Una startup utiliza los servicios de ingeniería de Simcenter y Simcenter STAR-CCM+ para desarrollar una bomba de calor que reduce los costes de energía

Ya no es una «auténtica lástima»

La mayoría de los hogares estadounidenses se calienta con un horno o una caldera. Una pequeña parte de los hogares emplea bombas de calor que utilizan energía (normalmente electricidad) para trasladar el calor ambiental del exterior al interior. Los sistemas de hornos y calderas de alto rendimiento siguen siendo caros y requieren temperaturas de calentamiento bajas para mantener el máximo rendimiento; en condiciones de carga térmica elevada, el rendimiento suele bajar. Las bombas de calor eléctricas están disponibles desde hace muchos años, pero no han tenido una aceptación generalizada debido a su escaso rendimiento en climas fríos. La eficacia disminuye a bajas temperaturas, cuando más se necesita el calor, lo que requiere combustible suplementario o calentamiento por resistencia que puede aumentar los costes.

Los acondicionadores de aire son bombas de calor que transfieren el calor de los ambientes más fríos a los más calientes. La gran mayoría de los sistemas de aire acondicionado utiliza un ciclo de compresión de vapor, con una pequeña instalación de sistemas de absorción, y representan la mayor parte de la electricidad consumida en una vivienda (22 %). Los sistemas de aire acondicionado son principalmente eléctricos y funcionan durante los meses de verano, por lo que necesitan electricidad cuando está menos disponible y es más cara. Los sistemas de compresión de vapor también utilizan refrigerantes que plantean diversos problemas medioambientales, como el agotamiento de la capa de ozono y los gases de efecto invernadero.

ThermoLift empezó su singladura como una conversación entre amigos y colegas en otras empresas, el Dr. Peter Hofbauer y Paul Schwartz, a principios de 2012. Estas personas debatían sobre una tecnología de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) que podría cambiar la forma en que los edificios utilizan la energía. Hofbauer se lamentó: «Es una auténtica lástima que no se desarrolle la tecnología». Ese fue el catalizador para que Schwartz empezara a trabajar en su sótano de Long Island, Nueva York, e iniciara la fase de desarrollo empresarial con el fin de identificar capital inicial para crear ThermoLift.

ThermoLift tiene su sede en el Advanced Energy Center de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, cuenta con 20 empleados a tiempo completo y ha obtenido casi 20 millones de dólares de financiación; por ejemplo, del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU y el Instituto de Investigación y Desarrollo del Estado de Nueva York (NYSERDA). El sistema ThermoLift es un acondicionador de aire y bomba de calor. Funciona con gas natural y puede sustituir los sistemas de calefacción, refrigeración y agua caliente de un edificio con un solo aparato. Este aparato está relacionado con una bomba de calor de ciclo Vuilleumier (VHP), pero utiliza TC-Cycle™, un ciclo modificado que aumenta aún más las ventajas respecto a una VHP. De este modo, reduce los costes de consumo de energía de calefacción y refrigeración de los edificios y las emisiones de gases de efecto invernadero.

Imagen 2: La innovadora bomba de calor de generación 1.0 de ThermoLift.

Bombas de calor Vuilleumier

La tecnología ThermoLift surgió a partir de la VHP, que es un motor térmico acoplado a una bomba de calor. Una VHP mueve un gas de trabajo, como el helio, entre tres cámaras dentro de un sistema cerrado. En la VHP, dos desplazadores sincronizados con el cigüeñal giran alternativamente dentro de un cilindro para mover el gas de trabajo entre cámaras separadas caliente, templada y fría. El ciclo termodinámico utiliza el enfriamiento por expansión de los gases para crear una temperatura fría en la cámara fría. La energía procedente de la compresión térmica y la combustión de un combustible (o de la captación solar) en el extremo caliente proporciona temperaturas templadas en la cámara caliente, que pueden utilizarse para la calefacción de espacios o el suministro de agua caliente. El dispositivo ThermoLift es diferente de la VHP porque los desplazadores se controlan de manera independiente mediante mecatrónica para controlar mejor el movimiento del desplazador y, por lo tanto, el ciclo termodinámico.

Esta diferencia de temperatura entre la cámara fría y el ambiente, incluso a temperaturas ambiente bajas, puede aprovecharse para extraer calor del ambiente a fin de calentar el espacio y el agua caliente. La bomba de calor de ThermoLift es una forma muy eficaz de captar energía térmica, a diferencia de las bombas de calor tradicionales, que utilizan electricidad, una energía de alta calidad que se ha generado a partir de energía térmica para desarrollar calor, una energía de baja calidad. La bomba de calor de ThermoLift solo utiliza calor y evita las pérdidas de energía asociadas a la conversión, distribución y cambios de fase de los sistemas convencionales de bomba de calor basados en compresores

La bomba de calor de ThermoLift utiliza TC-Cycle para incorporar varias innovaciones que mejoran el rendimiento y reducen los costes. Ya se ha diseñado, construido y probado el prototipo de primera generación de este sistema. Incluye innovaciones como un quemador de combustión de emisiones ultra bajas, actuadores controlados electrónicamente para mejorar la eficiencia del ciclo e intercambiadores de calor de última generación. Con estas mejoras, se espera que el dispositivo VHP de nueva generación supere a los equipos de HVAC y agua caliente sanitaria de última generación disponibles, que aumente considerablemente la eficacia operativa del proceso termodinámico y que, al mismo tiempo, reduzca los costes y las emisiones de dióxido de carbono

Imagen 4: Gráfico de la cronología de los monitores de transmisión de calor crítico.

