Literature Review: Small-Scale Heat Pumps/es

Antecedentes

Las bombas de calor se pueden utilizar como un sistema alternativo de calefacción y refrigeración para reducir la cantidad de combustible fósil que se utiliza para realizar tareas similares. El objetivo de esta página es investigar la viabilidad y las aplicaciones actuales y futuras de los sistemas de bombas de calor a menor escala.

Diseño y fabricación de un motor de capacitancia variable de escala media para bombas de calor en miniatura

R. Agrawal, Q. Hasan, N. Ashraf, , “Diseño y fabricación de un motor de capacitancia variable de escala media para bombas de calor en miniatura”. , Journal of Micromechanics and Microengineering, 13(1), 2002

Mini motor para refrigeración
utilizando VCM (motor de capacitancia variable) basado en silicio
Fabricación mediante el método de panqueque: diseño de muchas máscaras (18,18 mm x 18,104)
4 máscaras utilizadas para rotor y estator
- barra de conexión de la almohadilla del estator
- capa dieléctrica del estator
- almohadilla del estator
- Pastillas de rotor
- capa de carbono
Posible diseño para un sistema pequeño

Diseño, fabricación y demostración experimental de una bomba de calor de absorción modular monolítica a microescala

Matthew D. Determan, Srinivas Garimella, "Diseño, fabricación y demostración experimental de una bomba de calor de absorción modular monolítica a microescala" , Ingeniería térmica aplicada, 47, 119-125, 2012

micro absorción HP
Fabricación y pruebas documentadas
- Dimensiones: (200 x 200 x 34 mm), 7 kg
- HX/MX formado por pilas de metal fino
- pila completa formada por placas con componentes grabados (40 en total, 20 de cada una):
  - SHIM A: condensador, refrigerante HX, evaporador, absorbedor, rectificador, desorbedor, solución HX
  - SHIM B: configuración similar
Descripciones de intentos previos de sistemas de refrigeración portátiles
Viabilidad sobre rendimiento (136-300 W de refrigeración para una entrada de calor de 500-800 W)

Diseño, investigación experimental y optimización multiobjetivo de un compresor radial de pequeña escala para aplicaciones de bombas de calor

J. Schiffmann, D.Favrat, "Diseño, investigación experimental y optimización multiobjetivo de un compresor radial a pequeña escala para aplicaciones de bombas de calor" , Energy, Vol 35(1), 436-450, 2010

Investigación (revisión y diseño) de las razones de las diferencias de eficiencia entre máquinas turbo grandes y pequeñas
compresor turbo radial
Factores limitantes identificados:
- número de Reynolds, rugosidad superficial
  - aumenta con impulsores más pequeños
- Despeje de la punta
  - deteriorado si es grande, evitar con cojinetes adecuados
- tamaño de la característica
  - Problemas con el escalamiento y el proceso de fabricación.
- efecto no adiabático
  - Importante para sistemas con fuentes calientes muy próximas entre sí
  - o escape de alta temperatura
Se utilizó un banco de pruebas para determinar si el modelo y el diseño funcionan.
- Unidad compresora, válvula de expansión, HX, separador en ciclo principal
- 2do ciclo para refrigerante, para sección de cojinetes
Los resultados indican que un impulsor puede ser insuficiente para un HP
Climas templados: diseño A12
Climas más fríos: diseño A-12

Medición y análisis del rendimiento a largo plazo de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre a pequeña escala

Hao Liu, Hongyi Zhang y Saqib Javed, "Medición y análisis del rendimiento a largo plazo de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre a pequeña escala" , Energies, vol. 13(17), 4527, 2020

describe los esquemas de límites del sistema utilizados para evaluar el sistema HP
- proporciona factores de rendimiento
Experimento realizado en un edificio de una casa club en Suecia (mediciones durante tres años)
- GSHP utilizado para calentar agua y aire en edificios
- La parte del sistema de agua es menos eficiente que la calefacción del espacio.
- Superficie construida de 240 m²
configuración:
- Compresor de 5 kW
- Calefacción auxiliar de 6 kW
- 2x bomba de circulación
- Conectado a 2 tanques de almacenamiento intermedio (500 L)
- Intercambiador de calor terrestre, tubo en U con etanol/agua, 230 m de profundidad en el suelo
detalles:
- alta demanda de agua caliente
- Calentador auxiliar (3 kW) en el tanque de agua caliente, protección contra legionela
consumo (electrico):
- 9,3-10,5 MWh/año en total
- Compresor: 4,9-5,7 MWh/año
- Calentador auxiliar: 2,1-2,6 MWh/año
- Bombas: 1,2-1,4 MWh/año
- Calentador auxiliar con bomba de calor: <1 MWh/año excepto 2014 (1,6 MWh)

