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Diagrama del ciclo de una bomba térmica simple: 1) condensador, 2) válvula de
expansión, 3) evaporador, 4) compresor.
Una bomba de calor es una máquina que permite transferir o "bombear"
calor de un medio frío (que, por lo tanto, se enfría aún más) hacia un medio
más caliente, es decir a mayor temperatura (y que, por tanto, se calienta
aún más). Para lograr esta acción es necesario un aporte de energía dado
que, por la segunda ley de la termodinámica, de manera espontánea el
calor se dirige de un foco a más temperatura a otro a menos temperatura,
hasta que éstas se igualan. Se utilizan diversos fenómenos físicos para
crear bombas térmicas. Los más comunes son la compresión de gas, el
cambio de fase gas/líquido y el efecto termo-peltier.
Los frigoríficos son los dispositivos domésticos más comunes que hacen
uso de la bomba térmica. Se pueden encontrar frigoríficos que hacen uso de
los tres tipos de bomba térmica. Hay también sistemas de calefacción que
se sirven de las bombas térmicas. Las bombas térmicas de compresión de
gas que utilizan el ciclo Stirling se usan habitualmente para licuar el aire y
producir nitrógeno, oxígeno, argón y otros gases líquidos con propósitos
industriales.
Una máquina de Carnot, por ejemplo, es una máquina de vapor que realiza
un trabajo a partir del calor proporcionado por una fuente de energía. La
segunda ley de la termodinámica explica porqué ello es bastante difícil, con
importantes restricciones en la eficiencia de dichos procesos. Sólo una parte
del calor disponible del combustible que se quema puede ser transformado
en trabajo útil; el resto debe ser depositado en una reserva fría. Cuando
actúa como bomba de calor, el producto que se desea obtener es,
lógicamente, calor. No existe restricción para transformar el trabajo de la
energía eléctrica en calor. Esto significa que en un calentador eléctrico de
100 vatios producirá 100 julios de calor por segundo.
Una bomba de calor de cambio de fase emplea un líquido con un bajo punto
de ebullición, unas veces freón (CFC), otras amoníaco líquido, u
ocasionalmente los menos corrosivos propano o butano. Este líquido
requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa
energía de su alrededor en forma de calor (de la misma manera que el
sudor refresca el cuerpo). Cuando el vapor se condensa de nuevo, libera
energía, de nuevo en forma de calor. En primer lugar, la presión del líquido
se baja mediante una válvula de expansión en el lado que se va a enfriar,
forzándolo a que se evapore y a que extraiga calor de su alrededor. El gas
es entonces bombeado al otro lado (el compresor) donde se comprime a
líquido, haciendo que suelte su calor. El resultado que se produce es que al
final de la bomba, donde se deposita el calor, se obtiene el calor que ha sido
bombeado de un lado hacia otro más la cantidad de calor correspondiente a
la energía eléctrica que se ha utilizado para que la máquina se mueva (100
julios por segundo).
La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de
temperatura entre el lugar desde el que se bombea, fuente fría (exterior) y
aquel donde se lo deposita, fuente caliente (interior). Cuanto mayor sea la
diferencia entre la temperatura de la fuente fría y la de la fuente caliente,
menor será el rendimiento (CEE o COP) de la máquina. Si el bombeo se
basa en el principio de cambio de fase, cuando haga un tiempo muy frío la
máquina parará de trabajar cuando la parte exterior, el condensador, se
enfríe. En estas condiciones, un simple calentador eléctrico funciona mejor,
a menos que la bomba de calor de cambio de fase sea reemplazada por
algo más adecuado, como un dispositivo de compresión de gas.
Las bombas térmicas tienen un rendimiento que, desde el punto de vista
práctico, es la relación entre la energía (térmica) producida y la energía
absorbida (generalemnte eléctrica), debiendo ser siempre mayor que la
unidad, puesto que con un aparato mucho más sencillo, una resistencia
eléctrica, se consigue un rendimiento muy próximo a la unidad; pero decir
que tienen un rendimiento superior a la unidad es un poco engañoso,
puesto que la energía térmica que "produce" es la suma de la que genera el
motor (en forma de calor) y la energía térmica obtenida del exterior (fuente
fría) aunque esta energía es gratuita. El término coefficient of performance o
COP (en castellano, coeficiente de eficiencia energética, CEE o coeficiente
de rendimiento, CoDeRe) se utiliza para describir la relación entre la
producción de calor y el consumo de energía que es necesario pagar. Una
bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis (dependiendo de la
diferencia entre las temperaturas de ambas fuentes), mientras que un
calentador eléctrico de resistencia (por efecto Joule) tiene un COP de sólo
uno. Otra ventaja de las bombas térmicas es que no sólo se pueden utilizar
como bombas de calor, sino que pueden funcionar de forma inversa para
producir frío (pueden actuar también como bombas frigoríficas). Esto las
hace un componente útil de los sistemas de aire acondicionado.
Rendimiento [editar]
Supongamos un equipo climatizador de ventana que en la parte interior dé
frío y la de la calle calor, es decir, tomamos calor del interior y lo
expulsamos al exterior.
Si invertimos el proceso de compresión y expansión, nos dará calor en el
interior tomado del calor total o Entalpía del aire exterior. De este modo
conseguimos un rudimentario equipo de Ciclo Bomba de Calor.
En la práctica no es necesario invertir físicamente el equipo para lograr que
unas veces trabaje en frío y otras en calor, ya que estos equipos van
dotados de una válvula de 4 vias que nos permite cambiar, de forma
mecánica, el sentido de circulación del freón o gas ligero. De forma que
donde antes nos daba calor, ahora nos dará frío.
"Un equipo de Ciclo Reversible o Bomba de Calor, toma de la Red eléctrica
1 kW y produce entre 2,6 kW y 3 kW".
El enunciado anterior supone una aparente contradicción con uno de los
principios más sólidos de la termodinámica, como el de que se establece
que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma, y
siempre el contenido de energía permanece constante.
Los kW que faltan para dar 2,6 kW o 3 kW, se toman de la entalpía que hay
en el aire exterior. Debemos tener en cuenta que el frío es una sensación
humana, no existe; el frío es la ausencia de calor, el cual existe hasta llegar
a los 0 K (-273,15 ºC)
Esta particularidad hace especialmente atractiva la bomba de calor como
elemento de calefacción, ya que a diferencia de cualquier otra máquina, que
trabaja con rendimiento inferior al 100%, la bomba de calor "produce" más
energía de la que consume convirtiéndola en uno de los métodos más
rápidos y económicos ya que no produce sino que lo traslada, hasta
alcanzar una reducción de 66,5% del coste de energía con respecto al
sistema eléctrico.
Termodinámica(Redirigido desde Termodinamica)
La termodinámica (del griego θερμo-, termo, que significa "calor" 1 y
δύναμις, dinámico, que significa "fuerza" 2 ) es una rama de la física que
estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de
los sistemas físicos a un nivel macroscópico. Aproximadamente, calor
significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo
que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y
cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se
desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras
máquinas de vapor.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones
termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la
energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o
trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía,
que puede ser definida para cualquier sistema. En la termodinámica se
estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a
definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema
termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí
mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para
expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para
determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos
espontáneos.
Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas
responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia
variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones
de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros
negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para otros
campos de la física y la química, ingeniería química, ingeniería
aeroespacial, ingeniería mecánica, biología celular, ingeniería biomédica, y
la ciencia de materiales por nombrar algunos.
Trabajo (física)
Tabla de contenidos
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1 Leyes de la termodinámica
1.1 Primera ley de la termodinámica
1.2 Segunda ley de la termodinámica
1.2.1 Enunciado de Clausius
1.2.2 Enunciado de Kelvin
1.2.3 Otra interpretación
1.3 Tercera ley de la termodinámica
1.4 Ley cero de la termodinámica
2 Termometría
2.1 Demostración de la existencia de la temperatura empírica de un sistema en base a la ley
cero
2.2 Propiedades termométricas
2.3 Escalas de temperatura
2.3.1 Escala Celsius
2.3.2 Escala Kelvin o absoluta
2.3.3 Escala Fahrenheit
3 Sistema y ambiente
3.1 Sistema
3.2 Medio externo
4 Equilibrio térmico
4.1 Variables termodinámicas
4.2 Estado de un sistema
4.3 Equilibrio térmico
4.4 Foco térmico
4.5 Contacto térmico
5 Procesos termodinámicos
6 Rendimiento termodinámico o eficiencia
6.1 Teorema de Carnot
7 Dilatación térmica
7.1 Dilatación lineal
7.2 Dilatación superficial
7.3 Dilatación volumétrica
8 Diagramas termodinámicos
9 Referencias
10 Véase también
11 Enlaces externos
Leyes de la termodinámica
Primera ley de la termodinámicaArtículo principal: Primera ley de la termodinámica
También conocido como principio de conservación de la energía para la
termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien
éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía
necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias
entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Eentra − Esale = ΔEsistema
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos
termodinámico, queda de la forma:
Segunda ley de la termodinámicaArtículo principal: Segunda ley de la termodinámica
Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos
termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua
pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También establece,
en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la
energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley
impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente
pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta
ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física
llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia
materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe
ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre
es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de
temperatura más baja.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio,
destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Enunciado de Clausius
Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.
En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único
resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta
temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente
a temperatura más elevada".
Enunciado de Kelvin
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una
única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en
trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto
podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica
cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta
estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético
de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una
máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
Tercera ley de la termodinámicaArtículo principal: Tercera ley de la termodinámica
La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst,
afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto
mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también
como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su
entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos
cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero
absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es
probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.
Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son
sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas
macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell
ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes
de la Termodinámica.
Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la
energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza
descubiertas hasta ahora por la ciencia.
Ley cero de la termodinámica
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del
mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir un estado del
sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización,
tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del
tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les
conoce como coordenadas termodinámicas del sistema.
A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y
B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico
con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio
termodinámico. Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente
aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse
enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.
Termometría
La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o
sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que
se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del
calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en
la dilatación, los termopares que deben su funcinamiento al cambio de la
conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la
intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.
Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio cero de la
Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico
con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C,
entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí".
Demostración de la existencia de la temperatura empírica de un sistema en base a la ley cero
Para dos sistemas en equilibrio termodinámico representados por sus
respectivas coordenadas termodinámicas (X1,Y1) y (X2,Y2) tenemos que
dichas coordenadas no son función del tiempo, por lo tanto es posible hallar
una función que relacionem dichas coordenadas, es decir:
f(X1,x2,Y1,Y2) = 0
Sean tres sistemas hidrostáticos, A,B,C, representados por sus respectivas
termodinámicas: (Pa,Va), (Pb,Vb),(Pc,Vc). Si A y C están en equilibrio debe
existir una función tal que:
f1(Pa,Pc,Va,Vc) = 0
Es decir:
Pc = g1(Pa,Va,Vc) = 0
Donde las funciones f1 y g1 dependen de la naturaleza de los fluidos.
Análogamente, para el equilibrio de los fluidos B y C:
f2(Pb,Pc,Vb,Vc) = 0
Es decir:
Pc = g2(Pb,Vb,Vc) = 0
Con las mismas considerciones que las funciones f2 y g2 dependen de la
naturaleza de los fluidos.
La condición dada por la ley cero de la termodinámica de que el equilibrio
térmico de A con C y de B con C implica asimismo el quilibrio de A y B
puede expresarse matemáticamente como:
g1(Pa,Va,Vc) = g2(Pb,Vb,Vc)
Lo nos conduce a la siguiente expresión:
f3(Pa,Pb,Va,Vb) = 0
Entonces, llegamos a la conclusión de que las funciones g1 y g2 deben ser
de naturaleza tal que se permita la eliminación de la variable termodinámica
comón Vc. Una posibilidad, que puede demostrarse única, es:
g1 = m1(Pa,Va)n(Vc) + k(Vc)
Asimismo:
g2 = m2(Pb,Vb)n(Vc) + k(Vc)
Una vez canceladas todas las partes que contienen a Vc podemos escribir:
m1(Pa,Va) = m2(Pb,Vb)
Mediante una simple repetición del argumento, tenemos que:
m1(Pa,Va) = m2(Pb,Vb) = m3(Pc,Vc)
Y así sucesivamente para cualquier número de sistemas en equilibrio
termodinámico.
Henos demostrado que para todos los sistemas que se hallen en equilibrio
termodinámico entre si, existen sendas funciones cuyos valores numéricos
son iguales para cada uno de dichos sistemas en equlibrio. Este valor
numérico puede ser representado con la letra griega θ y será definido como
la temperatura empírica de los sistemas en equilibrio termodinámico.
Así, tenemos que todo equilibrio termodinámico entre dos sistemas es
equivalente a un equilibrio térmico de los mismos, es decir, a una igualdad
de temperaturas empíricas de estos.
Propiedades termométricas
Una propiedad termométrica de una sustancia es aquella que varía en el
mismo sentido que la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta su
valor, la propiedad también lo hará, y viceversa.
Escalas de temperatura
Lo que se necesita para construir un termómetro son puntos fijos, es decir,
procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de
procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Los puntos generalmente utilizados son el proceso de ebullición y de
solidificación de alguna sustancia, durante los cuales la temperatura
permanece constante.
Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la
escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
Escala Celsius
Para esta escala, se toman como puntos fijos, los puntos de ebullición y de
solidificación del agua, a los cuales se les asignan los valores de 100 y 0
respectivamente. En esta escala, estos valores se escriben como 100° y 0°.
Esta unidad de medida se lee grado Celsius y se denota por [°C]. El grado
Celsius, representado como °C, es la unidad creada por Anders Celsius
para su escala de temperatura. Se tomó como base para el Kelvin y es la
unidad de temperatura más utilizada internacionalmente. A partir de su
creación en 1750 fue denominado grado centígrado (se escribía °c, en
minúscula). Pero en 1948 se decidió el cambio en la denominación oficial
para evitar confusiones con la unidad de ángulo también denominada grado
centígrado (grado geométrico), aunque la denominación previa se sigue
empleando extensamente en el uso coloquial. Hasta 1954 se definió
asignando el valor 0 a la temperatura de congelación del agua, el valor 100
a la de temperatura de ebullición —ambas medidas a una atmósfera de
presión— y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una
de ellas definida como 1 grado. Estos valores de referencia son muy
aproximados pero no correctos por lo que, a partir de 1954, se define
asignando el valor 0,01 °C a la temperatura del punto triple del agua y
definiendo 1 °C como la fracción 1/273,16 de la diferencia con el cero
absoluto. Conversión de unidades [editar] La magnitud de un grado Celsius
(1 °C) es equivalente a la magnitud de un Kelvin (1 K), puesto que esta
unidad se define como igual a la primera. Sin embargo, las escalas son
diferentes porque la escala Kelvin toma como valor 0 el cero absoluto. Dado
que al cero absoluto corresponde un valor de -273,15 °C, la temperatura
expresada en °C y K difiere en 273,15 unidades: • La conversión de grados
Celsius a grados Fahrenheit se obtiene multiplicando la temperatura en
Celsius por 1,8 (9/5) y sumando 32: • Para convertir Fahrenheit a Celsius: •
Escala Kelvin o absoluta
En este caso, la escala fue establecida en base a la escala Celsius, donde
el valor de 0° corresponde al cero absoluto, temperatura en la cual las
moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible.
Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior. En
escala Celsius esta temperatura corresponde a -273°C. Esta unidad de
medida se lee Kelvin y se denota por [K]. Esta unidad se llama también
Escala Absoluta y es también la unidad adoptada por el Sistema
Internacional de Unidades.
Dado que 0[K] corresponden a -273[°C], se puede hallar una fórmula de
conversión, entre la escala Celsius y la escala Kelvin, de la siguiente forma:
T = tc + 273°
donde la letra T representa la temperatura en Kelvin y la letra tc
representa la temperatura en grados Celsius.
Escala Fahrenheit
En esta escala también se utilizaron puntos fijos para construirla, pero
en este caso fueron los puntos de solidificación y de ebullición del
cloruro amónico en agua. Estos puntos se marcaron con los valores de
0 y 100 respectivamente. La unidad de esta escala se llama grado
Fahrenheit y se denota por [°F]. Dado que en escala Celsius, los
valores de 0[°C] y 100[°C] corresponden respectivamente a 32[°F] y
212[°F] respectivamente, la fórmula de conversión de grados Celsius a
Fahrenheit es:
tf = tc + 32°
aquí el símbolo tf representa la temperatura en grados Fahrenheit y
el símbolo tc representa la temperatura en grados Celsius.
Sistema y ambiente
En el estudio de la Termodinámica la atención está dirigida al
interior de un sistema, aunque se adopte un punto de vista
macroscópico, sólo se consideran aquellas magnitudes de este tipo
que tienen relación con el estado interno del sistema. Para poder
entender las magnitudes involucradas en este tema, se hace
necesario definir los conceptos de sistema y estado de un
sistema.
Sistema
Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que
está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o
imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se
trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay
intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la
naturaleza, encontrar un sistema extrictamente aislado es, por lo
que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un
sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de
abierto. Ponemos unos ejemplos:
Un sistema abierto: es por ejemplo, un coche. Le echamos
combustible y él desprende diferentes gases y calor.
Un sistema cerrado: un reloj de cuerda,no introducimos ni
sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que
emplea para medir el tiempo.
Un sistema aislado:¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar
con él?. Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una
aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de
materia e intenta impedir que la energía (calor)salga de él.
Medio externo
Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no
está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo,
consideremos una taza con agua, que está siendo calentada
por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza
y el agua, entonces el medio está formado por el mechero, el
aire, etc.
Equilibrio térmico
Toda sustancia por encima de los 0º Kelvin (-273.15º
Centígrados)emite calor. Si 2 sustancias en contacto se
encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más
calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza
cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo
que iguala su temperatura.
Nota: estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo,
ya que una mayor cantidad de sustancia emite más calor a la
misma temperatura.
Variables termodinámicas
Las variables que tienen relación con el estado interno de
un sistema, se llaman variables termodinámicas o
coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más
importantes en el estudio de la termodinámica son:
la masa
el volumen
la densidad
la presión
la temperatura
Estado de un sistema
Un sistema que puede describirse en función de
coordenadas termodinámicas se llama sistema
termodinámico y la situación en la que se encuentra
definido por dichas coordenadas se llama estado del
sistema.
Equilibrio térmico
Un estado en el cual dos coordenadas termodinámicas
independientes X e Y permanecen constantes
mientras no se modifican las condiciones externas se
dice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos
sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice
que tienen la misma temperatura. Entonces se puede
definir la temperatura como una propiedad que permite
determinar si un sistema se encuentra o no en
equilibrio térmico con otro sistema.
El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos
con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el
que tiene mayor temperatura cede calor al que tiene
mas baja, hasta que ambos alcanzan la misma
temperatura.
Algunas definiciones útiles en termodinámica son las
siguientes.
Foco térmico
Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o
recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.
Contacto térmico
Se dice que dos sistema están en contacto térmico
cuando puede haber transferencia de calor de un
sistema a otro.
Procesos termodinámicos
Artículo principal: Proceso termodinámico
Se dice que un sistema pasa por un proceso
termodinámico, o transformación termodinámica,
cuando al menos una de las coordenadas
termodinámicas no cambia. Los procesos más
importantes son:
Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura
no cambia.
Procesos Isobáricos: son procesos en los cuales la presión no
varía.
Procesos Isócoros: son procesos en los que el volumen
permanece constante.
Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay
transferencia de calor alguna.
Por ejemplo, dentro de un termo donde se echan
agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso
adiabático, ya que el agua caliente se empezará a
enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo
se empezará a derretir hasta que ambos estén en
equilibrio térmico, sin embargo no hubo
transferencia de calor del exterior del termo al
interior por lo que se trata de un proceso
adiabático.
Rendimiento termodinámico o eficiencia
Artículo principal: Rendimiento térmico
Un concepto importante en la ingeniería térmica
es el de rendimiento. El rendimiento de una
máquina térmica se define como:
donde, dependiendo del tipo de máquina térmica,
estas energías serán el calor o el trabajo que se
transfieran en determinados subsistemas de la
máquina.
Teorema de Carnot
Artículo principal: Ciclo de Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró
que el rendimiento de alguna máquina térmica
que tuviese la máxima eficiencia posible (a las
que en la actualidad se denotan con su nombre) y
que operase entre dos termostatos (focos con
temperatura constante), dependería sólo de las
temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el
rendimiento para un motor térmico de Carnot
viene dado por:
donde Tc y Th son las temperaturas del termostato
frío y del termostato caliente, respectivamente,
medidas en Kelvin.
Este rendimiento máximo es el correspondiente al
de una máquina térmica reversible, la cual es sólo
una idealización, por lo que cualquier máquina
térmica construida tendrá un rendimiento menor
que el de una máquina reversible operando entre
los mismos focos.
Dilatación térmica
Artículo principal: Dilatación térmica
La dilatación térmica corresponde al efecto de que
las sustancias se "agrandan" al aumentar la
temperatura. En objetos sólidos, la dilatación
térmica produce un cambio en las dimensiones
lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de
líquidos y gases, que no tienen forma
permanente, la dilatación térmica se manifiesta en
un cambio en su volumen.
Dilatación lineal
Consideremos primero la dilatación térmica de un
objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se
pueden representar por l0 , y que se dilata en una
cantidad ΔL. Experimentalmente se ha encontrado
que para casi todas las sustancias y dentro de los
límites de variación normales de la temperatura, la
dilatación lineal ΔL es directamente proporcional
al tamaño inicial l0 y al cambio en la temperatura
Δt, es decir:
= = .
donde se llama coeficiente de dilatación
lineal, cuya unidad es el recíproco del grado,
es decir [°C]-1.
Dilatación superficial
Es el mismo concepto que el de dilatación
lineal salvo que se aplica a cuerpos a los que
es aceptable y preferible considerarl como
regiones planas; por ejemplo, una plancha
metálica. Al serle transmitida cierta cantidad
de calor la supeperficie del objeto sufrirá un
incremento de área: ΔA.
= = .
donde γ se llama coeficiente de
dilatación superficial.
Dilatación volumétrica
La dilatación térmica de un líquido o un
gas se observa como un cambio de
volumen ΔV en una cantidad de sustancia
de volumen V0, relacionado con un
cambio de temperatura Δt. En este caso,
la variación de volumen ΔV es
directamente proporcional al volumen
inicial V0 y al cambio de temperatura Δt,
para la mayor parte de las sustancias y
dentro de los límites de variación
normalmente accesibles de la
temperatura, es decir:
= = .
donde β se llama coeficiente de
dilatación volumétrica, medida en
la misma unidad que el coeficiente de
dilatación lineal.
Se puede demostrar fácilmente
usando el álgebra que:
Análogamente se puede obtener
el coeficiente de dilatación
superficial γ dado por:
Diagramas termodinámicos
Diagrama PVT
Diagrama de fase
Referencias
1. ↑ Según la RAE
2. ↑ Según la RAE
Véase también
Calor y Temperatura
(Continuación del estudio
de la Termodinámica.)
Criterio de signos
termodinámico
Entropía
Neguentropía
Exergía
Entalpía
Caos
Sistémica
Energía
Economía ecológica
Refrigeración por absorciónEl sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío
que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha
que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a
gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante
un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la
capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de
absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad
es emplear el agua como sustancia absorbente (disolvente) y como
absorbida (soluto) amoniaco.
Más en detalle, en el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante), en
un circuito a baja presión, se evapora en un intercambiador de calor,
llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, que refrigerará
ambientes o cámaras. Acto seguido el vapor es absorbido por el bromuro de
litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada.
Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por
medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al
evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo. Como los
sistemas de compresión, el sistema requiere una torre de enfriamiento para
disipar el calor sobrante.
Ventajas e inconvenientes [editar]
El rendimiento, medido por el COP (coefficient of performance, en la
normativa española, por el CoDeRE, Coeficiente De Rendimiento
Energético), es menor que en el método por compresión (entre 0,8 y 1,2
frente a 3 y 5,5 ), sin embargo en algunos casos compensa, cuando la
energía proviene de una fuente calorífica más económica, incluso residual o
un subproducto destinado a desecharse.
Un ejemplo de esta situación podría ser una instalación de aire
acondicionado solar: si se utilizasen placas fotovoltaicas solo se podría
utilizar un 15-20% de electricidad en comparación con unos paneles solares
térmicos que podrían aprovechar hasta el 90% de la energía solar recibida,
y a un precio de instalación mucho más reducido.
El conjunto completo paneles solares-absorción tendría un COP de entre
0,72 y 1,08 y el de compresión entre 0,54 (18% paneles y COP de 3, muy
habitual) y 1,1 (20% paneles y COP de 5,5)
También hay que tener en cuenta que el sistema de compresión, utiliza
normalmente la energía eléctrica, y cuando ésta llega a la toma de corriente
lo hace con un rendimiento inferior al 25% sobre la energía primaria
utilizada para generarla, lo que reduce mucho las diferencias de rendimiento
(0,8 frente a 1,37).
Al calor aportado al proceso de refrigeración se le suma el calor sustraído
de la zona enfriada. Con lo que el calor aplicado puede reutilizarse.
Sin embargo, el calor residual se encuentra a una temperatura más baja (a
pesar de que la cantidad de calor sea mayor), con lo que sus aplicaciones
pueden reducirse.
Los aparatos generadores por absorción son más voluminosos y requieren
inmovilidad (lo que no permite su utilización en automóviles, lo que sería
muy conveniente como ahorro de energía puesto que el motor tiene grandes
excedentes de energía térmica, disipada en el radiador).
Caldera (máquina)
Calderas de gasóleo.
Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado
para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una
transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente
en estado liquido, se calienta y cambia de estado.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el
calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía
utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor, en las
cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión,
por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de
muchos contenedores de gas.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de
agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo para
aplicaciones como:
Esterilización(Tindarización), es común encontrar calderas en los
hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos
médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera
vapor para esterilizar los cubiertos.
Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a
los petroles pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.