Datos y pruebas de construcción de la primera generación

ThermoLift ha construido y probado tres generaciones de su prototipo TC-Cycle como parte de anteriores programas de subvenciones del DOE y NYSERDA. El desarrollo de Gen 1.0, la primera generación de ThermoLift, se centró en el diseño de un accionamiento electromecánico como alternativa a las VHP sincronizadas con el cigüeñal, que presentaban problemas de coste y durabilidad y comprometían la termodinámica del sistema debido al control limitado sobre el movimiento del desplazador. A partir de los conocimientos adquiridos con Gen 1.0, ThermoLift completó el desarrollo del prototipo Gen 2.0, el cual se demostró en octubre de 2016 a representantes del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). El prototipo Gen 3.0 de ThermoLift superó satisfactoriamente las pruebas del ORNL en agosto de 2018.

La mayor calidad y fiabilidad de los datos de la unidad Gen 2.0 ha facilitado las simulaciones y el rendimiento. En julio de 2017, ThermoLift logró un importante hito técnico, denominado aterrizaje suave de los desplazadores, al oscilar de un extremo a otro, que ha eliminado el ruido de la máquina y ha permitido tiempos de funcionamiento fiables y continuos (más de 10 horas). ThermoLift tenía previsto ensamblar varios prototipos Gen 3.0 y demostrar un rendimiento de alta fidelidad en pruebas de laboratorio y alfa en 2018.

Ampliar el proceso de diseño basado en la simulación

En 2016, ThermoLift empezó a trabajar con Siemens Digital Industries Software para ampliar el proceso de diseño basado en la simulación. Al desarrollar una tecnología innovadora como ThermoLift, el desarrollo inicial de prototipos puede resultar costoso si se depende de datos de pruebas experimentales. En la fase inicial de desarrollo, hay que evaluar muchos diseños conceptuales, a menudo probando diferentes ideas fundamentales. El hecho de construir y probar estos prototipos puede suponer un riesgo considerable para una startup. Se requiere una fuerte inversión en recursos e instalaciones con un rendimiento incierto.

La simulación puede proporcionar respuestas rápidas y rentables. Se pueden evaluar varios conceptos de diseño y sus índices clave de rendimiento, y eliminar los diseños de bajo rendimiento antes de fabricar un prototipo.

Diseñar y simular sistemas complejos puede ser caro y complicado. Ingenieros de todo el mundo usan V-Cycle (Imagen 2) para el desarrollo de productos digitales. La idea es tener varios niveles de detalle y complejidad en el proceso de diseño, desde el concepto global y los módulos hasta los componentes individuales. Al principio, destaca un amplio diseño conceptual del sistema. Todo el sistema consta de varios módulos, como intercambiadores de calor, regeneradores y desplazadores. El nivel más detallado es el de los componentes, que implica el diseño de componentes pequeños como boquillas, orificios o aletas de intercambiadores de calor.

Durante este proceso, los diseños se crean de arriba abajo; desde la disposición básica hasta el diseño de módulos y componentes. El proceso de verificación mediante simulación funciona en sentido inverso, cuando se verifican y optimizan los componentes y módulos, lo que da como resultado un sistema global mejorado. Es decir, si los módulos que componen un sistema funcionan mejor, el sistema en su totalidad funcionará mejor.

ThermoLift y los servicios de ingeniería de Simcenter™ adoptaron este enfoque para reducir considerablemente el tiempo de desarrollo y ahorrar en la creación de prototipos. Hasta 2016, el equipo de desarrollo de ThermoLift había realizado extensas simulaciones en 1D de su exclusivo ciclo termodinámico. La cuestión era cómo predecir los procesos físicos en 3D. El intercambiador de calor caliente es uno de los módulos esenciales de la bomba de calor de ThermoLift. Es el único subsistema en el que entra energía procedente de combustibles fósiles y es fundamental conseguir una alta eficiencia.

Cuanto más calor pueda transferirse al gas helio del interior, mayor será la eficiencia global (Imagen 1). Es básico conocer a fondo la física y la trayectoria de la energía desde el quemador hasta el lado del helio caliente, y captar la combustión, la radiación y la transferencia de calor convectiva y conjugada. Además, el desplazador caliente alternativo introduce un dominio en movimiento, lo que exige un análisis transitorio que requiere mayores recursos informáticos de alto rendimiento. Encontrar una solución de simulación para modelar la compleja física combinada con dominios en movimiento fue el reto. La solución que ofrecieron los servicios de ingeniería de Simcenter, fue el software Simcenter STAR-CCM+™, un producto del portfolio de Simcenter. Simcenter STAR-CCM+ es una solución integral que ofrece una simulación multidisciplinar precisa y eficaz en una única interfaz de usuario.