Diseño, fabricación y estudio experimental de un sistema de bomba de calor basado en energía solar fotovoltaica/tubo de calor de bucle cerrado

Xingxing Zhang, Xudong Zhao, Jingchun Shen, Xi Hu, Xuezhi Liu y Jihuan Xu, "Diseño, fabricación y estudio experimental de un sistema de bomba de calor basado en tubos de calor de circuito cerrado y fotovoltaico solar" , Solar Energy, 97, 551-568, 2013

Descripción de la fabricación
Enfriamiento de PV y uso de calor para calentar agua del grifo
- COPth = 5,51
- COPpv/t = 8,71
- La ganancia de calor del agua es en promedio 146,86 W (durante la duración de la prueba) (501,107 BTU/h)
Tubo de calor (LHP), naves espaciales, aplicaciones de iluminación con bomba de calor agregada
- Separación vapor-líquido (circuito cerrado)
- incluye:
  - evaporador
  - líneas de vapor/líquido
  - placa plana HX
  - Malla de cobre utilizada para minimizar la transferencia de calor radial.
  - Fluido de trabajo: mezcla de 95%/5% de agua y glicol
  - hirviendo creando vacío, escape lejos de hervir

Caracterización de un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor solar fotovoltaica/circuito de tubos de calor

Xingxing Zhang, Xudong Zhao, Jihuan Xu y Xiaotong Yu, "Caracterización de un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor de circuito cerrado/fotovoltaica solar" , Applied Energy, 102, 1229-1245, 2013

revisión del sistema
- eficiencia eléctrica: 10%
- Eficiencia térmica: 40%
- Eficiencia general: 50%
Sistema basado en tubos de calor
- Eficiente para la transferencia de calor
- El sello evita fugas
- distribución uniforme del calor
- 2 fases, en bucle
componentes
- Unidad evaporadora integrada en las placas fotovoltaicas
- placa plana HX
- Colector solar fotovoltaico
- control/almacenamiento (electricidad)
- Tanque de agua caliente (100L)
- compresor
- condensador en tanque (serpentín)
- Fluido de trabajo (95%/5% glicol y agua)
- controlador (12 V)
- Convertidor CC/CA (500 W)
- batería (12 V)
- materiales de aislamiento (espuma de poliuretano)
Comparación del modelo teórico (informático) y experimental para sistemas
- Modelo experimental probado en interior en condiciones controladas (durante un mes, desde las 9 de la mañana hasta las 8 de la tarde)
También tenemos una bomba de calor de 1kW con refrigerante (R134a) (3412,142 BTU/h)
- El 85% de la electricidad se utiliza para el funcionamiento.
Sugerencias de optimización incluidas
- 2 LHP bajo PV
- Temperatura de evaporación de 5 a 10 grados C.

Tubo de calor de dióxido de carbono en combinación con una bomba de calor geotérmica (GSHP)

Karl Ochsner, "Tubo de calor de dióxido de carbono en combinación con una bomba de calor geotérmica (GSHP)" , Ingeniería térmica aplicada, vol (28) 16, 2077-2082, 2008

VGSHP
- Usando CO2 y tierra para transferir calor a R407c
Ingesta subcrítica, salida transcrítica-supercrítica
- Uso de CO2 en el interior del tubo
  - se difunde a través del polietileno
- El tubo de calor es un tubo de acero corrugado de 2 fases.
  - Descripción de las consideraciones de diseño: 1 tubería o múltiples
  - Necesita un diámetro suficiente para evitar la evaporación prematura (40 mm en el ejemplo).
  - longitud = 100 m
- El sistema HP utilizó R407c
  - tubo helicoidal HX
Cuenta de instalación en el norte de Austria
- Carga de calefacción = 33 W/m^2, 160 m^2 (18.016,107 BTU/h)
- Para calentar espacios
- Pesos fijados a la tubería subterránea

Estudio experimental de una máquina de refrigeración con ciclo eyector que funciona con R113

