Energía por calor residual

Científicos de la Universidad Estatal de Oregon desarrollaron una aplicación tecnológica que permitirá ahorrar energía y alcanzar mayor eficiencia energética.

Con este tipo de páneles se podrán alimentar dispositivos portátiles, como celulares, tabletas o computadoras.

Por  Antonia Tapia.

El prototipo, financiado por el Departamento de Defensa de EE UU, permite utilizar el calor residual como energía

Los investigadores Hailei Wang y Richard Peterson, de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Industrial y de Manufactura, de la Universidad Estatal de Oregon, desarrollaron un prototipo que aprovecha el calor residual de las centrales térmicas, fábricas y coches para transformarlo en electricidad. Si se tiene en cuenta que estos sectores son mundialmente uno de los mayores consumidores de energía, la inclusión de este tipo de tecnología podría solucionar problemas energéticos y mejorar la eficiencia.

Este prototipo, que ha sido financiado por el departamento de Defensa de Estados Unidos, permite capturar y utilizar el calor residual de grado bajo y mediano que sale, por ejemplo, del caño de escape de millones de automóviles, generadores diesel o servicios públicos eléctricos.

Aprovechar el calor residual tiene gran potencial, ya que este tipo de energía se pierde y se libera a la atmósfera, lo que ocasiona daños graves al ambiente. Los números son preocupantes. Más del 50 por ciento del calor generado por las actividades industriales se pierde, e incluso las plantas eléctricas más avanzadas sólo convierten un 40 por ciento de la energía producida en electricidad.

En los vehículos, las cifras son más alarmantes, pues los motores de combustión interna utilizados en los autos mantienen de un 25 a un 40 por ciento de eficiencia de conversión. En ese sentido, un radiador tiene como objetivo disipar el calor perdido en estos sistemas de propulsión.

Muchos grupos electrógenos móviles, impulsados ??por motores diesel, también muestran un desperdicio significativo durante las operaciones. Es por eso que con el fin de mejorar la eficiencia energética global, el calor residual se tiene que convertir en una forma útil, no sólo para producir agua caliente y calefaccionar, sino también para convertir el calor residual que se genera en los sistemas de refrigeración en energía.

Y justamente esto último ha sido el desafío de los investigadores de la Universidad Estatal de Oregon al desarrollar este novedoso prototipo.

Ventajas

• Combina un ciclo de rankine orgánico (ORC) con un ciclo de compresión de vapor
• Proporciona enfriamiento 5 kW con COP global alcanzando 0.8 en condiciones de laboratorio
• La caldera de microcanal y recuperador demuestran significativamente mayor eficacia

Fuente: Universidad Estatal de Oregon

Los científicos, mediante un comunicado de prensa publicado en el sitio de la Institución Académica, afirmaron que los ahorros de costos potenciales, la mejora de la eficiencia energética, así como la amplia aplicación de esta tecnología son enormes.

Los nuevos sistemas que se están perfeccionando en la entidad académica son capaces de utilizar gran parte del calor residual que se desperdicia en los equipos de refrigeración para producir electricidad.

“Esto podría convertirse en una nueva fuente de energía muy importante y una forma muy efectiva de mejorar la eficiencia energética”, dijo Hailei Wang, uno de los mentores del proyecto.

“El prototipo muestra que estos sistemas funcionan tan bien como se esperaba que lo hicieran”, indicó el investigador.

Cabe destacar que desde la década del 80 se han desarrollado diversos sistemas para capturar y utilizar por lo menos parte del calor residual que se produce en la refrigeración. Sin embargo, el nuevo prototipo de la Universidad Estatal de Oregon puede hacerlo de una manera más eficiente que los métodos anteriores, es más compacto y, cuenta con una gran ventaja, tiene la capacidad de producir electricidad.

Este prototipo está compuesto por un sistema de refrigeración térmicamente activado y posee gran eficacia, ya que utiliza extraordinariamente pequeños microcanales que ayudan a afrontar mejor los retos rendimiento, es de tamaño pequeño y liviano.

Además, combina efectivamente un ciclo de compresión de vapor con uno de rankine orgánico.

La tecnología desarrollada por los investigadores ha logrado convertir 80 por ciento de cada kilovatio de calor residual en 1 kilovatio de capacidad de refrigeración. Los investigadores dicen que la eficiencia de conversión es de alrededor de un  15 a un 20 por ciento.

Perfiles de canal de vapor tomados por una curvatura que indica el perfilómetro óptico en los bordes

Fabricación del prototipo
Para eliminar las conexiones entre el lado del fluido de la caldera y el del líquido del recuperador y para reducir la pérdida de calor desde el dispositivo, la caldera de microcanal y recuperador fueron diseñados para ser una unidad integrada.

El recuperador microcanal contiene 40 capas de líquido de canal de cuña y 40 capas de vapor de canal de cuña. Cada una de éstas incluye 41 canales grabados en ella.

Del mismo modo, la caldera contiene 40 capas de suplemento líquido y 40 capas de suplemento de aceite. Ambos canales se diseñaron sobre la misma cuña, mientras que los canales de líquido y los canales de fluido de la caldera fueron diseñados en otra cuña. Ésta es grabada fotoquímicamente para obtener la anchura y profundidad del canal diseñado; luego se sembró con una capa delgada (de unas pocas micras) de níquel fósforo. Además de la cuñas, se utilizaron dos placas finales para intercalarlas.

Ciclo de poder presión-entalpíaFuente: Universidad Estatal de Oregon

Para garantizar el desempeño del recuperador dentro del sistema se parte de un diseño compacto sobre la siguiente base:

• Flujo totalmente desarrollado (ningún efecto de la longitud de entrada)
• Propiedades de los fluidos constantes (no se cambia la temperatura)
• Condiciones de los límites de flujo de calor (no hay conducción de calor, no hay pérdida de calor)
• El área de transferencia de calor se localiza en las paredes superiores e inferiores del canal (no hay paredes laterales)
• Distribuciones uniformes de fluido entre los canales
• Perfil rectangular para los canales

Finalmente, los científicos de la Universidad Estatal de Oregon explicaron que el desarrollo de este prototipo es sólo el comienzo, ya que más adelante los sistemas también podrían incorporarse a tecnologías de energías alternativas, como la solar o geotérmica.

Ciclo de enfriamiento presión-entalpíaFuente: Universidad Estatal de Oregon

Además, “podrían ser utilizados en automóviles híbridos. Al tomar el calor residual del motor de gasolina se podría recargar la batería que alimenta el vehículo”, explicó Wang, quien también expresó que se necesita una investigación continua para perfeccionar la tecnología y adaptarla a distintos usos.

“Sigue existiendo un gran potencial para reducir el consumo energético y las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la mejora de la eficiencia energética global de los distintos sistemas de energía. Una vía hacia la satisfacción de los dos caminos es desarrollar una tecnología capaz de recuperar el calor residual que de otra manera sería emanado a la atmósfera sin uso”, concluyeron.
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