Generar electricidad a través de de un ciclo Rankine. Las calderas son
parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su
diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.
Tabla de contenidos
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1 Tipos de caldera
2 Elementos, términos y componentes de una caldera
3 Véase también
4 Enlaces externos
Tipos de caldera [editar]
Acuotubulares: son aquellas en las que el fluido de trabajo se desplaza
a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en
las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su
salida, y gran capacidad de generación.
Pirotubulares: en este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en
un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula fuego y
gases producto de un proceso de combustión.
Elementos, términos y componentes de una caldera [editar]
Agua de alimentación: Es el agua de entrada que alimenta el sistema,
generalmente agua de pozo o agua de red.
Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque
condensador y que representa la calidad del vapor.
Vapor seco: Vapor de óptimas condiciones.
Vapor húmedo: Vapor con arrastre de espuma proveniente de una agua
de alcalinidad elevada.
Condensador: Sistema que permite condensar el vapor.
Estanque de acumulación: Es el estanque de acumulación y distribución
de vapor.
Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la
caldera.
Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de
agua de la caldera.
Fogón: Alma de combustión del sistema.
Combustible: Comburente que se transforma en energía calórica que
permite la vaporización.
Agua de calderas: Agua de circuito interior de la caldera cuyas
características dependen de los ciclos y del agua de entrada.
Ciclos de concentración: Número de veces que se concentra el agua de
caldera respecto del agua de alimentación.
Alcalinidad: Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere
una concentración de iones carbonatos e hidróxilos que determina el
valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5
a 11.5.
Desoxigenación: Tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de
calderas.
Incrustación: Sedimentación de sólidos con formación de núcleos
cirtalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que
merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera.
Dispersante: Sistema químico que mantiene los sólidos
descohesionados ante un evento de incrustación.
Antiincrustante: Sistema químico que permite permanecer a los sólidos
incrustantes en solución.
Anticorrosivo: Sistema químico que brinda protección por formación de
films protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
Corrosión: Véase Corrosión
Indice de vapor/combustible: Indice de eficiencia de producción de vapor
de la caldera.
BOMBA DE CALOR
TIPOS Y FUNCIONAMIENTO
El sistema de bomba de calor puede transmitir el calor del entorno hacia las dependencias que se pretenden calefactar. El calor generado puede utilizarse para calefacción y agua caliente sanitaria.
El principio de funcionamiento es el mismo que usa un aparato frigorífico. Un refrigerador consigue enfriar un recinto ya que quita energía del aire interior, a baja temperatura, y la cede al aire exterior, a mayor temperatura, calentándolo.
Si invertimos el funcionamiento de un refrigerador, enfriando el aire exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de calor. Por esta razón la mayoría de estos aparatos son reversibles y permiten refrigerar en verano y calefactar en invierno.
La bomba de calor se suele clasificar según el medio de origen y destino de la energía de tal forma que se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio que absorbe calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). A continuación de describen algunos de estos tipos.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE: Son las más utilizadas, principalmente en climatización.
Esfuerzos y características técnicas
BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE
En este sistema, tanto la calefacción como la refrigeración del espacio acondicionado se consiguen mediante la inversión del flujo del fluido frigorífico (refrigerante con el que se carga el sistema de refrigeración) entre las baterías o intercambiadores denominados clásicamente evaporador y condensador. La inversión de este flujo se consigue mediante una válvula de 4 vías accionada mediante un termostato situado en el ambiente acondicionado.Las baterías intercambiadoras dejan de denominarse evaporador y condensador, debido a que actúan tanto una como la otra efectuando la doble función de evaporador y condensador, dependiendo de que el equipo esté trabajando en ciclo de calor o de frío. En un equipo bomba de calor aire-aire estas baterías se denominan:
Batería exterior: la que está efectuando las funciones de condensador en ciclo de frío y de evaporador en ciclo de calor. Está situada en el exterior del espacio acondicionado y de ahí viene su denominación.
Batería interior: situada en el interior del espacio acondicionado actúa como evaporador en ciclo de refrigeración y como condensador en ciclo de calor.
Ambas baterías son de tubo de aleta ya que se trata de intercambiadores aire-refrigerante debido a que el calor siempre se toma y se cede al aire (situado dentro y fuera del espacio acondicionado), de ahí el nombre de bomba de calor aire-aire. Actualmente los equipos bomba de calor aire-aire son del tipo compacto (package) o partidos (split). Sus capacidades oscilan entre las 4.500 y 20.000 frig/h y sus características fundamentales son: - La bomba de calor de este tipo cumple la doble función de calefactar y enfriar. En consecuencia con un solo equipo se pueden conseguir las condiciones de confort durante todo el año. - Las unidades tanto de calor como de frío para acondicionar un espacio determinado se consiguen mediante una sola fuente de energía (normalmente la eléctrica). - El calor suministrado por el equipo en el ciclo de calor es de dos o tres veces superior al absorbido por el equipo para su funcionamiento. - No se precisan chimeneas ni tomas de aire para que el equipo funcione. En consecuencia se reducen los costos de instalación.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE
ESFUERZOS Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Por lo general, una bomba de calor tiene tres zonas de funcionamiento dentro de las cuales los componentes de la misma están sometidos a esfuerzos importantes. Estas zonas están definidas por las condiciones ARI de 7ºC y -7ºC. El material de las bombas no solamente debe estar concebido para su trabajo en estos puntos, sino que también debe estarlo para condiciones anormales, tales como:
Arranque en épocas muy frías. Tensiones de alimentación extremas. Averías de algún componente. Contaminación del refrigerante en mayor o menor grado.
Los equipos de diseño actual que se han probado en estas condiciones (además de las condiciones ARI) puede considerarse que gozan de una fiabilidad prácticamente asegurada.
Compresor El compresor es la parte fundamental de una bomba de calor. Su misión es bombear los vapores producidos en el evaporador a baja presión, y comprimirlos a alta presión. En consecuencia, la presión de alta (P.A.) y la presión de baja (P.B.) se producirán en función del sistema, de las temperaturas y de las posibles anormalidades que tengan lugar en el equipo.
Cuando las P.A. y P.B. son elevadas nos encontramos en una zona donde la potencia eléctrica consumida es importante, lo que implica que los esfuerzos mecánicos a que se someten los cojinetes, cigüeñal, válvulas, etc., son importantes.Otra zona de esfuerzos importantes se produce con una P.A. elevada y una P.B. débil. Con esa relación de compresión, la temperatura de descarga aumenta y el caudal de fluido frigorífico es bajo. En consecuencia se produce una mala refrigeración del motor eléctrico del compresor, acelerando la destrucción del compresor por vía química.Un equipo diseñado para funcionar solamente en ciclo de refrigeración, lo hace solamente en el exterior de las zonas de esfuerzos elevados.
Cuando acontecen situaciones anormales, tales como fuga de gas, filtros sucios, condensador sucio, falta de aire a través del evaporador o condensador, el punto de funcionamiento se sitúa entonces dentro de la zona de esfuerzos importantes y con el fin de proteger el compresor se montan las seguridades adecuadas (presostatos de alta, baja, etc.).
Compresor en ciclo de calorSi en un equipo de refrigeración se procede a invertir el ciclo a fin de que trabaje proporcionando calor, se obtiene el siguiente diagrama de funcionamiento.
Puede verse que en este caso, el ciclo del sistema se sitúa en un punto más alejado que el tarado del presostato de baja del equipo concebido como refrigerador solamente. Las primeras bombas existentes en el mercado montaban un presostato de baja regulado para una presión mas baja que a su vez está ya situado en la zona de esfuerzos importantes (nótese que el punto ARI -7°C no está situado en la misma).Además de los esfuerzos enumerados que solicitan a una bomba de calor, éstas están sometidas a otro esfuerzo adicional que se produce durante la formación de hielo y el ciclo de deshielo. Esta zona está situada alrededor de los 0°C. Por encima de + 7ºC no existe formación de hielo y por debajo de -7°C se deposita en muy pequeña cantidad.Durante el ciclo de deshielo, el funcionamiento del equipo se sitúa en la zona marcada [DE]
Compruébese que tanto las zonas de formación de hielo sobre la batería exterior como la de deshielo no están situadas en lugares que se han denominado críticos. El esfuerzo que que solicita al compresor durante estos periodos es el derivado de las inversiones del ciclo y que viene motivado por variaciones de presión, temperatura y caudal de refrigerante. Por este motivo puede haber algún momento que el funcionamiento del compresor está situado en la zona de esfuerzos elevados.En resumen, hemos encontrado tres zonas de esfuerzos.
1.º Los puntos ARI 7°C y -7°C que enmarcan perfectamente la zona de formación de hielo.2.º Por encima de 7°C, es decir hacia los 13°C y más arriba se entra en una zona de temperaturas exteriores elevadas.3.º Alrededor de los -15°C se encuentra la zona de temperaturas exteriores bajas.
En consecuencia una bomba de calor esta sometida a esfuerzos importantes en regiones que no quedan definidas por los puntos de medida 7ºC. y -7ºC. dentro de los cuales prácticamente todos los equipos de refrigeración funcionan correctamente. Debido a esto, es necesario que el compresor que se utilice en un equipo bomba de calor este diseñado de forma que:
Los arrollamientos del motor están preparados para soportar temperaturas mas altas de lo habitual.
Los elementos de protección de estos arrollamientos deben ser adecuados. El aceite utilizado para la lubricación del compresor debe ser adecuado para que soporte
las elevadas temperaturas a que se vera sometido sin sufrir transformaciones químicas. La lubricación debe estar asegurada durante cualquier condición de funcionamiento
asegurando la vida de todas las partes móviles y cojinetes, válvulas, válvula de inversión, válvulas de retención, etc.
El refrigerante debe mantenerse a su nivel adecuado tanto en ciclo de verano como de invierno para evitar golpes de líquido al compresor.Actualmente, gracias a los ensayos efectuados sobre las condiciones de funcionamiento de una bomba de calor se puede disponer de compresores herméticos especialmente diseñados para trabajar en equipos bomba de calor. Se han tornado medidas tendentes a reforzar los cojinetes y dar mas superficie de paso a través de las válvulas. Los motores eléctricos disponen de un aislamiento mejor y la refrigeración del estator ha sido mejorada. Asimismo se utilizan en este tipo de compresores aceites de base mineral quo evitan una
serie de problemas quo surgen cuando se utilizan aceites de refrigeración considerados estándar.Consecuentemente, estas mejoras permiten ampliar la zona de funcionamiento del equipo.
ConclusiónLa bomba de calor AIRE-AIRE es cada día mas fiable y en consecuencia cada vez mas sencilla (o viceversa).Los compresores mas robustos precisan menos órganos de protección. Los nuevos compresores desarrollados para aplicaciones de bomba de calor son mas compactos, mas ligeros, de mantenimiento mas fácil, contienen menos aceite y refrigerante disuelto en él, son menos ruidosos, pueden funcionar dentro de unos límites de voltaje mas amplios, y resisten mejor la contaminación del circuito.Por otro lado la tecnología electrónica permite disponer de paneles de mando de la bomba de calor donde los contáctores electromecánicos pueden reemplazarse por conmutadores electrónicos (triac) y toda la problemática del funcionamiento del equipo (protección contra funcionamiento en zonas de esfuerzos importantes tanto en alta como en baja, fallo de caudal a través de las baterías, filtros sucios, perdida de gas, temperaturas del refrigerante anormales, inicio y duración del deshielo solo cuando es realmente necesario, conexión automática del frío o el calor según necesidades del local acondicionado, puesta en funcionamiento de las resistencias complementarias cuando esta a una temperatura exterior inferior a la de equilibrio, etc.), queda resuelta de una forma sencilla y quo abarata costos de reparación.
BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA
La bomba de calor extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un
circuito de agua a baja temperatura.
Es un sistema clásico de acondicionamiento de aire, que utiliza baterías frías y baterías calientes además de una "batería exterior" que se utiliza para eliminar o extraer el calor del exterior. En invierno, el evaporador de la maquina frigorífica se conecta a la batería exterior y el condensador a la batería caliente. El calor se extrae de una mezcla de aire exterior-aire de extracción que pasa por la batería y a través de la maquina eliminando sobre el aire que se introduce en el local por la batería caliente.Este sistema se presta extremadamente bien a aplicaciones con maquinas centrifugas y a pistón. Cuando la temperatura exterior descienda por debajo de 4° C., el fluido que se hace circular a través de las baterías exteriores debe incorporar una solución anticongelante a fin de protegerlas. Asimismo debe instalarse un dispositivo de deshielo de la batería exterior.Pueden efectuarse muchas variantes sin cambiar el principio básico de funcionamiento. Puede utilizarse una torre de agua para enfriar el agua de condensación en verano y concebirla además con baterías de aletas que puedan extraer el calor del aire exterior en invierno. Otra posibilidad es utilizar un enfriador de tipo evaporativo que funcione húmedo en verano y seco en invierno.
BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA
Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada.
En este tipo, tanto la calefacción como la refrigeración se efectúan mediante la inversión de los circuitos de agua entre el evaporador y el condensador de una planta enfriadora de agua. Este sistema precisa de una reserva de agua que se utiliza en verano para la condensación y en invierno como fuente de calor. Puede utilizarse con estos fines agua de un grifo, de pozos, lagos, etcétera. Las maquinas de refrigeración centrifugas o a pistón son ideales para este tipo de sistema.El cambio de la producción de frío a la de calor se efectúa gracias a un simple sistema de válvulas.
