Uno de los grandes problemas de muchas industrias es que necesitan enormes cantidades de energía para producir calor. Sectores como el químico, el metalúrgico, el cerámico o el papelero trabajan con temperaturas que pueden superar los 200 ºC y que resultan difíciles de alcanzar mediante las bombas de calor convencionales, pero eso puede cambiar gracias al trabajo de un equipo de investigadores chinos, que ha desarrollado una bomba de calor termoacústica capaz de suministrar calor a 270 ºC utilizando ondas sonoras para recuperar y transportar energía térmica.
El desarrollo ha sido realizado por investigadores del Instituto Técnico de Física y Química de la Academia China de Ciencias, junto con la Universidad de la Academia China de Ciencias y la empresa AECC Commercial Aircraft Engine. Los resultados se han publicado en la revista científica Energy, en un trabajo titulado A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270 °C.
Un funcionamiento distinto al de las bombas de calor convencionales
Lo interesante de esta máquina es que utiliza un principio físico diferente al de las bombas de calor habituales y, además, funciona sin componentes mecánicos móviles. Para entender cómo opera hay que imaginar dos sistemas conectados entre sí. El primero actúa como un motor termoacústico: recibe energía térmica y la transforma en energía acústica, es decir, en ondas de presión que se propagan por un gas. El segundo aprovecha esas ondas para impulsar el calor desde una zona más fría hacia otra más caliente. Ambos están conectados mediante unos conductos denominados resonadores acústicos, que permiten transmitir la energía sonora a través de un circuito cerrado.
El gas utilizado en el sistema se mueve dentro de ese circuito y transmite energía mediante sucesivas variaciones de presión y temperatura. De esta forma, el sonido no se utiliza para producir calor de la nada, sino como mecanismo para transportar y concentrar la energía térmica disponible.
En los ensayos, los investigadores consiguieron elevar el calor recuperado a unos 145 ºC hasta alcanzar una temperatura de suministro de 270 ºC. Para conseguirlo, la unidad motriz trabajó con un extremo caliente a 300 ºC. El salto térmico alcanzado fue, por tanto, de 125 ºC, una cifra especialmente relevante para una bomba de calor de una sola etapa.
Cuando la máquina suministraba calor a 270 ºC, alcanzaba una potencia térmica de hasta 2.671 vatios, con un coeficiente de rendimiento térmico (COP) de 0,36 en unas condiciones experimentales concretas. En otro ensayo, manteniendo el salto de temperatura de 125 ºC y una presión de trabajo de 5 megapascales, proporcionó 1.903 vatios con un COP de 0,41. Los investigadores comprobaron, además, que aumentar la presión de trabajo puede incrementar la cantidad de calor suministrada, aunque no siempre mejora la eficiencia.
Un potencial industrial enorme
La importancia de este avance está en la posibilidad de aprovechar el calor que muchas fábricas generan y que actualmente termina perdiéndose. En lugar de expulsarlo al ambiente, una instalación industrial podría recuperar parte de esa energía y elevar su temperatura para reutilizarla en otros procesos. Esto permitiría reducir la necesidad de quemar gas, carbón o petróleo para alcanzar las temperaturas de trabajo, siempre que exista una fuente térmica adecuada y que el sistema pueda integrarse en las instalaciones existentes. Las aplicaciones potenciales abarcan desde el secado industrial y determinados procesos químicos hasta la fabricación de materiales, la industria cerámica y otros sectores que necesitan temperaturas elevadas.
A pesar de todo ello, todavía queda camino por recorrer, porque el prototipo que alcanza los 270 ºC proporciona una potencia de apenas unos pocos kilovatios, muy inferior a la que necesitan las grandes instalaciones industriales. También debe mejorarse su rendimiento y estudiarse cómo conectarlo a fuentes reales de calor residual y a los sistemas de producción de las fábricas.