Análisis computacional de un sistema termoeléctrico para la mejora de un ciclo de refrigeración de CO2 transcrítico

Abstract

El fundamento para este estudio parte del interés que existe en las empresas por disminuir los costes y mejorar la eficiencia en sus sistemas de refrigeración. De este modo, buscan una mayor competitividad comercial debido a que estos sistemas poseen un consumo eléctrico muy elevado. Además, como urgencia global, el desarrollo de nuevas tecnologías persigue la implementación de medidas medioambientales que ofrezcan un equilibrio entre la producción industrial y un uso más sostenible de los recursos. A día de hoy, las regulaciones ambientales restrictivas en la utilización de refrigerantes se han visto incrementadas. Concretamente, el CO2 se está utilizando como fluido de trabajo por tener un poder de calentamiento atmosférico mucho más bajo que otros fluidos industriales. El principal conflicto al que se enfrenta el uso de CO2 como refrigerante son sus altas temperaturas de trabajo, las cuales brindan carácter transcrítico al fluido. Ello conlleva una difícil adaptación de los componentes de sistema y un descenso en la eficiencia de este. La solución a este problema reside en la adición de un intercambiador recalentador-subenfriador termoeléctrico (IHX) a la salida del condensador y el evaporador, dentro del sistema de compresión de vapor, cuyo fin es incrementar la eficiencia del sistema contando con dicha fase transcrítica. De esta forma, es posible la obtención de diseños fiables y de presupuesto reducido para sistemas de media y pequeña potencia. Es por ello de gran interés el estudio de este tipo de intercambiadores, variando el voltaje de sus módulos termoeléctricas para la obtención de ciclos de refrigeración más eficientes. Así, comprobando que la eficiencia obtenida compensa el consumo aportado por termoelectricidad.

The goal for this study is based on the interest that exists in companies to reduce the costs of their refrigeration systems and increase their efficiency. In this way, they seek greater commercial competitiveness because these systems have a very high electricity consumption. Furthermore, as a global urgency, the development of new technologies pursues the implementation of environmental measures that offer a balance between industrial production and a more sustainable use of resources. To date, restrictive environmental regulations in the use of refrigerants have been increased. Specifically, CO2 is being used as a working fluid because it has a much lower global warming potential than other refrigerant fluids. The main conflict faced by the use of CO2 as a refrigerant is its high working temperatures, which provide a transcritical character to the fluid. This entails a difficult adaptation of the system components and a decrease in its efficiency. The solution to this problem lies in the addition of a thermoelectric superheater-subcooler exchanger (IHX) at the outlet of the condenser and the evaporator, within the vapor compression system, whose purpose is to increase the efficiency of the system by counting on said transcritical phase. In this way, it is possible to obtain reliable and low-budget designs for medium and small power systems. For this reason, the study of this type of exchangers is of great interest, varying the voltage of their thermoelectric modules to obtain more efficient refrigeration cycles. Thus, checking that the efficiency obtained compensates for the consumption provided by thermoelectricity.