Legend
1. Condenser coil (hot side heat exchanger)
2. Expansion valve (gas expands, cools and liquifies)
3. Evaporator coil (cold side heat exchanger)
4. Compressor
5. Red = Gas at high pressure and temperature
6. Pink = Gas at high pressure and reduced temperature
7. Blue = Liquid at low pressure and greatly reduced temperature
8. Light Blue = Gas at low pressure and warmer temperature
Índice
Indice 1
Introducción 2
¿ Cómo funciona una bomba de calor? 3
Clasificación de las bombas de calor 5
Funcionamiento de las bombas de calor 6
Focos de la bomba de calor 9
Componentes de la bomba de calor 11
Refrigerantes 16
Coeficientes de prestación 17
Aplicaciones de la bomba de calor 20
Bomba de calor y medio ambiente 28
Proyectos de investigación y desarrollo tecnológico 34
Eficiencia o rendimiento de la bomba de calor 38
Definiciones de términos 40
Direcciones 41
Introducción
¿ Qué es lo que entendemos por una bomba de calor?
Denominamos BOMBA DE CALOR a una máquina térmica capaz de transferir calor de una fuente fría a
otra más caliente. Podriamos definirlo como un equipo de aire acondicionado, que en invierno toma calor
del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del local que se ha de calentar; todo este
proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un compresor.
Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energía, que es lo mismo que decir, ahorro de
dinero. Sirva como ejemplo: por 1 KW de consumo de la red eléctrica, da 3KW de rendimiento en calor; lo
cual equivale a decir que consumiendo la misma energía eléctrica, la Bomba de Calor suministra 3 veces
más calor que un aparato de calefacción eléctrica.
Resumiendo, la Bomba de Calor tanto en invierno como en verano; actúa como un equipo
acondicionador de aire para darnos nuestro hogar.
¿ Cómo funciona una bomba de calor?
El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas
temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de hacerlo en dirección contraria, utilizando una
cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las
fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra,
hacia las dependencias interiores que se pretenden calentar o bien para emplearlo en procesos que
precisan calor. Es posible también aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco
frío, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el
rendimiento del sistema.
Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de
calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se
encuentra a temperatura superior.
En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cuando se necesita calentar
algo.
Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere aportar un trabajo.
Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extraído de la fuente de calor más el
trabajo externo aportado.
El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor provienen del establecimiento por Carnot en
1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un
gas que evoluciona en ciclos, es comprimido y luego expansionado y del que se obtiene frio y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en
aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades
de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y calor simultáneamente no se aprovecharon.
Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la construcción de la Bomba
de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que hacía que ésta no fuera competitiva con los sistemas
tradicionales de calefacción a base de carbón, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en
relación con sus costes. Pero la crisis del petróleo y la subida de los precios de los combustibles a partir
de
1973, benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.
En el momento actual la utilización de Bombas de Calor supone un ahorro energetico y que se reduzcan
las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energía primaria que cualquier otro
sistema pero hay que tener en cuenta como se genera la energia electrica que consumen las bombas de
calor para saber si de verdad no contaminan.
Si la energía eléctrica proviene de fuentes como la hidroeléctrica ó eólica, entonces la contaminacion es
nula, pero si son de otras como las térmicas es evidente que existe esa contaminación, que de todas
maneras es mucho menor que otros aparatos.
Clasificación de las bombas de calor
Las bombas de calor se pueden clasificar de distintas maneras:
&Según el Tipo de Proceso:
-Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un motor
eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.
-Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de absorción), en
las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas.
-Bombas de Calor electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.
&&Según el medio de origen y destino de la energía
Esta clasificación es la más utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante
dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco
frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). Este cuadro en un principio puede parecer un poco
complicado pero lo explico más abajo.
Medio del que Medio al que se
extrae la energía cede la energía
Según medio de origen y AIRE AIRE
de destino de la energía AIRE AGUA
AGUA AIRE
AGUA AGUA
TIERRA AIRE
TIERRA AGUA
- Las bombas de calor aire-aire: son las que más se usan, sobre todo en climatización. - Bombas de calor
aire-agua: se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua
sanitaria.
- Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares,
aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior.
- Bombas de calor agua-agua: son bastante parecidas a las anteriores.
- Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son
instalaciones muy raras, por su coste y la gran superficie de terreno requerido
&&&Según construcción
- Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de
una misma carcasa.
-Split o partidas: Están constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el
compresor y la válvula de expansión y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el
interior local.
-Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores.
&&&&Según funcionamiento
-Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración invirtiendo el
sentido de flujo del fluido.
-No reversibles: Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.
-Termofrigobombas: Producen simultáneamente frío y calor.
Funcionamiento de una bomba de calor
& Bomba de Calor de Compresión Mecánica
La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de
compresión de un fluido condensable.
Sus principales componentes son:
- Compresor
- Válvula de expansión
- Condensador
- Evaporador
Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido
refrigerante.
BOMBA DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA ACCIONADA POR MOTOR ELÉCTRICO
Etapas del ciclo
1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por
debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el
calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de éste.
2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando
su presión y temperatura.
3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el
calor de condensación al medio.
4. Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se
expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y
temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo
accediendo al evaporador.
El compresor puede ser accionado por un motor eléctrico o por un motor
térmico.
- Bombas de calor eléctricas: En este tipo de bombas el compresor es
accionado por un motor eléctrico. ( como la imagen del dibujo anterior)
- Bomba de calor con motor térmico: El compresor es accionado
mediante un motor de combustión, alimentado con gas o con un
combustible líquido. Las más extendidas son las Bombas de Calor con
motor de gas. (como el dibujo siguiente)
BOMBA DE CALOR CON MOTOR DE GAS
Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefacción y refrigeración.
Las Bombas de Calor reversibles incorporan una válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación
del fluído frigorífico. De esta forma se consigue:
Que se bombee calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefacción.
Que se bombee calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.
En el siguiente diubjo se esquematizan los ciclos de calefacción y refrigeración.
El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente:
Ciclo de calefacción:
- El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico. (1)
- En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calentar, el fluido cede al aire del recinto el
calor de su condensación. (2)
- El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión
reduciendo su presión y temperatura, evaporándose en parte. (3)
- En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporación absorbiendo
calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a través de una válvula de cuatro vías. (5)
CICLOS DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN
Ciclo de refrigeración:
- El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico (1) siguiendo su camino a través de la
válvula de 4 vías (5).
- En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior.
(4)
- El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y
evaporándose en parte. (3)
- En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorífico completa su
evaporación absorbiendo calor del medio interior.
&& Bomba de Calor de Absorcion
Las Bombas de Calor de absorción son accionadas térmicamente, esto quiere
decir que la energía aportada al ciclo es térmica en vez de mecánica como en el caso del ciclo de
compresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos de absorber
fluido refrigerante. Las parejas de fluidos más utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante
en combinación con bromuro de litio como absorbente, o bien el amoníaco como refrigerante utilizando
agua como absorbente.
BOMBA DE CALOR DE ABSORCIÓN
Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se sustituye el compresor por un
circuito de disoluciones que realiza la misma función que éste, es decir, eleva la presión y temperatura
del fluído frigorífico enestado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en el dibujo, consiste en
un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión.
Se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el bsorbedor. En el generador
se consume energía térmica a alta temperatura, y en la bomba energía mecánica.
Focos de la bomba de calor
La Bomba de Calor extrae energía de un medio. Mediante el trabajo externo aportado, esta energía es
cedida a otro. El medio del que se extrae la energía se llama foco frío y el medio al que se cede se llama
foco caliente.
En el esquema de la página siguiente se presentan algunos focos entre los que se puede
bombear calor
&Focos Fríos
Un foco frío ideal es aquel que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación en que
es necesario calentar, está disponible en abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades
termodinámicas favorables, y no requiere costes elevados de inversión o mantenimiento.
Aire atmosférico.
Su utilización presenta problemas de formación de escarcha. Este problema se resuelve invirtiendo el
ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto adicional de energía. Para temperaturas por
encima de 5ºC no es necesario el desescarche.
Aire de extracción.
Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales. La Bomba de Calor recupera
el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción. Existen sistemas diseñados para trabajar con
una combinación de aire natural y de aire de extracción.
Aguas naturales
Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas o del mar. La eficiencia
obtenida con este foco es muy elevada y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del
agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos
en el exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC. Cuando se utiliza agua del mar hay
que prever problemas de corrosión y de proliferación de algas.
Energía solar
Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, encombinación con la Bomba de
Calor.
Energía geotérmica del suelo y subsuelo
Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el
funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire exterior. Para aprovechar la energía del
suelo es necesario un sistema de tuberías. Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una
gran superficie de terreno.
Energías residuales y procedentes de procesos
Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la
industria o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes
con una temperatura constante a lo largo del año. Los principales problemas para su utilización son la
corrosión y obstrucción del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas.
&&Focos calientes
Aire
El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la habitación o es forzado a través
de un sistema de conductos.
Agua
Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria y procesos industriales.
A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores especialmente diseñados, a sistemas de
suelo radiante o a fan-coils.
¿Cuáles son los componentes de la bomba de calor?
&Compresor
Eleva la presión del vapor refrigerante desde una presión de entrada a una presión de salida más alta. Se
pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que
pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrífugos.
En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser:
- Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurándose
la estanqueidad en el paso del eje.
- Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se
recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos.
- Herméticos: El motor y el compresor, además de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente,
con lo que la recuperación del calor generada en el motor es mayor.
En las Bombas de Calor eléctricas se utilizan compresores herméticos para
potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente
Bombas de Calor aire-agua) se utilizan compresores semiherméticos.
Unicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en
equipos de serie.
En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es
abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagnético que
permite la regulación de la potencia en función de la demanda térmica.
Las bombas de calor de gas suelen disponer de un motor de cuatro tiempos con un compresor
alternativo abierto.
Alternativos
Los alternativos húmedos están compuestos por un número variable de cilindros en el interior de los
cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido. Los cilindros se suelen disponer en posición radial.
El fluido entra y sale de ellos por válvulas accionadas por la presión diferencial entre ellos. Disponen de
un sistema de lubricación mediante aceite a presión.
Este circuito de aceite actúa también como refrigerante. La refrigeración mediante aceite presenta
problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior del
cilindro.
Los alternativos secos consiguen presiones de salida más elevadas que en los anteriores, ya que la
compresión tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor generado en la compresión mediante
circuitos de agua en las etapas entre compresiones.
La estanqueidad entre cilindro y pistón se logra mediante segmentos muy resistentes que no requieren
refrigeración, a base de materiales como el politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un
costo más elevado y desarrollan mayores potencias.
COMPRESOR ALTERNATIVO
Rotativos
El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y otro hembra
que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el espacio entre ellos primero aumenta, generando una
depresión mediante la que se aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no
existir contacto entre los rótores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo sí es necesaria una
refrigeración auxiliar.
En el caso del compresor de tornillo húmedo se inyecta aceite a presión entre los rótores para conseguir
lubricación y refrigeración. Los compresores de tornillo se utilizan en generación de potencias térmicas
muy elevadas a partir de 500 kW y suelen ser semiherméticos.
COMPRESOR ROTATIVO
Espiral o scroll
Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias térmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se
comprime por la variación del volumen causada por na espiral giratoria. Son herméticos y permiten la
aspiración y descarga simultánea del refrigerante sin necesidad de una válvula. La reducción de partes
móviles mejora el desgaste y en consecuencia la duración de estos equipos.
COMPRESOR DE ESPIRAL O SCROLL
Swing
Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia térmica (hasta 6 kW). Son rotativos
herméticos y consiguen la variación del volumen mediante un pistón rodante.
Centrífugos
Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de presión y se destinan a equipos
de gran potencia.
&&Condensador
Se pueden clasificar en:
-Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire
Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la
transmisión de calor. Adicionalmente estas baterías disponen de ventiladores que inducen la circulación
del aire a calentar entre las aletas del condensador.
Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua
Pueden ser:
-Cambiadores de doble tubo en contracorriente:
El fluido refrigerante circula porel espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a
calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricación de los tubos es el cobre, y
se suele emplear en equipos de potencia térmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por
la dificultad de la limpieza.
-Multitubulares horizontales: El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se
encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero
con tapas de fundición. Debido a las características del agua puede ser necesario que los tubos del
condensador sean de acero inoxidable o de aleación de níquel.
&&&Evaporador
-Según el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador estos se
clasifican en:
De expansión seca:
El vapor que se introduce en el compresor está ligeramente sobrecalentado y hay ausencia total de
líquido. Estos evaporadores se emplean con compresores centrífugos donde dada la elevada velocidad,
la presencia de gotas de líquido dañaría los álabes.
Inundados:
El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puedeincluso contener gotas de líquido.
