Caracterización experimental de los disipadores de calor de un subenfriador termoeléctrico incluido en un ciclo de CO2 transcrítico

Abstract

Actualmente, la dirección de la normativa reguladora sobre fluidos refrigerantes hacia el empleo de fluidos con un bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA), revela la necesidad de encontrar refrigerantes sostenibles. En esta línea, estudios han determinado que el CO2 parece el candidato idóneo como refrigerante sostenible, dado que conjuga un bajo PCA ,con no ser nocivo para el ser humano. Sin bien, se conoce que las condiciones transcríticas de su uso, especialmente en climas cálidos, hace que el Coeficiente de Operación (COP) de estas instalaciones, decrezca drásticamente, poniendo de manifiesto la necesidad de estudiar nuevas configuraciones que permitan el empleo de este fluido, con temperaturas ambiente elevadas. Partiendo de esta última premisa, el Grupo de Investigación de Ingeniería Térmica y de Fluidos (ITF) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), tras comprobar el aumento de COP en un modelo teórico, ha puesto en marcha la construcción de un prototipo de sistema de refrigeración de CO2 transcrítico en el que se incluye el subenfriamiento termoeléctrico. Para que el subenfriamiento termoeléctrico repercuta positivamente en el COP de la instalación, se debe maximizar el COP de los módulos, minimizando la diferencia de temperaturas entre las caras de estos. Ante esta necesidad, se centra el desarrollo de este proyecto; el cual se fundamenta en el estudio de la implantación de un disipador de calor en la cara caliente del subenfriador termoeléctrico. Para ello, se han buscado dentro del mercado los disipadores de calor que se ajustaban a las necesidades del prototipo, caracterizando térmicamente seis de ellos, los cuales han sido posteriormente analizados uno por uno con el fin de comprobar la viabilidad de implantarlos en el subenfriador termoeléctrico (a partir de ahora, TESC) y con ello, mejorar el COP de la instalación. Una vez seleccionado el más adecuado para este uso, se procedió a caracterizarlo hidráulicamente, para así definirlo completamente, posibilitando su implantación en el prototipo.

Currently, the direction of the regulatory directives on refrigerant fluids towards the use of fluids with a low Global Warming Potential (GWP), reveals the need to find sustainable refrigerants. Hence, studies have determined that CO2 seems the ideal candidate as a sustainable refrigerant, since it combines a low GWP, with been harmless to humans. However, it is known that the transcritical conditions of its use, especially in hot climates, causes the Coefficient of Operation (COP) of these facilities to decrease dramatically, highlighting the need to study new configurations that allow the use of this fluid with high ambient temperatures. Based on this last premise, the Thermal and Fluid Engineering Research Group (ITF) of the Public University of Navarra (UPNA), after verifying the increase in COP in a theoretical model, has started the construction of a prototype of transcritical CO2 refrigeration system that includes thermoelectric subcooling. In order that the thermoelectric subcooling have a positive effect on the COP of the installation, the COP of the modules must be maximized, minimizing the temperature difference between their faces. The development of this project is focus on facing this need, been based on the study of the implantation of a heat sink on the hot side of the thermoelectric subcooler. For this, the heat sinks that fit the needs of the prototype have been searched within the market, thermally characterizing six of them, which have subsequently been analysed one by one to verify the viability of implanting them in the thermoelectric subcooler. (from now on, TESC) and thereby improve the COP of the facility. Once the most suitable one was selected for this use, it was hydraulically characterized, to define it completely, allowing its implantation in the prototype.