Nehad Al-Khalidy, "Un estudio experimental de una máquina de refrigeración con ciclo eyector que funciona con R113" , International Journal of Refrigeration, vol(21) 8, 617-625, 1998

ciclo de eyector probado
- Influencia de la temperatura evaluada:
  - Caldera, hervida con aceite a través de serpentín, (puede funcionar a >70 °C)
  - condensador (puede funcionar a <45 °C)
  - evaporador, carcasa y tubos, inundado
- R113 usado
  - Se describieron los criterios de selección, idealmente de alto peso molecular.
- aislamiento de fibra de vidrio
- Otros componentes: válvula de expansión
- Calor para hervir desde un colector concentrador solar
- Sistemas de 2 subsistemas para el cálculo
  - Potencia: caldera-eyector-condensador-bomba de líquido
  - Refrigeración: evaporador-eyector-condensador-válvula de expansión
- Controles para:
  - presión de la caldera
  - caudal de refrigerante
  - caudal de aceite (sistema solar)
  - caudal de agua (evaporador/condensador y entrada)

Evaluación del desempeño de un sistema de bomba de calor geotérmica con intercambiador de calor terrestre (GHE) en serie en la región de clima frío

Kadir Bakirci, "Evaluación del rendimiento de un sistema de bomba de calor geotérmica con intercambiador de calor terrestre (GHE) en serie en la región de clima frío" , Energía, Vol(35) 7, 3088-3096, 2010

Análisis del rendimiento de los generadores de vapor verticales
- Temporada de calefacción en climas fríos durante un año en Erzurum, Turquía
COP HP: 2.898 (aprox. 3 para los meses más fríos)
Tipo de sedimento: estructura aluvial durante 1 km, grava, arena, arcilla y roca volcánica.
GSHP con múltiples GX en el suelo
- Componentes:
  - Compresor (hermético tipo scroll), accionado por motor eléctrico
  - Agua a refrigerante HX
  - Evaporador y condensador (placa refrigerada por agua HX)
  - con aislamiento de espuma de goma
  - Se utilizó R134a
    - 2 pozos de sondeo de 53 m de profundidad

Una investigación sobre el rendimiento de la bomba de calor y la temperatura del suelo de un sistema de intercambiador de calor de cimentación sobre pilotes para un edificio residencial

Christopher J. Wood, Hao Liu y Saffa B. Riffat, "Una investigación del rendimiento de la bomba de calor y la temperatura del suelo de un sistema de intercambiador de calor de cimentación sobre pilotes para un edificio residencial" , Energy, Vol(35) 12, 4932-4940,2010

Componentes:
- 21 x 10 m con tubos en U simples
- Área de prueba de 72 m², disposición de pilotes, no hay ningún edificio allí
- 21 pilotes: diámetro = 300 mm, profundidad = 10 m
- Tubo en U de polietileno: diámetro exterior = 32 mm, espesor = 2,9 mm
- sistema hidrónico
  - Tanque de almacenamiento intermedio (180 L)
Carga modelada como 27 W/m^2 (condiciones más frías), área = 72 m^2 (6633,2 BTU/h)
- ajustado mensualmente a partir de datos de área de 6 años
- Carga tomada instantáneamente durante 24 horas.
Transferencia de calor de HP a través de la placa HX
- Calentar agua (que luego se transfiere al aire)
- Radiador con aletas de aluminio con convección forzada
Pruebas con termopares en pilas y en una matriz

Comparación del rendimiento entre una bomba de calor reversible de fuente de aire y una de fuente de tierra

CA De Swardt y JP Meyer, "Comparación de rendimiento entre una bomba de calor reversible de fuente de aire y una de fuente terrestre" , International Journal of Energy Research, vol. (25) 10, 899-910, 2001

ASHP contra GSHP
- GS utiliza agua municipal como fuente/sumidero
- Comparación del modo calor/frío
Modelado con HPSIM, predice el comportamiento
- Condiciones interiores: 22 °C, humedad = 60 % (fuente de aire)
Fuente de aire: split montado en el suelo
- HP fabricado en fábrica
- R22 usado
- Compresor (alternativo, herméticamente cerrado), capacidad de 13,7 kW (46.746,34 BTU/h)
- Operando durante 5 años antes (Pretoria, Sudáfrica)
- 2 x HX, cuatro circuitos, aletas y tubos, flujo cruzado
- Rendimiento afectado por el bulbo húmedo (según simulación)
Fuente terrestre: configuración interna similar a la de la fuente de aire.
- tubo en tubo HX, tubo estriado
- Capacidad de 10,6 kW (36.168,7 BTU/h)
- Agua municipal en tubo interior, contracorriente
- Aguas más profundas, mejor rendimiento
El sistema se amortiza en 2 años (0,058 $/kWh)

