso de una corriente eléctrica a través de uniones de metales diferentes provoca una caída de temperatura en una unión y un aumento en la otra, el efecto Peltier. Las mejoras en este método de refrigeración han sido posibles en los últimos años gracias a la producción de semiconductores adecuados. Las aplicaciones tienen un tamaño limitado, debido a las altas corrientes eléctricas requeridas, y los usos prácticos son pequeños sistemas de enfriamiento para uso militar, aeroespacial y de laboratorio.
refrigeración magnética
La refrigeración magnética depende de lo que se conoce como efecto magnetocalórico, que es el cambio de temperatura que se observa cuando determinados materiales magnéticos se exponen a un cambio de campo magnético. La refrigeración magnética es un tema de investigación e históricamente se ha utilizado a temperaturas ultrabajas. Solo recientemente se ha visto como un posible medio de enfriamiento a temperaturas cercanas a la habitación.
Refrigeración y aire acondicionado GF Hundy, AR Trott, TC Welch y TC Welch