-Según el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser:
Evaporadores de aire:
Las baterías evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los
que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente
de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos ventiladores pueden ser axiales o
centrífugos. Los centrífugos son capaces de
impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando la temperatura en la
superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de rocío del aire se produce el
fenómeno de la condensación y si se reduce aún más la temperatura el escarchado. El escarchado incide
negativamente en los rendimientos por dos motivos: pérdida en la superficie de intercambio, y pérdida
de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos. Por esta razón las Bombas de Calor disponen
de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante
periodos reducidos de tiempo.
VENTILADOR AXIAL Y VENTILADOR CENTRIFUGO
Evaporadores de agua:
Pueden ser coaxiales en contracorriente o bien multitubulares.
&&&&Dispositivos de expansión
Son los dispositivos mediante los que se realiza la reducción de presión isoentálpica ( es decir con
variacion de entalpía igual a 0) desde la presión de condensación hasta la de evaporación.
Los elementos utilizados son:
-Tubo capilar para máquinas de potencia reducida y constante.
-Válvula de expansión: Las válvulas de expansión tienen una sección variable. Esta sección puede ser
variada automáticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporación se mantenga
constante y no accedan gotas de líquido al compresor. En este caso la válvula recibe el nombre de
termostática.
VÁLVULA EXPANSIÓN
&&&&&Dispositivos de seguridad y control
Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se esté trabajando
fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son:
-Presostato de alta presión: Detiene el compresor cuando se alcanza una presión de condensación
elevada.
-Presostato de baja presión. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presión de aspiración es
demasiado baja.
-Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presión del aceite del circuito de refrigeración
y lubricación de aceite.
-Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura dedescarga es demasiado
elevada.
&&&&&&Dispositivos auxiliares
Válvulas de 4 vías:
Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche.
Válvulas solenoides:
Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde.
Depósito
A la salida del condensador y antes de la válvula de expansión se sitúa un depósito (acumulador) donde
queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia
el refrigerante de impurezas de tal manera que no dañe el compresor.
Refrigerantes de la bomba de calor.
Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinámicas de tal manera que condensen
y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor
temperatura cuando se eleva su presión, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presión y
los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas
respectivamente.
Por otra parte, los fluidos refrigerantes no deben ser tóxicos, ni inflamables, ni reaccionar con los
materiales que constituyen la máquina.
Los fluidos halogenados presentan las mejores propiedades ya que trabajan en las temperaturas y
presiones adecuadas para esta aplicación y no son tóxicos ni inflamables. No obstante, pueden contribuir
a la destrucción de la capa de ozono. Si al final de su vida útil se liberan en el ambiente, la incidencia de
rayos ultravioleta sobre estas sustancias hace que se fotodisocien quedando libres radicales de cloro,
que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyéndolo. Por
estas razones, la utilización de estos refrigerantes está restringida por ley.
Actualmente el fluido con el que funcionan la práctica totalidad de las Bombas de Calor en España es el
R-22, (HCFC-22) cuya fórmula química es CHClF2. El R-22 únicamente tiene un átomo de cloro y por
tanto resulta menos perjudicial para la capa de ozono que los CFC´s.
No obstante, y en virtud del reglamento de la Unión Europea 3093/94, se ha establecido un programa de
reducción progresiva de utilización de los HCFC´s, de forma que la producción de R-22 finalizará en el
año 2014.
En cuanto a las temperaturas y presiones de funcionamiento en la aplicación de Bomba de Calor del R-22
estas suelen ser:
Temperaturas Presiones (Kg/cm2 abs)
Evaporador Condensador Evaporador Condensador
+25ºC +70ºC 10,5 30,5
Coeficientes de prestación de la bomba de calor.
Se define el coeficiente de prestación de una Bomba de Calor COP (Coefficient of perfomance) como el
cociente entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida.
&COP teórico
En un ciclo ideal de Carnot:
Siendo
-T1: Temperatura absoluta del foco caliente
-T2: Temperatura absoluta del foco frío
&&COP práctico
- Alpha es un coeficiente de rendimiento que tiene en cuenta que el ciclo real no se desarrolla en
condiciones perfectas de isoentropicidad, (los procesos son irreversibles y no perfectamente
adiabáticos). Este coeficiente oscila entre 0,3, en máquinas pequeñas, hasta 0,65 en las de gran
potencia.
- Tf2 y Tf1 son respectivamente las temperaturas absolutas de evaporación y condensación del fluido
refrigerante.
Para que la transmisión de calor entre el fluido refrigerante y un foco frío tenga lugar, es necesario que
Tf2 sea inferior a T2. De la misma manera, para que el fluido refrigerante ceda calor al foco caliente, Tf1
debe ser superior a la temperatura del foco caliente T1
El COP práctico depende del coeficiente de rendimiento a y de las temperaturas del foco frío y caliente.
En la figura siguiente se representa esta dependencia.
&&&PER
Se le denomina REP (Rendimiento de Energía Primaria) o PER (Primary Energy Ratio) en terminología
anglosajona.
Este coeficiente, justifica la utilización de la Bomba de Calor frente a otras alternativas tradicionales.
COP PRÁCTICO DE UNA BOMBA DE CALOR.
Bomba de
calor
eléctrica
Bomba de calor
con motor de
combustión
Bomba de calor de
absorción de simple
efecto
Bomba de calor de
absorción de doble
efecto
COP 2,5-4 0,8-2 1-1,7 1,8-2,4
PER 0,9-1,4 0,8-2 1-1,7 1,8-2,4
El PER se define como la relación entre la energía térmica y la energía primaria consumida en el proceso.
En la tabla siguiente se muestran los valores habituales del COP y PER de distintas Bombas de Calor
trabajando entre 0º y 50º C.
&&&&COP medio estacional
Las condiciones del foco caliente y del frío van variando a lo largo del año, y en consecuencia las
temperaturas a las que debe trabajar el fluido también deben variar. Por esta razón es posible que haya
que aportar al sistema energías adicionales a la del compresor en los momentos más desfavorables. A la
hora de estudiar la viabilidad e interés de una Bomba de Calor en una determinada aplicación es
necesario determinar el valor de este coeficiente.
Siendo:
Q1 : Calor total cedido para la calefacción en el periodo considerado en valor absoluto.
W : Trabajo realizado por el compresor sobre el fluido en el periodo considerado en valor absoluto.
W´ : Resto de energías consumidas en el periodo considerado: pérdidas en el motor eléctrico,
aportaciones externas de calor, etc..
Al coeficiente de prestación estacional también se le denomina SPF (Seasonal Perfomance Factor) en
terminología anglosajona. Es con este factor con el que se deben de comparar los gastos de
funcionamiento de las diferentes alternativas de calefacción.
Aplicaciones de la bomba de calor en diversos sectores.
&Sector residencial:
- Climatización de viviendas.
Las Bombas de Calor utilizadas en estas aplicaciones son:
-Bombas de calor aire-aire:
Es la aplicación más habitual. Se suelen utilizar
unidades de baja potencia, que se destinan a la calefacción y refrigeración de
viviendas. El equipo está en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae
el calor y también con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor. Este
será distribuido mediante un red de conductos por todas las habitaciones.
Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una sola
unidad. La batería exterior irá en contacto con el ambiente exterior y la unidad
interior estará conectada a la red de conductos, que distribuyen el aire por el
interior de la vivienda.
Si se utiliza un equipo partido, ambas unidades, la interior y la exterior irán
conectadas mediante tuberías aisladas, por las que circulará el refrigerante. La
unidad exterior irá colocada en el exterior de la vivienda, por ejemplo en la
terraza, jardín, etc. La unidad o unidades interiores pueden ser vistas o bien ir
situadas en el falso techo.
- Bombas de calor aire-agua: En este caso, la Bomba de Calor extrae el calor
del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un circuito de agua a
baja temperatura.
- Bombas de calor agua-agua: Utilizan como fuente de calor el agua superficial
de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es
prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite
mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada. Como en el
caso anterior la distribución se hace mediante sistemas a baja temperatura.
- Bombas de calor agua-aire: Requieren también la disponibilidad de una
fuente de calor, agua subterránea, superficial, etc. La distribución se calor se
realiza mediante una red de conductos a todas las dependencias de la vivienda.
- Bombas de calor tierra-agua: Aprovechan la energía solar acumulada en el
terreno como fuente de calor. Este calor es extraído por la Bomba de Calor a
través de un circuito de agua con glicol, enterrado. La complejidad de la
instalación y la necesidad de disponer de una superficie de terreno grande,
hacen que la inversión sea elevada, por lo que esta aplicación es más propia de
zonas con temperaturas exteriores rigurosas, donde los equipos condensados
por aire no son adecuados.
La utilización de la Bomba de Calor para proporcionar calefacción, refrigeración y
agua caliente sanitaria en viviendas, es una aplicación ampliamente difundida en
España. La casi totalidad de los equipos existentes en el mercado son
reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos: de invierno, proporcionando
calefacción y de verano proporcionando refrigeración. Por esta razón las Bombas
de Calor están especialmente indicadas para situaciones en las que se prevea
demanda de calefacción y refrigeración, ya que con un incremento en el precio
del equipo, se pueden cubrir ambas necesidades con el mismo equipo. La gama
de potencias comercializada es lo suficientemente amplia como para cubrir las
necesidades de cualquier vivienda. En la figura se representa el funcionamiento
de ambos ciclos en una Bomba de Calor aire-aire.
CICLOS DE FRIO Y CALOR DE UNA BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE
En función del tipo de explotación se pueden clasificar en monovalentes y
bivalentes. Se denominan monovalentes cuando la Bomba de Calor cubre por
ella misma la demanda de calefacción y refrigeración. En la explotación bivalente,
la Bomba de Calor por encima de cierta temperatura exterior suministra ella sola
las necesidades de calor. Por debajo de esa temperatura, la calefacción es
suministrada, bien por una caldera exclusivamente, o bien por la Bomba de Calor
y la caldera simultáneamente.
- Agua Caliente Sanitaria.
La Bomba de Calor también puede utilizarse para la producción de agua caliente
sanitaria. Aquí el agua es el foco caliente o sumidero de calor. En primer lugar el
COP estacional en este caso es superior al de la aplicación para climatización, ya
que su utilización tiene lugar durante todo el año. En segundo lugar el COP
práctico en verano es muy elevado, como consecuencia de las altas
temperaturas del aire exterior. Por último dado que el pico de demanda de agua
caliente sanitaria tiene lugar a primeras horas de la mañana resulta económica la
producción y acumulación de agua caliente sanitaria mediante Bomba de Calor
durante la noche acogiéndonos a la tarifa nocturna.
&&Sector Terciario
-Climatización.
La climatización de pequeños locales de oficinas, comercios, restaurantes etc., es una aplicación muy
habitual en este sector.
Los grandes edificios de oficinas se caracterizan por sus elevadas cargas internas de calor, originadas
por la iluminación, equipos ofimáticos y grado de ocupación. Por otra parte sus fachadas suelen tener
orientaciones diferentes. Así se presentan simultáneamente zonas en que debido a la insolación y las
cargas internas necesitan ser refrigeradas, mientras que otras zonas del edificio demandan calefacción.
Algunos tipos de Bombas de Calor pueden producir simultáneamente frío y calor resolviendo esta
situación, tanto de una forma centralizada como descentralizada.
Otra solución la ofrece la utilización de Bombas de Calor para transferencia del calor sobrante de unas
zonas del edificio a otras con necesidades de calefacción. Es el caso de edificios muy compartimentados.
Las Bombas de Calor del tipo agua-aire, están repartidas por los diferentes locales y conectadas entre si
mediante un circuito de agua. Las Bombas de Calor situadas en locales con necesidades de calefacción,
toman el calor del circuito de agua y lo ceden al aire. En los locales con necesidades de refrigeración las
Bombas de Calor evacúan al circuito de agua el calor excedentario. El bucle de agua conserva
globalmente una temperatura constante, generalmente entre 20º C y 30º C. Cuando una de las
necesidades bien de calor o bien de frío, llegue a ser preponderante, el excedente de la otra producción
provoca un calentamiento o un enfriamiento del bucle de agua. Por esta razón se incorpora un
dispositivo compensador como por ejemplo una caldera o un dispositivo de enfriamiento, haciendo
intervenir uno u otro según la necesidad. El circuito puede ser cerrado o abierto.
Circuito cerrado de agua: Si existe un excedente de calor, este es evacuado mediante una torre de
refrigeración, mientras que si el edificio es deficitario en calor, la energía calorífica complementaria la
aportará una caldera.
Circuito abierto: Si se dispone de una fuente suplementaria de agua, superficial o subterránea, ésta
puede ser utilizada en circuito abierto para aportar o evacuar el calor.
En los sistemas centralizados el frío o calor se producen en un punto del edificio y luego ha de ser
transportado a las diferentes dependencias. Para realizar este transporte se utilizan tres sistema
conductos de aire, tuberías de agua y tuberías de fluído refrigerante.
SISTEMA CON CONDUCTOS DE AIRE
En los sistemas que utilizan tuberías de agua los elementos terminales más usuales son los fan-coils.
Estos sistemas pueden ser clasificados en:
Sistemas a dos tubos : Por uno de ellos circula el agua caliente o fría, según la Bomba de Calor funciona en ciclo de calefacción ó de refrigeración. Por el otro circula el agua de retorno procedente de la unidad terminal.