Construcción y prueba de rendimiento a largo plazo de un sistema de bomba de calor asistido por energía solar a gran escala para calefacción residencial en condiciones climáticas nórdicas

B. Stojanovic y J. Akander, "Construcción y prueba de rendimiento a largo plazo de un sistema de bomba de calor asistido por energía solar a gran escala para calefacción residencial en condiciones climáticas nórdicas" , Applied Thermal Engineering, vol. (30) 2, 188-195, 2010

Pruebas en casa (Sandviken, Suecia)
- mal aislamiento
- radiadores limitados
- techo este/oeste
- Se mantiene una temperatura interior de 20 °C, no se utilizan fuentes de calor internas
- Consumo simulado de 2000kWh para el verano
- El agua caliente sanitaria se drena 2 veces al día
- Operado y monitoreado desde febrero de 2006 hasta 2088
  - Problemas en 2007 con el fluido en el sistema de la USC
La configuración de GHE no funcionó en su diseño presentado
- Cuando el suelo está por debajo de 0, la influencia de la humedad es notable.
- El sistema requiere recarga
Sistema solar con un GSHP
- Carga la tierra durante los meses que no son de invierno/temperaturas del evaporador elevadas
- Calentamiento de agua sanitaria incluido con la calefacción de espacios (circuito de radiadores)
- Componentes:
  - 39 endopaneles (forman un panel plano grande en todo el techo)
  - IVT Greenline HT Plus 9C (8,4 kW)
    - Tanque de agua caliente sanitaria incorporado, calefacción auxiliar (eléctrica)
  - GHE (almacenamiento), horizontal a 1,5 m, área de 52 m^2
  - Equipos de control, válvulas, CP

Cambios en el rendimiento térmico de pozos horizontales con el tiempo

Richard A. Beier y William A. Holloway, "Cambios en el rendimiento térmico de pozos horizontales con el tiempo" , Ingeniería térmica aplicada, vol. (78), 1-8, 2015

Muestra de 10 pozos de sondeo
- conductividad térmica del suelo
- resistencia del pozo
- Profundidades de 1,9-3,4
- Se observaron efectos adversos en pozos poco profundos
suelo arcilloso, Stillwater, Oklahoma
Tubo en U de polietileno (diámetro de 3/4, SDR-11)
- 6 con lechada de bentonita (23% sólidos)
- 8 perforados con fluido a base de bentonita, 2 con fluido a base de polímero
- Incluía una sección horizontal y en ángulo.
Probado del 17 de junio al 8 de agosto de 2010 (ronda 1)
Probado del 16 de octubre al 4 de noviembre de 2012 (ronda 2)
- estancado entre pruebas
Sequía durante el período de prueba (afectó el rendimiento térmico de los pozos)
resultados
- Agujeros poco profundos (menos de 2,4): 1,2-2,0 (W/mK)
- Pozos profundos (2,9 y 3,4 m): 2,8-2,6 W/(mK)
- No hay diferencias entre lechada y no lechada y perforación.

Rendimiento de un sistema de bomba de calor doméstico multifuncional

Jie Ji, Gang Pei, Tin-tai Chow, Wei He, Aifeng Zhang, Jun Dong y Hua Yi, "Rendimiento del sistema de bomba de calor doméstico multifuncional" , Applied Energy, vol. (80) 3, 307-326, 2005

Bomba de calor doméstica multifuncional (MDHP)
- enfría mientras produce agua caliente
Componentes:
- condensador enfriado por aire
- condensador de baño de agua
- 3x válvulas
- evaporador
- válvula de cuatro vías
- compresor
- 2 tubos capilares (con equipo de estrangulamiento)
- R22 usado
3 modos:
- calentamiento de agua
- Calentamiento de agua + refrigeración de espacios
- calefacción de espacios
Probado en un entorno controlado de dos habitaciones (aislado)
describe ecuaciones de modelos de componentes
- se encontró que era robusto

Evaluación experimental del desempeño térmico de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre horizontal

Mustafa Inallı y Hikmet Esen, "Evaluación experimental del rendimiento térmico de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre horizontal" , Ingeniería térmica aplicada, vol. (24) 14, 2219-2232, 2004

