Refrigeración activa

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El enfriamiento activo es un mecanismo de reducción de calor que generalmente se implementa en dispositivos electrónicos y edificios interiores para garantizar la transferencia y circulación adecuadas del calor desde el interior.

A diferencia de su contraparte , la refrigeración pasiva , la refrigeración activa depende completamente del consumo de energía para funcionar. Utiliza varios sistemas mecánicos que consumen energía para disipar el calor. Se implementa comúnmente en sistemas que no pueden mantener su temperatura a través de medios pasivos. Los sistemas de refrigeración activa generalmente se alimentan mediante el uso de electricidad o energía térmica, pero es posible que algunos sistemas se alimenten con energía solar o incluso energía hidroeléctrica. Deben recibir un buen mantenimiento y ser sostenibles para que realicen sus tareas necesarias o podrían ocurrir daños dentro de los objetos. Varias aplicaciones de los sistemas de refrigeración activa comerciales incluyen aires acondicionados de interior, ventiladores de computadora y bombas de calor. ^{[1] [2] [3]}

Muchos edificios requieren de altas exigencias en materia de refrigeración y hasta 27 de las 50 áreas metropolitanas más grandes del mundo se encuentran en zonas de clima cálido o tropical. Por ello, los ingenieros deben establecer el equilibrio térmico para garantizar una ventilación adecuada en toda la estructura.

La ecuación de balance térmico se da como:

${\displaystyle p\cdot c_{p}\cdot V\cdot dT/dt=E_{int}+E_{Conv}+E_{Vent}+E_{AC}}$

donde es la densidad del aire, es la capacidad calorífica específica del aire a presión constante, es la tasa de transferencia de calor , son las ganancias de calor internas, es la transferencia de calor a través de la envoltura, es la ganancia/pérdida de calor entre el aire interior y exterior, y es la transferencia de calor mecánica. ^[2]${\estilo de visualización p}$$estilo de visualización c_{p}}$$Estilo de visualización dT/dt$$Estilo de visualización E_ {int}$$Estilo de visualización E_{Conv}}$${\displaystyle E_{Vent}}$$Estilo de visualización E_{AC}}$

Con esto se puede determinar cuánta refrigeración se requiere dentro de la infraestructura.

Existen tres sistemas de refrigeración activa comúnmente utilizados en el sector residencial:

Un ventilador consta de tres o cuatro aspas que giran mediante un motor eléctrico a una velocidad constante. Durante el giro, se produce un flujo de aire y se enfría el entorno mediante el proceso de transferencia de calor por convección forzada. Debido a su precio relativamente bajo, es el más utilizado de los tres sistemas de refrigeración activa en el sector residencial.

Una bomba de calor utiliza electricidad para extraer calor de un área fría a un área cálida, lo que hace que el área fría baje su temperatura y el área cálida aumente su temperatura. ^{[4] [5]}

Existen dos tipos de bombas de calor: ^[6]

Las bombas de calor de compresión, la variante más popular de las dos, funcionan mediante el uso del ciclo del refrigerante. El refrigerante en forma de vapor en el aire se comprime a medida que aumenta su temperatura, lo que crea un vapor sobrecalentado. Luego, el vapor pasa por un condensador y se convierte en líquido, disipando más calor en el proceso. Al viajar a través de la válvula de expansión, el refrigerante líquido forma una mezcla de líquido y vapor. A medida que pasa por el evaporador, se forma refrigerante en forma de vapor y se expulsa al aire, repitiendo el ciclo del refrigerante.

El proceso de la bomba de calor de absorción funciona de manera similar a la variante de compresión, con la principal diferencia en el uso de un absorbedor en lugar de un compresor. El absorbedor absorbe el refrigerante en forma de vapor y crea una forma líquida que luego viaja hacia la bomba de líquido para convertirse en vapor sobrecalentado. La bomba de calor de absorción utiliza tanto electricidad como calor para su funcionamiento, en comparación con las bombas de calor de compresión que solo utilizan electricidad. ^[2]

Un enfriador evaporativo absorbe el aire exterior y lo pasa a través de paneles saturados de agua, reduciendo la temperatura del aire a través de la evaporación del agua. ^[7]

Se puede dividir por:

Este método evapora el agua, que luego se desplaza directamente a la corriente de aire y produce una pequeña cantidad de humedad. Por lo general, requiere un consumo considerable de agua para reducir adecuadamente la temperatura del área circundante.

Este método evapora el agua en una segunda corriente de aire y luego la hace pasar por un intercambiador de calor, lo que reduce la temperatura de la corriente de aire principal sin agregar humedad. En comparación con los enfriadores evaporativos directos, requiere mucho menos consumo de agua para funcionar y reduce la temperatura. ^[2]

Además del uso comercial normal del enfriamiento activo, los investigadores también están buscando formas de mejorar la implementación del enfriamiento activo en diversas tecnologías.

El generador termoeléctrico , o TEG, es una fuente de energía con la que se ha experimentado recientemente para probar su viabilidad en el mantenimiento de la refrigeración activa. Es un dispositivo que hace uso del efecto Seebeck para convertir la energía térmica en energía eléctrica. Las aplicaciones de la fuente de energía se encuentran más comúnmente en tecnologías que requieren alta potencia. Algunos ejemplos incluyen sondas espaciales, aviones y automóviles.