Sistemas a cuatro tubos : En este caso hay dos tuberías de impulsión, una de agua fría y otra de agua caliente, y otras dos tuberías de retorno.
Por último se puede transportar el frío o calor generado a las distintas zonas, mediante tuberías de fluido
refrigerante. Uno de los sistemas utilizados es el sistema de caudal de refrigerante variable (VRV). En
estos equipos se varía el caudal de refrigerante impulsado a las unidades interiores en función de las
necesidades de cada una de las zonas o dependencias. De esta forma son capaces de incorporar hasta
16 unidades interiores y consiguen la máxima eficiencia energética, ya que únicamente proporcionan la
energía requerida en cada momento. El rendimiento energético de este sistema disminuye cuando existe
una gran diferencia de altura entre la unidad exterior y las interiores.
SISTEMA DE CAUDAL DE REFRIGERANTE VARIABLE.
- Climatización de piscinas.
En las piscinas climatizadas cubiertas, es necesario recurrir en invierno a un elevado número de
renovaciones de aire para evitar un excesivo contenido de humedad en el ambiente, debido a la
evaporación del agua del vaso de la piscina, que daría lugar a que se formen condensaciones en los
cerramientos. La Bomba de Calor permite reducir el caudal de ventilación necesario, obteniendo un
importante ahorro de energía. El aire húmedo de la piscina es enfriado en el evaporador de la Bomba de
Calor. El enfriamiento produce condensación del exceso de humedad acumulada en el aire. El aire frío y
seco es calentado en el condensador de la bomba y pasa de nuevo al recinto de la piscina. El excedente
de calor en la Bomba de Calor se utiliza para calentar el agua de la piscina. También se utiliza para la
calefacción de los locales anexos como vestuarios, duchas, etc.
&&&Sector industrial
Una parte importante del consumo energético en la industria se destina a procesos térmicos. Esta
demanda térmica se encuentra cubierta mayoritariamente por sistemas convencionales.
Hay procesos que requieren la aportación de calor mientras que otros son excedentarios. Lo habitual en
estos casos es que el calor sobrante sea evacuado a la atmósfera mediante torres de refrigeración, con
la consiguiente pérdida de energía, mientras que por otro lado siguen existiendo necesidades de calor
que se cubren, por ejemplo, con la utilización de calderas.
En estas situaciones las Bombas de Calor proporcionan una gran oportunidad para ahorrar energía, y son
una alternativa interesante debido a su doble efecto, de enfriamiento en el evaporador y de
calentamiento en el condensador.
La Bomba de Calor permite revalorizar energías térmicas degradadas. Parte de efluentes térmicos no
utilizables, y eleva el nivel de la energía térmica contenida en los mismos, en sustitución de
calentamientos por sistemas tradicionales.
Para aplicar la Bomba de Calor a la industria se deben analizar los procesos, con el fin de caracterizar los
flujos de calor e identificar las oportunidades de recuperación, evaluando su viabilidad tanto desde el
punto de vista energético como económico.
Las líneas de fluidos con calor residual más comunes en la industria son las procedentes de aguas de
refrigeración, efluentes o condensados. El problema que presentan estas fuentes es que su caudal
fluctúa. Por esta razón y para aprovechar este calor residual son necesarios acumuladores de gran
capacidad para conseguir una operación estable de la Bomba de Calor.
-Tipos de Bomba de Calor
Los principales tipos de Bombas de Calor para aplicaciones industriales son:
Bombas de calor en ciclo de compresión cerrado:
La temperatura máxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales está en torno a los 120º C. Este
es el tipo de bombas más extendido en la industria.
Sistemas de recompresión mecánica del vapor (MVR):
En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un ciclo abierto. Se clasifican
en sistemas abiertos y semiabiertos.
En un sistema abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido. Al elevar su presión se eleva su
temperatura, y condensado en el mismo proceso cede su calor.
En los sistemas semi-abiertos, el calor del vapor recomprimido es cedido al proceso mediante un
cambiador de calor. Se eliminan uno (semiabierto) o dos (abierto) cambiadores de calor (evaporador y/o
condensador) y el salto de temperaturas conseguido con la bomba es pequeño por esta razón. La
eficacia de utilización es elevada y se obtienen COP«s de 10 a 30.
Los sistemas actuales MVR trabajan con temperaturas de foco frío de 70 a 80º C y ceden el calor a
temperaturas entre 110 y 150º C. En algunos casos pueden llegar a los 200º C. El agua es el fluido de
trabajo más usual, aunque también se pueden utilizar otros vapores de procesos.
Bombas de calor de absorción de simple efecto:
En Suecia y Dinamarca se han utilizado para recuperar calor de incineradoras de residuos. Los sistemas
actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de salida de 100ºC y un salto térmico de
hasta 65º C, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. La nueva generación de Bombas de Calor de
absorción avanzadas alcanzarán temperaturas de salida de 260º C y saltos térmicos superiores a los
mencionados.
Bombas de calor de absorción de doble efecto:
También se las denomina transformadores de calor. Se aplican a fluidos que tienen un calor residual y
una temperatura intermedia por encima de la del ambiente, pero por debajo de la utilizable. Mediante el
evaporador y el generador el fluido alcanza una temperatura adecuada para su utilización. En el
absorbedor se cede el calor al proceso. Todos los sistemas de este tipo en la actualidad, utilizan bromuro
de litio y agua como fluidos refrigerantes. Estos transformadores pueden alcanzar temperaturas de hasta
150º C, con un salto de temperatura de 50º C. Los COP«s en estas condiciones están comprendidos entre
0,45 y 0,48.
Ciclo de Bryton reverso :
Con este ciclo se recuperan las sustancias disueltas en gases en varios procesos. El aire saturado se
comprime y expande. El aire se enfría en la expansión, y las sustancias disueltas se condensan y son
recuperadas. La expansión tiene lugar en una turbina que acciona un compresor.
Aplicaciones.
La principal justificación de la utilización de la Bomba de Calor en la industria es la recuperación de calor.
La Bomba de Calor hace utilizables flujos de calor, que de otro modo serían disipados sin
aprovechamiento. El calor obtenido en el condensador de la Bomba de Calor puede ser utilizado entre
otras aplicaciones para:
-Calefación, climatización y agua caliente sanitaria: Estas aplicaciones son similares a las estudiadas en
los sectores residencial y terciario. Suministran agua por ejemplo a fan-coils, para la calefacción de
locales y naves.
-Calentamiento de agua: En la industria se presentan en muchas ocasiones, necesidades simultáneas de
agua fría y caliente, en el rango de temperaturas de 40º C a 90º C, para lavandería, limpieza y
desinfección. Esta demanda puede ser cubierta por Bombas de Calor. Las bombas instaladas en este
campo son principalmente de compresión con motor eléctrico.
-Secado de productos: Las Bombas de Calor se usan extensivamente en la deshumidificación industrial y
secado a temperaturas bajas y moderadas. Esta es una aplicación muy desarrollada en España.
Para secar un producto se utiliza la propiedad que tiene el aire para cargarse de humedad. La cantidad
de humedad absorbida por el aire es mayor, cuanto más alta sea la temperatura. El proceso consiste en
impulsar al local aire caliente y seco, que robará humedad al producto a secar. Posteriormente este aire
húmedo pasa por el evaporador de la Bomba de Calor, en el que se enfría y deshumidifica. La Bomba de
Calor está especialmente indicada para aquellos procesos que requieren un secado lento y sensible a
altas temperaturas.
Algunos ejemplos son:
a) Secado y curado de embutidos: en el caso del secado y curado de embutidos el proceso se realiza en
dos fases:
Estufaje : Con una duración de entre 30 y 75 horas. Primero se busca una desecación inicial rápida con aire seco a unos 28ºC. Después se baja la temperatura a 22-24ºC y se incrementa la humedad relativa.
Curado : Con una duración en torno a 20 días se mantienen temperaturas bajas de 12 a 15º C con humedades relativas en torno al 75 %.
b) Secado de tabaco: En la figura se observa el esquema del proceso de secado de tabaco.
1. Compresor / 2. Ventilador de circulación de aire en el interior del equipo / 3. Evaporador, enfría el
aire caliente y húmedo condensándose el agua / 4. Condensador, donde se calienta aire frío y seco /
5. Válvula de expansión / 6. Ventilador para la circulación del aire en en secadero / 7. Salida del
aguaextraída
PROCESO DE SECADO DE TABACO
c) Secado de lodos de plantas depuradoras de aguas residuales: También se utilizan en el secado de
lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales, como se observa en la figura, que
corresponde a un esquema de principio de un túnel de deshidratación de lodos mediante Bomba de
Calor.
Otros ejemplos de aplicaciones de secado, con su rango de temperaturas, son:
secado de cuero y pieles, secado de ladrillos, secado de maderas, secado de la malta de cerveza, secado
de lana y fibras textiles
Destilación y obtención de concentrados: Aún a pesar de que la evaporación y la destilación son
procesos intensivos de energía, la Bomba de Calor se utiliza con este fin en la industria química y
alimentaria. En la destilación se está produciendo una evaporación que requiere calor y una
condensación donde sobra calor. La Bomba de Calor puede funcionar cediendo calor en su condensador
y absorbiéndolo en el evaporador.
En los procesos de concentración se aplican sistemas MVR abiertos o semiabiertos, aunque también se
utilizan bombas de ciclo de compresión. La utilización es muy efectiva con COP's entre 6 y 30, cuando
son necesarios pequeños saltos de temperatura.
Una aplicación es la concentración en la industria alimentaria (lácteos, zumos...).
Calefacción de invernaderos: En los invernaderos las plantas absorben humedad y nutrientes por sus
raíces, devolviendo parte de la humedad al aire ambiente a través de las hojas, aumentando los niveles
de humedad dentro del invernadero. La Bomba de Calor permite reducir el nivel de humedad dentro del
invernadero, sin desperdiciar el calor.
Calentamiento y enfriamiento de agua en Piscifactorías: En las piscifactorías es necesaria la producción
de agua caliente y fría de forma simultánea, pues las condiciones de temperatura requeridas para la cría
y engorde son distintas a las necesidades para la fecundación de huevos y el crecimiento de los alevines.
El principal inconveniente es que normalmente la demanda de frío y calor no coincide. En la figura se
muestra un esquema de esta aplicación.
Fermentación del pan: En este procesos los azúcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y
anhídrido carbónico. Este proceso debe desarrollarse a una temperatura en el entorno de los 22/30ºC.
Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadería obligan a calentar en
invierno y refrigerar en verano si no queremos tener desviaciones importantes con respecto a las
temperaturas citadas. Las bombas utilizadas en esta aplicación son de compresión mecánica aire-aire
reversibles. En la figura se presenta un esquema de utilización de la Bomba de Calor en este proceso.
Otras sectores industriales donde la Bomba de Calor es de aplicación son:
Sector vinícola: Enfriamiento del vino y producción de agua caliente para el lavado de botellas.
Industria textil: Calefacción de los baños de tinte.
Industrias del papel y de la pulpa de madera: proceso de evaporación, calefacción y secado.
Industrias plásticas: Diversos procesos como refrigeración de las cabezas de extrusión e inyección, con recuperación del calor para la calefacción de locales.
Industria del caucho: Calefacción de las soluciones de separación.
Sector Lácteo: Pasteurización de los productos lácteos, evaporación, concentración y esterilización, y procesos de limpieza.
Industria alimentaria: Procesos de cocción en el sector de conservas, charcuterías, azucareras, etc.
Industrias siderometalúrgicas: Desengrase, lavado, galvanizado, preparación de pinturas y secado.
Industria cerámica: Secado.
Bombas de calor y medio ambiente
Ventajas medioambientales: reducción de las emisiones de CO2.
& Introducción.
La radiación solar que alcanza la superficie terrestre es parcialmente absorbida por ella, parcialmente
reflejada y parcialmente rerradiada. Es decir emitida de nuevo por la propia superficie, pero con
longitudes de onda mayores que las de las radiaciones incidentes.
La superficie de la Tierra se convierte, en un emisor de radiaciones que deben atravesar la atmósfera en
sentido contrario al de las radiaciones incidentes. En su camino hacia el espacio atraviesan primero la
troposfera, donde se encuentran con una serie de gases que absorben gran cantidad de ellas, y después
la estratosfera donde el ozono absorbe otra parte de la radiación infrarroja emitida.
La radiación proveniente del sol que alcanza la superficie terrestre eleva la temperatura de ésta,
mientras que la radiación rerradiada que escapa de la atmósfera enfría la Tierra. La temperatura media
de la superficie terrestre es el resultado de un equilibrio entre las ganancias y las pérdidas de energía en
forma de radiación. Cuanta más radiación rerradiada sea retenida por la atmósfera, más elevada será la
temperatura superficial de la Tierra. Es el mismo efecto de captación que tiene lugar en un invernadero
de plantas.
Los gases que provocan el efecto invernadero, al absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie
terrestre son el CO2, el vapor de agua, el ozono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y los
derivados halogenados de los hidrocarburos saturados. Así el CO2 es el principal responsable del efecto
invernadero intensificado. Su producción se debe esencialmente a los procesos de combustión, a la
respiración de los seres vivos y a la putrefacción de los tejidos orgánicos muertos. Hay que distinguir
entre efecto invernadero natural y efecto invernadero intensificado, causado por el hombre.