HGSP
- Ubicación (38.41 N, 39.14 E, Turquía)
Componentes (3 circuitos):
- Fluido de trabajo: R22
- Solución de agua con glicol al 25% para evitar la congelación de las tuberías (anticongelante)
- Acoplamiento a tierra:
  - 2x HGHX
  - bomba anticongelante (Alarko,NPVO-26-P)
- Refrigerante:
  - HX (condensador enfriado por aire)
  - HX (salmuera y R22)
  - tubo capilar (cobre)
  - Compresor (Tecumseh Europe, hermético)
  - Secadora (Carly DCY 083)
  - Observar el vidrio (Carly VCYL 13)
- Admirador :
  - ventilador del condensador (Friterm)
Probado en una habitación (16,24 m²) con ventana.
- HX terrestres a 1-2 m
- Período de prueba de 6 meses
- A 20 °C dentro de la habitación
resultados:
- COPsys: 2.66 y 2.81
- Las propiedades del suelo deben tenerse en cuenta antes del diseño para prolongar su vida útil.

Estudio experimental de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre vertical de circuito cerrado

Arif Hepbasli, Ozay Akdemir y Ebru Hancioglu, "Estudio experimental de un sistema de bomba de calor de fuente terrestre vertical de circuito cerrado" , Energy Conversion and Management , vol. (44) 4, 527-548, 2003

Prueba de una bomba de calor geotérmica de agua-agua
- Ubicación: aula en Izmir, Turquía (38,24 N, 27,50 E) (65 m²)
- Cargas de calor/frío (3,8/4,2 kW)
- difusividad térmica del suelo (promedio 0,00375 m^2/h para un promedio de 2 m)
- El suelo tenía arcilla, arena y limo.
componentes
- Fluido de trabajo: R22 en el ciclo del refrigerante
- Se utiliza un 10% de etilglicol para evitar la congelación.
- Circuito de tierra:
  - GHE vertical de 50 m, curva en U
  - Bomba de salmuera (Marina, KPM 50)
  - Tanque de expansión (Zimmet, 541/L)
- Circuito refrigerante
  - 2 x HX (Alfa Laval, CB 26-24, CB 26-34)
  - Capilar (cobre)
  - Atemperador (Alfa laval,CB 14-6)
  - Compresor (heremático, Tecumseh, TFH 4524 F)
  - Unidades fan-coil (Alarko,SAS 28)
  - Tanque de expansión (Zimmet, 541/L)
- Circuito fan-coil:
  - Bomba de circulación de agua (Marina, KPM 50)
resultados:
- COP (CV de Carnot) = 5,4
- Extracción de 11 W/m para profundidad de perforación
- Capacidad de calefacción 3,405 kW (11618,34 BTU/h)
- COP (sistema en general) = 1,656-1,339 (8 C)
- Los componentes del sistema de gran tamaño redujeron la eficiencia
- Sugerir mediciones detalladas de la temperatura del suelo.
Consideraciones de diseño importantes
- tamaño
- profundidad de los pozos
- capacidad del sistema
- fluido utilizado para transferencia de calor
- caudal de fluido
- Tamaño de la tubería
- espaciamiento de GHE
- tipo de suelo

Análisis de intercambiadores de calor giroideos para motores eléctricos superconductores

Oliver Bonner-Hutton, Bastian Busch, Yifan Lv, Alan Caughley, Rodney Badcock, Grant Lumsden, Hubertus Weijers y Sarat Singamneni, "Análisis de intercambiadores de calor giroideos para motores eléctricos superconductores" , Materials Today: Proceedings, 2023

superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS)
- Superficies de forma libre formadas por funciones trigonométricas, se repiten en 3 dimensiones.
- Por ejemplo, red de láminas de giroides (en este artículo)
- reduce la pérdida de energía por fricción
- diseño de contraflujo
Geometría generada a partir de ecuaciones en MATLAB
Diseñado en comparación con el bloque de tubos.
- Las mismas dimensiones que el bloque giroide (50x50x100 mm)
SLM (fusión selectiva por láser)
Análisis de la eficiencia energética global a distintas velocidades de fluido
resultados:
- Mayor transferencia de calor pero también pérdida de presión.
- La geometría se seleccionó al azar, se podría optimizar y cambiar hasta que se acoplara con la fluidez de ANSYS.