En una investigación de 2019, se probó la viabilidad del enfriamiento activo con TEG. ^{[ cita requerida ]} La prueba se aplicó en una Raspberry PI3 , una pequeña computadora de placa única, equipada con un ventilador alimentado por TEG y se comparó con otra alimentada por un enfriador pasivo comercial. A lo largo de la investigación, se observaron y registraron el voltaje, la potencia y la temperatura en ambas Raspberry PI. Los datos mostraron que a lo largo de la prueba comparativa, la Raspberry PI3 alimentada por TEG se estabilizó a una temperatura unos pocos grados Celsius más baja que la Raspberry PI3 con enfriamiento pasivo. La energía producida por el TEG también se analizó para medir la posibilidad de que el ventilador tenga capacidades autosostenibles. Actualmente, usar solo TEG para alimentar el ventilador no es suficiente para ser completamente autosostenible porque carece de suficiente energía para el arranque inicial del ventilador. Pero, con la implementación de un acumulador de energía, sería posible. ^{[ cita requerida ]}

La generación de energía de TEG se da como:

${\displaystyle P_{TEG}\rightarrow {flujo de aire del ventilador \sobre la potencia del ventilador}\rightarrow \suma R_{térmica}\rightarrow \bigtriangleup T_{TEG}\rightarrow P_{TEG}}$

donde es la potencia generada por TEG, es la resistencia térmica y es la temperatura del TEG.$Estilo de visualización P_ {TEG}}$${\displaystyle R_{térmico}}$$Estilo de visualización T_{TEG}$

Con base en el resultado, se ha demostrado que el enfriamiento activo del generador termoeléctrico reduce y mantiene eficazmente las temperaturas de manera comparable al uso comercial de refrigeradores pasivos. ^{[8] [9] [10]}

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El enfriamiento activo por inmersión cercana, o NIAC, es una técnica de gestión térmica que se ha investigado recientemente en un esfuerzo por reducir la cantidad de acumulación de calor generada por la fabricación aditiva por arco y alambre, o WAAM (una tecnología de impresión 3D de metal). El NIAC utiliza un líquido refrigerante que rodea el WAAM dentro de un tanque de trabajo y aumenta el nivel de agua cuando se deposita el metal. El contacto directo con el líquido permite una rápida retirada del calor del WAAM, lo que reduce la temperatura en una cantidad significativa. ^[11]

En un experimento de 2020, los investigadores querían descubrir la viabilidad de utilizar el NIAC y probar sus capacidades de enfriamiento. El experimento comparó la eficacia de la mitigación de la temperatura generada por el WAAM entre el enfriamiento natural, el enfriamiento pasivo y el enfriamiento activo de inmersión cercana. El enfriamiento natural utilizó aire, el enfriamiento pasivo utilizó un líquido refrigerante que permanece en un nivel fijo y el NIAC utilizó un líquido refrigerante que aumenta en función de las acciones del WAAM. ^[11]

Se utilizaron las siguientes pruebas para medir la viabilidad del uso de NIAC: ^[11]

• Análisis térmico : En el análisis térmico, hubo una disparidad significativa de calor entre NIAC y los otros tipos de enfriamiento, siendo NIAC el que enfrió la tecnología a un ritmo mucho más rápido.
• Calidad geométrica: En cuanto a la calidad geométrica de las paredes, NIAC tenía la pared más delgada y más alta, lo que demuestra la gran durabilidad del WAAM cuando se utiliza enfriamiento activo.
• Evaluación de la porosidad: La evaluación de la porosidad mostró que el enfriamiento activo contenía el nivel de porosidad más bajo. Un nivel de porosidad alto tiene efectos adversos en las propiedades mecánicas, como ductilidad limitada. ^[12]
• Propiedades mecánicas: El NIAC tiende a igualar las propiedades mecánicas, especialmente la ductilidad , en contraste con el enfriamiento natural y pasivo.

Concluyeron que el NIAC es viable y comparable a los métodos de enfriamiento convencionales, como el enfriamiento pasivo y natural. ^[11]

Generalmente, se compara la refrigeración activa con la pasiva en diversas situaciones para determinar cuál ofrece una forma de refrigeración mejor y más eficiente. Ambas son viables en muchas situaciones, pero, dependiendo de varios factores, una podría ser más ventajosa que la otra.

Los sistemas de refrigeración activa suelen ser mejores en términos de reducción de temperatura que los sistemas de refrigeración pasiva. La refrigeración pasiva no utiliza mucha energía para su funcionamiento, sino que aprovecha la refrigeración natural, que tarda más en enfriarse durante un largo período de tiempo. La mayoría de las personas prefieren el uso de sistemas de refrigeración activa en climas cálidos o tropicales que la refrigeración pasiva debido a su eficacia para reducir la temperatura en un corto intervalo de tiempo. En las tecnologías, ayuda a mantener las condiciones térmicas adecuadas, evitando el riesgo de daños o sobrecalentamiento de los sistemas operativos centrales. Es capaz de equilibrar mejor la generación de calor de la tecnología, manteniéndola de manera constante. Algunos sistemas de refrigeración activa también contienen la posibilidad de ser autosostenibles como se muestra en la aplicación del generador termoeléctrico en comparación con la refrigeración pasiva, donde depende en gran medida de los medios naturales para funcionar. ^{[9] [11]}

Los problemas con la refrigeración activa en comparación con la refrigeración pasiva son principalmente los costos financieros y el consumo de energía. Debido al alto requerimiento de energía de la refrigeración activa, se vuelve mucho menos eficiente energéticamente y menos rentable. En un entorno residencial, la refrigeración activa generalmente consume una gran cantidad de energía para proporcionar suficiente refrigeración en todo el edificio, lo que aumenta los costos financieros. Los ingenieros del edificio tendrían que tener en cuenta que un aumento en el consumo de energía también jugaría un papel en afectar negativamente al clima global. ^[2] En comparación con la refrigeración activa, la refrigeración pasiva se ve más utilizada en lugares con temperaturas medias o bajas.

• Enfriamiento
• Refrigeración pasiva
• Refrigeración radiactiva pasiva diurna