Durante siglos la actividad humana no tuvo ningún efecto medible sobre la composición media de la
atmósfera A partir de las segunda guerra mundial, la combustión de ingentes cantidades de petróleo, y
la desforestación incontrolada han dado lugar a la elevación de la concentración media del CO2.
En los años 80 los científicos que modelan el cambio climático alertaron de las consecuencias del
aumento de temperaturas en la Tierra, de no haber un esfuerzo por reducir las emisiones de gases de
invernadero, consecuencia de las actividades humanas.
Dado que una gran cantidad de las emisiones de CO2, se puede atribuir a la producción y utilización de
la energía eléctrica, el uso de tecnologías eficientes como la Bomba de Calor contribuirá a su
disminución.
&&Estudio comparativo
Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relación con el medio ambiente, si las comparamos
con otros equipos de calefacción convenciona Internacional de la Energía (AIE), analizando el impacto
medioambiental de las cinco opciones siguientes:
caldera convencional de gasóleo
caldera convencional de gas
Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida en plantas de generación eléctrica convencional
Bomba de Calor a gas
Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida a partir de energías renovables
Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia
energética de estos equipos y del tipo de combustible empleado. En las Bombas de Calor eléctricas, la
electricidad empleada para accionarlas, lleva implícita la emisión de CO2 en origen, es decir en las
centrales de generación eléctrica, además de las pérdidas de transporte y distribución de la energía
eléctrica.
En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor eléctrica como la de gas, emiten considerablemente
menos CO2 que las calderas. Una Bomba de Calor eléctrica que funcione con electricidad procedente de
fuentes de energías renovables no desprende CO2.
EMISIÓN RELATIVA DE CO2 DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALEFACCIÓN
En conclusión, las Bombas de Calor ofrecen una evidente ventaja sobre los equipos de calefacción
convencionales, en cuanto a reducción de emisiones de CO2.
&&&Emisiones de CO2 evitadas.
En el estudio antes citado, las emisiones de CO2 evitadas en 1997, por el parque mundial de Bombas de
Calor, han sido estimadas en un 0,5 % de las totales del globo, repartidas así:
64 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial
54 millones de toneladas de CO2 en el sector comercial e industrial
Sin embargo, el potencial actual que tienen las Bombas de Calor para reducir las emisiones de CO2 del
globo es muy superior a este 0,5%. Se estima en un 6%, lo que equivaldría a una reducción de 1.200
millones de toneladas de CO2 al año, repartidas así:
1.000 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial y comercial.
200 millones de toneladas de CO2 en el sector industrial.
Este potencial de reducción de emisiones de CO2 es uno de los mayores que puede ofrecer una única
tecnología, con la ventaja de que se trata de una tecnología que ya está disponible en el mercado.
&&&&Perspectivas futuras
El actual potencial de reducción de emisiones de CO2 por Bomba de Calor, estimado en un 6%, podría
llegar en un futuro próximo hasta el 16%, según la Agencia Internacional de la Energía. Se haría realidad,
gracias a los desarrollos de la tecnología, que permitirían que las Bombas de Calor y las centrales de
producción de energía eléctrica obtuvieran un rendimiento superior, y también por el incremento de la
energía eléctrica obtenida a partir de energías renovables.
POTENCIAL DE EMISIONES DE CO2 EVITADAS POR BOMBA DE CALOR
Hoy día los COP medios de las Bombas de Calor están entre el 2,5 y el 4. Para la próxima década se
prevén nuevas mejoras que los incrementen. En consecuencia, las Bombas de Calor resultarán más
atractivas y ocuparán una cuota mayor del mercado.
&&&&&Situación española
Las emisiones de CO2, como consecuencia de los procesos de calefacción, climatización y agua caliente
sanitaria en los sectores residencial y servicios, ascienden anualmente en nuestro país a 28 millones de
toneladas de CO2. Esto representa un 12 % de las emisiones nacionales de CO2.
Si aceptamos, de acuerdo con los apartados anteriores, que el potencial de reducción de emisiones de
CO2 por Bomba de Calor puede llegar a ser del 6%, su realización en España supondría evitar 1,68
millones de toneladas de CO2, lo que representaría una reducción del 0,7 % sobre el total de nuestras
emisiones.
EMISIONES DE CO2 EN ESPAÑA
Decíamos anteriormente que en las Bombas de Calor eléctricas, mayoritarias en nuestro país, la
electricidad consumida para accionarlas, ya lleva implícita la emisión de CO2 en origen. Es decir la
producida por las centrales de generación eléctrica y como consecuencia de las pérdidas de transporte y
distribución. Pero su efecto sobre el medio ambiente dependerá de cómo se genere esta energía
eléctrica. Si es mediante energía hidroeléctrica, nuclear o eólica, es clara la reducción de emisiones.
En la tabla siguiente se muestran las cuotas de producción de energía primaria para producción eléctrica
y el rendimiento medio de las centrales de generación para los diferentes combustibles.
Producción de energía
eléctrica en España
Cuot
a
(%)
Rendimiento medio de la central
de generación
(%)
FUEL-OIL 0,1 36
FUEL-OIL 3,7 36,5
CARBÓN (TURBA) 28,2 35,7
CARBÓN (LIGNITO) 6,1 32
BIOMASA 0,4 30
NUCLEAR 30,8 32
HIDROELÉCTRICA 18,4
RENOVABLES 2,4
AUTOPRODUCCIÓN 9,9
Se observa que de la cuota total un porcentaje del 51,6 % no entraña emisiones de CO2, lo que
representa una situación favorable para la Bomba de Calor. A esto hay que añadir que las energías
renovables están teniendo cada vez mayor importancia dentro del panorama energético español, lo que
beneficia la utilización de la Bomba de Calor, en relación con este aspecto.
Problemática asociada a los refrigerantes.
&Introducción.
En el año 1974, se publicó en Nature, el trabajo "Stratospheric sink for chlorofluoromethanes; chlorine
atom catalysed destruction of ozone" de Sherwood Rowland y Mario Molina. En él, los autores,
relacionaron la disminución del espesor de la capa de ozono atmosférico con la acción catalítica de las
moléculas de determinados compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados.
La tierra recibe energía del sol en forma de radiaciones de distintas longitudes de onda. Antes de
alcanzar la superficie del planeta, estas radiaciones deben atravesar la atmósfera. La capa de ozono
sirve como filtro natural de los rayos ultravioleta del sol, actuando como un escudo protector. Cuando
estos compuestos alcanzan la estratosfera, zona más exterior de la atmósfera, quedan sometidos a las
radiaciones solares ultravioletas, descomponiéndose y liberando átomos de cloro. Tras una serie de
reacciones químicas complejas, el cloro destruye las moléculas de ozono. Por esta razón una mayor
cantidad de radiación ultravioleta corta alcanza la superficie de la tierra.
Uno de los compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados causante de este efecto son
los CFC's conocidos como clorofluorocarbonos. Los CFC's fueron desarrollados en 1930 como fluidos de
trabajo para sistemas frigoríficos de compresión mecánica, obtenidos sintéticamente por halogenación
de hidrocarburos saturados. Aunque comenzaron como refrigerantes luego se emplearon en otros usos
como sprays, aislamientos, industria química etc., por lo que su uso en aire acondicionado representa
sólo una parte de sus aplicaciones.
Además de los CFC's existen otros fluidos de trabajo derivados de los hidrocarburos saturados que se
utilizan en instalaciones de aire acondicionado. Son los obtenidos por sustitución de algunos átomos de
hidrógeno por otros de flúor y cloro, llamados hidroclorofluorocarbonos o HCFC's. El HCFC's más conocido
es el R-22. En España la práctica totalidad de las Bombas de Calor que se comercializan lo utilizan. Se les
denomina abreviadamente CFC's y HCF's iniciales de sus componentes (cloro-flúor-carbonos) e (hidro-
cloro-flúor-carbonos).
El factor de destrucción de la capa de ozono depende directamente del contenido de cloro del
refrigerante. Para evaluar la capacidad de destrucción de ozono en términos cuantitativos se recurre a
un índice adimensional. Se llama ODP (Ozone Depleting Potencial) ó Potencial de Destrucción de Ozono.
Expresa el grado máximo en que un gas dado puede provocar la disminución de la capa de ozono. Por
convención se da el valor 1 a la capacidad del R-11 para destruir ozono.
En el cuadro siguiente se hace una comparación entre diferentes refrigerantes en relación con el
contenido de cloro, ODP y vida media estimada.
REFRIGERANT
E
CONTENIDO
EN CLORO
CACTOR DESTRUCCIÓN
OZONO (ODP)
VIDA MEDIA
ESTIMADA (AÑOS)
R-11 (CFC) 77.4% 1 60
R-12 (CFC) 58.6% 0.95 130
R-22 (HCFC) 41% 0.05 15
R-134-a (HFC) 0 0 16
Los CFC's tienen una vida media atmosférica muy larga lo que les permite conservar su estructura
molecular intacta hasta que alcanzan la estratosfera al cabo de 3 a 5 años después de su emisión. Los
HCFC's tienen una vida media atmosférica más corta que los CFC's, por lo que su capacidad de
destrucción es menor. Sólo una pequeña parte de las moléculas de HCFC's descargadas a la atmósfera
alcanzan la estratosfera y contribuyen a la destrucción del ozono de la misma manera que lo hacen los
CFC's. Los HCFC's tiene una incidencia 20 veces menor que el R-11.
Al detectarse las implicaciones de estos productos como modificadores del medio ambiente, se decidió a
nivel mundial eliminarlos y sustituirlos por otros de tipo HFC's (hidro-fluor-carbonos, sin cloro)
semejantes en seguridad y prestaciones pero inocuos para la capa de ozono.
En el año 1980 el UNEP (United Nations Environmental Programme) Programa de las Naciones Unidas de
Medio Ambiente inició los trabajos de preparación de un convenio internacional para establecer las líneas
generales para una acción internacional con vistas a la protección de la capa de ozono atmosférico.
En el año 1985 se aprobó el Convenio de Viena, para la protección de la Capa de Ozono. En él se
establecieron una serie de mecanismos de investigación y de cooperación, así como la adopción de
medidas legislativas, todo ello tendente a proteger la salud humana y el medio ambiente de los efectos
adversos resultantes de las modificaciones de la capa de ozono atmosférico.
Poco después de la firma del Convenio de Viena se iniciaron los trabajos de preparación de un protocolo
que regulase las sustancias que, aparentemente podían influir sobre la capa de ozono. En 1987 se
aprueba el texto llamado "Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Capa de Ozono".
El texto deja abierta la posibilidad de ser enmendado en función de sucesivas evidencia científicas que
se fuesen obteniendo en relación con el agotamiento del ozono.
Como consecuencia de los resultados de las investigaciones científicas fomentadas por el Protocolo de
Montreal que han contribuido a aumentar el conocimiento del mecanismo de deterioro de la capa de
ozono, el número de sustancias reguladas y sus correspondientes calendarios de supresión, se han ido
endureciendo en las sucesivas enmiendas del Protocolo de Montreal, Helsinki (1989), Londres (1990).
Copenhague (1992) y Bangkok (1993).
La Comunidad Europea ha pretendido impulsar medidas más restrictivas que las del Protocolo de
Montreal en lo relativo al control de las sustancias que agotan la capa de ozono. El Consejo de la Unión
Europea, ha aprobado entre otros, el Reglamento 3093/94, relativo a las sustancias que agotan la capa
de ozono, que fija el calendario aplicable a estas sustancias.
&&Situación española.
Del estudio del mercado español, realizado sobre un total de 2.707 modelos diferentes de Bombas de
Calor, se obtiene como conclusión principal que prácticamente en su totalidad utilizan R-22. Sólo en 1
caso se ha detectado una Bomba de Calor que utiliza el R-134-a.
El parque actual de Bombas de Calor en los sectores residencial, comercio, servicio e industria concentra
en sus equipos una cantidad de refrigerante que se estima en 5.500 toneladas de R-22. Su reparto por
sectores es el siguiente:
SECTORDISTRIBUCIÓN POR SECTORES, DEL REFRIGERANTE R-22 EN
BOMBAS DE CALOR INSTALADAS EN ESPAÑA (Toneladas)
Residencial
Comercial/Institucio
nal
Industrial
1000
4000
500
Proyectos de investigación y desarrollo más recientes.
A continuación se expone un pequeño resumen de los proyectos más recientes y estado de la tecnología
cuanto a refrigerantes, ciclos, componentes de las máquinas y proyectos de Investigación y Desarrollo.
&Refrigerantes
La evolución de la Bomba de Calor en los próximos años dependerá en gran medida de la evolución de
los fluidos refrigerantes. Los refrigerantes organoclorados, alrededor de los cuales se habían desarrollado
todos los componentes de las Bombas de Calor, están condenados a desaparecer debido a su efecto
destructor sobre la capa de ozono y el efecto invernadero. Para que la Bomba de Calor continúe siendo
una alternativa atractiva desde el punto de vista del ahorro enérgetico, la sustitución de los refrigerantes
por otros debe mantener o superar las eficiencias de los ciclos.
