Demostración de calentamiento y enfriamiento impulsados por presión usando un intercambiador de calor recubierto con MOF

Convertir la presión en calefacción y refrigeración

Mantener los edificios cómodos sin calentar el planeta es un desafío creciente. Muchas bombas de calor comunes siguen dependiendo de presiones elevadas y refrigerantes que pueden dañar el clima. Este estudio explora una vía diferente: usar dióxido de carbono (CO₂) inofensivo y un material tipo esponja para generar calefacción y refrigeración simplemente cambiando la presión, no mediante la ebullición y condensación de un fluido. El trabajo demuestra en laboratorio que esta idea no es solo teoría: puede calentar o enfriar rápidamente agua en flujo varios grados, con presiones relativamente moderadas.

Una nueva forma de mover calor

Las bombas de calor convencionales con CO₂ suelen operar a presiones muy altas y en condiciones supercríticas, lo que exige equipos más gruesos, pesados y complejos. Los investigadores prueban en cambio un concepto llamado sistema híbrido de compresión–adsorción. En su núcleo hay un intercambiador de calor especial: un tubo metálico con aletas, recubierto con un material poroso conocido como marco metal–orgánico, o MOF. Este MOF (denominado MIL-101(Cr)) actúa como una esponja a escala nanométrica que puede absorber grandes cantidades de CO₂ en sus superficies internas. Cuando el CO₂ se adhiere al MOF bajo mayor presión, libera calor; cuando la presión baja y el CO₂ se desprende, absorbe calor. Si hay agua fluyendo dentro del tubo mientras esto ocurre, esa agua puede calentarse o enfriarse sin llegar a mezclarse con el gas.

Cómo funciona el sistema de ensayo

El equipo construyó una disposición por lotes: el intercambiador recubierto con MOF se sitúa dentro de un recipiente sellado a presión, conectado a un compresor y a un tanque de gas separado. Al aumentar rápidamente la presión de CO₂ de 0,8 a 3,0 megapascales, forzan la entrada de CO₂ en el MOF, que se calienta y a su vez calienta el agua que fluye por el tubo. Reducir la presión hace que el CO₂ salga del MOF, enfriándolo y enfriando el agua. Bajo condiciones de ensayo típicas —agua a temperatura ambiente entrando a un caudal moderado—, el sistema cambió la temperatura del agua de salida en torno a ±9 kelvin (aproximadamente ±9 °C), y casi toda la adsorción o liberación de CO₂ ocurrió en menos de dos minutos. Cada ciclo trasladó aproximadamente 20 kilojulios de calor, con alrededor del 81% de esa energía efectivamente transferida al agua.

Qué controla el rendimiento

Para entender cómo sacar el máximo partido a este enfoque, los investigadores variaron varias condiciones de operación. El tamaño del ciclo de presión resultó ser el factor principal que controla la cantidad total de calefacción y refrigeración: oscilaciones más grandes y presiones generales más bajas provocaron que más CO₂ entrara y saliera del MOF, y por tanto efectos térmicos más intensos. Cambiar la rapidez con la que la presión sube o baja alteró principalmente la nitidez del pico de temperatura, no la energía total transferida por ciclo. Del mismo modo, la temperatura de entrada del agua tuvo solo una influencia pequeña, lo que confirma que la fuente clave de calor es la adsorción y desorción de CO₂ en el MOF, más que el simple calentamiento o enfriamiento del gas en sí. En contraste, el caudal de agua tuvo un efecto fuerte sobre la potencia: un flujo más rápido no elevó mucho la temperatura máxima o mínima del agua, pero acortó el tiempo necesario por ciclo y aumentó la potencia media de calefacción y refrigeración.

Mirando dentro del intercambiador de calor

Dado que la capa de MOF y el agua cambian de temperatura con el tiempo, las fórmulas convencionales de estado estacionario para intercambiadores de calor no bastan para predecir el comportamiento. Por ello los autores construyeron un modelo informático detallado que simula el transporte de masa, momento y energía en el lecho de MOF, el tubo metálico y el agua. Calibraron el modelo usando propiedades conocidas del CO₂ en MIL-101(Cr) y compararon sus predicciones con las mediciones. La concordancia fue buena: las simulaciones reprodujeron cómo evolucionaban las temperaturas del MOF y del agua a lo largo del tubo y cómo distintos caudales de agua modificaban la potencia térmica. Esto da confianza en que el modelo puede usarse para diseñar y optimizar futuros dispositivos sin tener que construir y ensayar cada variante.

Por qué esto importa para las bombas de calor del futuro

En conjunto, los experimentos y las simulaciones muestran que la adsorción de CO₂ impulsada por presión puede proporcionar de manera fiable calefacción y refrigeración útiles a presiones por debajo del punto crítico del CO₂, evitando algunos de los desafíos de seguridad y diseño de los sistemas de CO₂ a alta presión actuales. El prototipo funciona en modo por lotes en lugar de continuo, pero demuestra la física subyacente e identifica límites prácticos, especialmente la necesidad de mejorar la transferencia de calor en el lado del agua del dispositivo. Con diseños de intercambiadores mejorados, lechos múltiples trabajando en secuencia e integración con almacenamiento térmico, este concepto podría conducir a nuevas clases de bombas de calor que utilicen CO₂ respetuoso con el clima y materiales porosos avanzados para calentar y enfriar viviendas y edificios de forma más segura y eficiente.

Cita: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Palabras clave: bomba de calor de dióxido de carbono, refrigeración por adsorción, marco metal-orgánico, refrigeración a baja presión, HVAC sostenible