El enfriamiento activo es un mecanismo de reducción de calor que generalmente se implementa en dispositivos electrónicos y edificios interiores para garantizar una transferencia y circulación de calor adecuadas desde el interior.
A diferencia de su contraparte de enfriamiento pasivo , el enfriamiento activo 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 por medios pasivos. Los sistemas de enfriamiento activo generalmente funcionan con electricidad o energía térmica, pero es posible que algunos sistemas funcionen con energía solar o incluso energía hidroeléctrica. Deben estar bien mantenidos y ser sostenibles para que puedan realizar las tareas necesarias o podría ocurrir la posibilidad de daños dentro de los objetos. Varias aplicaciones de los sistemas comerciales de refrigeración activa incluyen aires acondicionados interiores, ventiladores de computadoras y bombas de calor. [1] [2] [3]
Muchos edificios requieren altas exigencias de refrigeración y hasta 27 de las 50 áreas metropolitanas más grandes del mundo están ubicadas en áreas de clima cálido o tropical. Con esto, los ingenieros deben establecer el equilibrio térmico para garantizar una ventilación adecuada en toda la estructura.
La ecuación del balance de calor viene dada por:
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 mecánica de calor. [2]
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 hacen girar mediante un motor eléctrico a una velocidad constante. A lo largo de la rotación, se produce un flujo de aire y el entorno se enfría 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 activos 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 la temperatura del área fría baje y la del área cálida aumente. [4] [5]
Hay dos tipos de bombas de calor: [6]
Al ser la variante más popular de las dos, las bombas de calor por compresión funcionan mediante el uso del ciclo de refrigerante. El vapor refrigerante en el aire se comprime mientras aumenta la temperatura, creando un vapor sobrecalentado. Luego, el vapor pasa a través de 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 vapor de refrigerante 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 con el uso de un absorbente en lugar de un compresor. El absorbente absorbe el vapor de refrigerante y crea una forma líquida que luego viaja a la bomba de líquido para convertirse en vapor sobrecalentado. La bomba de calor de absorción utiliza tanto electricidad como calor para su funcionalidad 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 almohadillas saturadas de agua, lo que reduce la temperatura del aire mediante la evaporación del agua. [7]
Se puede dividir por:
Este método evapora el agua que luego viajaría directamente a la corriente de aire, produciendo una pequeña forma de humedad. Por lo general, requiere una cantidad decente de consumo de agua para reducir adecuadamente la temperatura del área circundante.
Este método evapora el agua en una segunda corriente de aire y luego la pasa 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 reducir la temperatura. [2]
Además del uso comercial normal de la refrigeración activa, los investigadores también están buscando formas de mejorar la implementación de la refrigeración activa en diversas tecnologías.
El generador termoeléctrico , o TEG, es una fuente de energía con la que se ha experimentado recientemente para probar su viabilidad a la hora de mantener una refrigeración activa. Se trata de un dispositivo que aprovecha el 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. Los ejemplos incluyen sondas espaciales, aviones y automóviles.
En una investigación de 2019 se probó la viabilidad del enfriamiento activo TEG. [ cita necesaria ] 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 refrigerador 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 durante la prueba de referencia, la Raspberry PI3 alimentada por TEG se estabilizó a una temperatura unos pocos grados Celsius más baja que la Raspberry PI3 con refrigeración pasiva. También se analizó la energía producida por el TEG 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 energía suficiente para el arranque inicial del ventilador. Pero, con la implementación de un acumulador de energía, sería posible. [ cita necesaria ]
La generación de energía de TEG viene dada por:
donde es la potencia generada por TEG, es la resistencia térmica y es la temperatura de TEG.
Según el resultado, se ha demostrado que el enfriamiento activo del generador termoeléctrico disminuye y mantiene de manera efectiva temperaturas comparables al uso comercial de refrigeradores pasivos. [8] [9] [10]
El enfriamiento activo por inmersión, 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 Wire + Arc, o WAAM (una tecnología de impresión 3D de metal). NIAC utiliza un líquido refrigerante que rodea el WAAM dentro de un tanque de trabajo y aumenta el nivel del agua cuando se deposita metal. El contacto directo con el líquido permite una rápida extracción de calor del WAAM, disminuyendo 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 refrigeración. El experimento comparó la efectividad de mitigar la temperatura generada por el WAAM entre enfriamiento natural, enfriamiento pasivo y enfriamiento activo casi por inmersión. El enfriamiento natural usó aire, el enfriamiento pasivo usó un líquido refrigerante que permanece en un nivel fijo y NIAC usó un líquido refrigerante que se eleva según las acciones del WAAM. [11]
Se utilizaron las siguientes pruebas para medir la viabilidad del uso de NIAC: [11]
Concluyeron que NIAC es viable y comparable a los métodos de enfriamiento convencionales, como el enfriamiento pasivo y natural. [11]
El enfriamiento activo generalmente se compara con el enfriamiento pasivo en diversas situaciones para determinar cuál proporciona una forma mejor y más eficiente de enfriamiento. Ambos son viables en muchas situaciones pero dependiendo de varios factores, uno podría ser más ventajoso que el otro.
Los sistemas de refrigeración activos suelen ser mejores en términos de disminución de la temperatura que los sistemas de refrigeración pasivos. El enfriamiento pasivo no utiliza mucha energía para su funcionamiento, sino que aprovecha el enfriamiento natural, que tarda más en enfriarse durante un largo período de tiempo. La mayoría de la gente prefiere el uso de sistemas de enfriamiento activo en climas cálidos o tropicales que el enfriamiento pasivo debido a su efectividad para bajar la temperatura en un corto intervalo de tiempo. En tecnologías, ayuda a mantener 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 consistente. 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 su funcionamiento depende en gran medida de los medios naturales. [9] [11]
Los problemas de la refrigeración activa en comparación con la refrigeración pasiva son principalmente los costes económicos y el consumo de energía. Debido al alto requerimiento de energía del enfriamiento activo, lo hace mucho menos eficiente desde el punto de vista energético y también menos rentable. En un entorno residencial, la refrigeración activa suele consumir una gran cantidad de energía para proporcionar suficiente refrigeración en todo el edificio, lo que aumenta los costes financieros. Los ingenieros del edificio tendrían que tener en cuenta que un aumento en el consumo de energía también influiría negativamente en el clima global. [2] En comparación con el enfriamiento activo, el enfriamiento pasivo se usa más en lugares con temperaturas medias o bajas.