Imagen 5: Distribución del flujo de calor por radiación y líneas de flujo.

Análisis transitorio del intercambiador de calor caliente

El objetivo principal de este análisis era dar información detallada de la transferencia de calor desde el quemador hasta el lado del helio caliente. Para ello fue necesario modelar la radiación, la convección y la conducción en la cámara del quemador y el intercambiador de calor dentro de la cámara de helio caliente, así como el movimiento alternativo del desplazador. Se construyó un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) de transferencia de calor conjugada a partir de los datos nativos de diseño asistido por ordenador (CAD) del software Pro/E®. Para modelar el movimiento recíproco del desplazador, se utilizó la exclusiva tecnología de malla superpuesta de Simcenter STAR-CCM+. Se modelaron todos los modos de transferencia de calor y todos los fluidos se trataron como gas ideal. Las condiciones de contorno cíclicas de las simulaciones en 1D se aplicaron en la salida de helio, donde el intercambiador de calor caliente conecta con la primera etapa del regenerador.

En el sistema, hay una combinación de procesos transitorios y estacionarios. Aunque el quemador de combustión suministra calor constante, la transferencia de calor al helio es un proceso cíclico impulsado por el desplazador alternativo. A medida que el sistema se calienta, al final se alcanza un estado cuasi estacionario en el que la transferencia de calor se equilibra en cada ciclo de repetición. Esto requiere largas simulaciones de transitorios, que se completaron con clústeres de ordenadores de alto rendimiento de Siemens Digital Industries Software como parte de este proyecto de cooperación. La Imagen 4 muestra la cronología de la transferencia de calor a través de las interfaces de los componentes críticos del quemador al helio. Después de 15-20 ciclos, las transferencias de calor se vuelven cíclicas y pueden obtenerse datos de rendimiento promediados por ciclos. Los datos podrían predecir indicadores clave de rendimiento, como la eficacia del intercambiador de calor y la pérdida de calor, para evaluar este diseño de Gen 2.

La Imagen 5 muestra la distribución volumétrica de la temperatura de los gases de escape y del helio en el interior de la máquina cuando el desplazador se mueve hacia abajo. La Imagen 6 muestra la distribución del flujo térmico de radiación límite en el intercambiador caliente orientado hacia el quemador. Las líneas de flujo muestran el recorrido del gas de escape desde el quemador a través del diseño del canal en espiral coloreado según la temperatura. Esto permite saber dónde pierde temperatura el gas hacia el intercambiador de calor caliente.

Imagen 6: Distribución volumétrica de la temperatura de los gases de escape y del helio.

Asociarse con los servicios de ingeniería de Simcenter

Los resultados del análisis transitorio del intercambiador de calor caliente efectuado por los servicios de ingeniería de Simcenter ayudaron al equipo de diseño de ThermoLift a identificar los datos esenciales de rendimiento, además de los problemas y las causas:

• La temperatura de los gases de escape era demasiado alta al salir del intercambiador de calor. Esto dio lugar a un calentador de precombustión que recuperaba el exceso de calor para devolverlo al sistema

• La transferencia total de calor al helio era demasiado baja para alcanzar los objetivos de rendimiento. Se ha desarrollado un intercambiador de calor tubular más complejo (Imagen 1)

• La transferencia de calor por radiación al intercambiador de calor contribuyó de forma decisiva a la aportación total de calor

Cambiar potencialmente la forma en que los edificios utilizan la energía

Siemens Digital Industries Software y ThermoLift siguen colaborando para ampliar el proceso de diseño basado en la simulación de la empresa. Con la transferencia continua de tecnología y el respaldo de los servicios de ingeniería de Simcenter, los integrantes del equipo de simulación de ThermoLift se han convertido en usuarios experimentados de Simcenter STAR-CCM+. Ahora, cada día simulan y desarrollan componentes. Siemens apoya y desarrolla una hoja de ruta para orientar el crecimiento continuo y la mejora de los procesos en ThermoLift mediante:

• Integración de más componentes en la simulación. El objetivo es modelar toda la máquina en 3D

• Integración de la optimización automatizada del diseño. En lugar de limitarse a evaluar los diseños elegidos, pueden dejar que la simulación dirija el proceso de diseño

• Proporcionar servicios de análisis y recursos informáticos de alto rendimiento para grandes simulaciones y, al mismo tiempo, mantener los costes bajos sin dejar de pensar a lo grande

La tecnología de ThermoLift puede reducir potencialmente el consumo y los costes energéticos de calefacción y refrigeración de los edificios, así como las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas. Eso podría cambiar la forma en que los edificios utilizan la energía en el futuro y contribuir a un mundo más verde.