Resumen
Durante más de un siglo, los ciclos de aire aplicados a sistemas de refrigeración se conocían como una tecnología de enfriamiento eficaz, versátil y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, el rendimiento superior de otro tipo de ciclos y fluidos refrigerantes restringió su uso mayormente a aplicaciones aeronáuticas durante años. Ante los desafíos modernos, como regulaciones ambientales más estrictas, la eliminación gradual de refrigerantes con alto GWP y la creciente demanda de enfriamiento a temperaturas muy bajas, los ciclos Brayton reversos han resurgido como una solución prometedora. El utilizar aire (R-729), un fluido de trabajo abundante y ecológico con GWP y ODP nulos, los convierte en una opción interesante para las industrias que buscan sostenibilidad comprometiendo lo mínimo posible las prestaciones. La versatilidad, simplicidad y adaptabilidad de este tipo de ciclos los convierte en una alternativa atractiva para múltiples usos.
Esta tesis doctoral aborda la brecha entre los avances teóricos y las implementaciones prácticas de los ciclos Brayton reversos. La investigación combina trabajo de modelado sustentado con validación experimental para optimizar componentes clave del sistema, entre los que se encuentran compresores, turbinas, regeneradores e intercambiadores de calor. Un enfoque modular, que emplea compresores eléctricos en serie y una turbina de geometría variable (VGT), mejora la operatividad y permite un control preciso de parámetros críticos del ciclo. Se desarrolla un ciclo regenerativo con compresión en múltiples etapas y refrigeración intermedia. Esto permite minimizar el trabajo de compresión y maximizar la eficiencia, buscando un rendimiento óptimo bajo condiciones variables.
Se realiza un análisis exergético detallado para identificar las fuentes de ineficiencias dentro del ciclo y proponer soluciones específicas para mejorar el rendimiento. Este enfoque destaca los componentes y procesos críticos donde ocurren las pérdidas energéticas, proporcionando una comprensión integral del comportamiento del ciclo en diferentes escenarios operativos. El análisis sirve como base para optimizar el diseño y las estrategias de control del sistema con el objetivo de maximizar la eficiencia y la sostenibilidad.
Un banco de ensayos, construido con componentes de automoción y diseñado para operar hasta condiciones de criogenia -153ºC, constituye la base experimental de este estudio. El sistema, completamente eléctrico, demuestra la viabilidad de los RBC como alternativas sostenibles a las tecnologías de refrigeración convencionales. Estrategias de control avanzadas, como la compresión regulada por PID, e innovaciones en el diseño de componentes, incluidos sistemas de separación de agua para mitigar los riesgos de formación de hielo, contribuyen a mantener la fiabilidad del sistema en condiciones extremas.
Al abordar los desafíos teóricos y prácticos de los RBC basados en aire, esta tesis los posiciona como una tecnología competitiva en el terreno de la criogenia. Con una versatilidad y sostenibilidad difícilmente igualables, los RBC ofrecen soluciones que se alinean perfectamente con las imperativas ambientales globales y la creciente demanda de tecnologías de refrigeración. La integración de estrategias termodinámicas avanzadas, validación experimental rigurosa e innovaciones de ingeniería posiciona a estos sistemas como una referencia en aplicaciones de muy bajas temperaturas. Desde la criogenia hasta la refrigeración industrial y médica, este trabajo demuestra cómo los RBC pueden ser un camino para una nueva era de tecnologías de refrigeración sostenibles que cumplan con las más altas expectativas industriales y ecológicas.