Algunas alternativas para la sustitución planteando ventajas e inconvenientes.
- HCFC's
El primer paso para evitar la destrucción de la capa de ozono fue la sustitución de los fluoro carbonados
con dos átomos de cloro (CFC) por fluorocarbonados con un átomo de cloro y otro de hidrógeno (HCFC).
Estos refrigerantes contribuyen en menor medida a la destrucción de la capa de ozono por su mayor
estabilidad, pero influyen en el calentamiento global en mayor medida que estos. Sin embargo hace
poco también fueron incluidos en la lista de sustancias controladas, y se decidió su parada de fabricación
en el año 2020 con la completa desaparición en el año 2030.
- HCF'S
Los HFC's son fluidos refrigerantes sin cloro, y por tanto sin efecto sobre la reducción de la capa de
ozono, pero algunos de ellos tienen un efecto importante sobre el efecto invernadero. Con la sustitución
de refrigerante se pierde eficacia pero el COP no se reduce significativamente. Además debe ser
utilizado con lubricantes de poliol-ester debido a que es muy higroscópico. Además cuando se utilice
para llenar circuitos existentes se deben extremar las precauciones en la limpieza de los mismos.
- Mezclas
Las mezclas constituyen una importante posibilidad para la sustitución de los CFC's, tanto para su
utilización en Bombas de Calor nuevas como en las ya existentes. Una mezcla está constituida por dos o
más fluidos refrigerantes y puede ser:
Zeotrópica
Azeotrópica
Cuasi-zeotrópica
Las mezclas azeotrópicas evaporan y condensan a temperatura constante, mientras que las otras lo
hacen en un rango de temperatura (deslizamiento). El deslizamiento puede ser utilizado para mejorar la
eficiencia pero requiere la modificación del equipo. La ventaja de las mezclas es que pueden variar sus
propiedades en función de las necesidades de cada aplicación variando la proporción entre los
componentes. Las mezclas no azeotrópicas presentan problemas por diferente volatilidad de sus
componentes. En caso de fugas no se puede saber que cantidad de cada uno de los refrigerantes que
componen la mezcla se ha perdido por lo que es necesario llenar el circuito de nuevo con la carga total
de
- Fluidos de trabajo naturales
Los fluidos de trabajo naturales son sustancias que existen en la biosfera de una forma natural.
Generalmente tienen muy pocos inconvenientes en relación al medio ambiente (los potenciales de
destrucción de la capa de ozono y de calentamiento global son cero o aproximados a cero). Son, por lo
tanto, alternativas a largo plazo a los CFCs. Ejemplos de fluidos de trabajo naturales son el amoniaco
(NH3), hidrocarburos (ej. propano), dióxido de carbono (CO2), aire y agua. Algunos de los fluidos de
trabajo naturales son inflamables o tóxicos. Las implicaciones de seguridad del uso de dichos fluidos
pueden requerir el diseño de un sistema específico y unas rutinas de operación y mantenimiento
adecuadas.
- El amoniaco (NH3) es en muchos países el fluido de trabajo principal en refrigeración media y alta y en
plantas de almacenamiento en frío. Han sido desarrollados códigos, regulaciones y leyes principalmente
para tratar con las características tóxicas, y de alguna manera con las características inflamables del
amoniaco.
El amoniaco podría ser también considerado en sistemas pequeños, mayoritarios en el mercado de las
Bombas de Calor. En sistemas pequeños, los aspectos de seguridad pueden ser tratados usando equipos
con baja carga de fluido de trabajo y medidas tales como sistemas de distribución indirecta (con
salmuera), alojamientos o revestimientos a prueba de gas, y ventilación a prueba de fallos. El cobre no
es compatible con el amoniaco, con lo que todos los componentes deben ser de acero.
El amoniaco no se usa todavía en Bombas de Calor industriales de alta temperatura, pues normalmente
no hay compresores adecuados de alta presión disponibles (40 bares máximo). Si se desarrollan
compresores eficientes de alta presión, el amoniaco será un excelente fluido de trabajo a alta
temperatura.
- Los hidrocarburos (HC's) son fluidos de trabajo inflamables, con propiedades termodinámicas conocidas
y compatibilidad de material. Están formados por propano, butano y sus mezclas. Son utilizados en gran
medida en la industria del petróleo, esporádicamente aplicados en la refrigeración del transporte,
refrigeradores/congeladores domésticos, y Bombas de Calor recientes (Alemania).
Debido a su alta inflamabilidad, los hidrocarburos únicamente deberían ser utilizados para llenado de
circuitos existentes o aplicados en sistemas con baja carga de fluido de trabajo. Para garantizar la
seguridad necesaria durante la operación y el servicio, deberían tomarse precauciones como sistemas de
ventilación a prueba de fallos, adición de gas odorizante al fluido de trabajo, uso de detectores de gas
etc.
- El agua es un excelente fluido de trabajo para las Bombas de Calor industriales de alta temperatura
debido a sus propiedades termodinámicas favorables y al hecho de que no es ni inflamable ni tóxico. El
agua ha sido usada principalmente como fluido de trabajo en sistemas MVR abiertos y semi-abiertos,
pero también existen algunas Bombas de Calor de ciclo de compresión cerrado que usan agua como
fluido de trabajo.
La mayor desventaja del agua como fluido de trabajo es su baja capacidad de calor volumétrico. Esto
hace que se requieran compresores grandes y caros, especialmente a bajas temperaturas.
&&Ciclos
Los desarrollos recientes en los ciclos de compresión tradicional se encuentran relacionados con el uso
de nuevos refrigerantes. Los ciclos y sistemas son optimizados termodinámica y termofísicamente para
adaptarse a su comportamiento.
La utilización de códigos de simulación de comportamiento de refrigerantes es una herramienta muy útil
para la optimización de los mismos.
Los sistemas de mezclas zeotrópicas requieren una atención especial ya que, ofrecen la posibilidad de
mejoras en la eficiencia, pero pueden plantear muchos problemas; con un diseño inadecuado, se pueden
presentar cambios en la composición de la mezcla si el sistema tiene componentes con volúmenes
inactivos donde el refrigerante líquido se puede acumular.
Una de las pérdidas tradicionales en el ciclo real tiene lugar en la expansión. Para reducir esta pérdida se
están realizando investigaciones sustituyendo las válvulas de expansión tradicionales por dispositivos de
expansión de Lysholm de tornillo. Para aplicaciones en las que el fluido refrigerante presenta un gran
intervalo de deslizamiento en el sumidero de calor es posible diseñar sistemas con una gran eficiencia
ajustando el ciclo a este cambio de temperatura.
Para superar los problemas planteados por los refrigerantes organoclorados se están realizando
esfuerzos importantes en la investigación de ciclos distintos de los tradicionales.
Ciclos de aire : Se utilizan en la actualidad en aplicaciones especiales como el acondicionamiento de aviones.
Ciclos de absorción : Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos - Ciclos de absorción: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos modalidades, simple efecto y doble efecto. Como consecuencia de estos esfuerzos investigadores los coeficientes de prestación se han incrementado considerablemente.
Ciclos de cascada : Con combinación de varios ciclos se consiguen mayores temperaturas en el condensador.
Ciclo de stirling : Utilizado para grandes saltos de temperatura. Existen algunas realizaciones experimentales para aplicaciones convencionales
&&&Componentes
- Compresores
En el compresor de tornillo y en el scroll, así como en otros diseños de compresores rotativos existen
posibilidades de integrar a media presión una entrada de tal manera que se mejora la eficiencia del ciclo
reduciendo pérdidas. La investigación en el campo de los compresores está orientada al incremento de
la eficiencia buscando isoentropicidad, reducción de ruido y vibraciones y mejora del engrase. La
fiabilidad es otro objetivo en estos desarrollos.
- Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son componentes importantes en la eficiencia de las Bombas de Calor.
Pequeñas diferencias de temperatura son decisivas para la eficiencia energética de un sistema.
Existen interesantes desarrollos de cambiadores en los últimos tiempos. Estos desarrollos están
relacionados con el incremento de transferencia de calor en evaporador y condensador utilizando
superficies de microestructura. Sin embargo las microestructuras plantean problemas de ensuciamiento
por aceite.
Otro desarrollo es el intercambiador de aletas soldadas, que permite una disminución considerable de la
carga de refrigerante. Este tipo de cambiadores ha hecho también posible la utilización de refrigerantes
que requieren altas presiones en el condensador.
Las investigaciones en cambiadores están también orientadas a mejorar el intercambio que se ve
afectado por los lubricantes que requieren los nuevos refrigerantes.
- Controles
El control de la Bomba de Calor está influenciado por el desarrollo de la electrónica.
El control de operación de las Bombas de Calor se realiza cada vez en mayor medida mediante
programación gracias a la introducción de los microprocesadores en los esquemas de control. Esto
permite que la Bomba de Calor opere satisfactoriamente en diversos modos:
Refrigeración
Calefacción
Calefacción con fuente de calor de apoyo
Con acumulación de calor en agua
Desescarchando
Los microprocesadores hacen posible la autoadaptación de las máquinas a las distintas condiciones.
Con el control por microprocesador es también posible controlar el ciclo, reemplazando la tradicional
válvula termostática o variando la velocidad del compresor mediante los denominados "inverters".
También se puede actuar mediante la variación de la velocidad de los ventiladores.
El control mediante microprocesador puede tener también efectos sobre el mantenimiento. Es posible
mediante la incorporación de una tarjeta inteligente que registra las condiciones de funcionamiento, el
ajuste de los parámetros a las nuevas condiciones o incluso el mantenimiento a distancia.
&&&&Proyectos de investigación y desarrollo.
Varias entidades españolas participan en proyectos de investigacion de carácter internacional. A
continuación he extraido un proyecto realizado por miembros del ENEBC (Equipo Nacional Español de la
Bomba de Calor).
Proyecto ROTEX
El ROTEX es un sistema innovador de aire acondicionado, calefacción y agua caliente sanitaria que
funciona con un ciclo de absorción de doble efecto en el que se utiliza gas natural como combustible.
El origen del nombre Rotex viene del carácter rotativo del sistema, característica que permite intensificar
el proceso de absorción debido al campo gravitatorio de alta intensidad generado por la fuerza
centrífuga.
El refrigerante principal es agua, por lo que no se utiliza ninguno de los organoclorados que serán
restringidos en futuro próximo, y sobre todo, su rendimiento en función de la energía primaria consumida
es superior a los aparatos eléctricos de aire acondicionado que se comercializan en la actualidad.
El núcleo equivalente al compresor es un conjunto compacto que integra el generador, condensador,
evaporado y el absorbedor que ha sido diseñado y desarrollado durante los últimos años en Inglaterra
dentro de un programa Eureka, en el que han participado: British Gas, Caradon, Gas Natural, Lennox
Industries, Fagor e Ikerlan.
Se están construyendo 9 prototipos que serán probados en diferentes localidades europeas. Se prevée
su orientación tanto al sector residencial como al comercial.
PROYECTO ROTEX
Eficiencia o rendimiento de una bomba de calor.
La ventaja fundamental de la bomba de calor consiste en que es capaz de suministrar más energía de la
que consume. Esta aparente contradicción con uno de los principios más sólidos de la termodinámica, se
explica por el hecho de que el equipo recupera energía "gratuita" del ambiente exterior.
Por ejemplo, una bomba de calor puede proporcionar a un local 2,5 kWh absorbiendo de la red tan solo 1
kWh. Los restantes 1,5 kWh se obtienen gratuitamente del aire exterior.
La figura representa un diagrama de bloques que ilustra la eficiencia, o en otras palabras el rendimiento,
de una bomba de calor. Las cifras indicadas en la figura son:
Energía total entregada por el condensador al local (2,5 kWh)
Energía "no gratuita" tomada de la red eléctrica por el compresor (1 kWh)
Energía "gratuita" tomada del aire exterior por el evaporador (1,5 kWh)
Eficiencia de una bomba de calor
La eficiencia de esta bomba de calor vendría expresada por el cociente entre la energía entregada al
local (efecto útil) y la energía absorbida de la red eléctrica, es decir:
Eficiencia = 2,5
En consecuencia, la bomba de calor es potencialmente de gran interés para el usuario, dado que éste
paga por una cantidad de energía menor que la aportada por el equipo para calentar el local.
Puede deducirse la conveniencia de utilizar equipos acondicionadores con bomba de calor, para su
funcionamiento tanto en verano como en invierno. Además, un equipo con bomba de calor sólo supone,
aproximadamente, un 20% de incremento, frente a la inversión necesaria para un acondicionador
convencional exclusivamente para el verano.
Algunas definiciones de términos importantes
- A.C.S.:
Agua caliente sanitaria.
- Aparato acondicionador de aire:
Unidad que permite la refrigeración y eventualmente la calefacción de un espacio mediante su simple
conexión a la red de energía eléctrica, sin requerir otras instalaciones adicionales o complementarias
para su correcto funcionamiento.
- Bomba de calor:
máquina térmica que permite transferir calor de una fuente fría a otra más caliente.
- Climatización:
Proceso de tratamiento de aire que se efectúa a lo largo de todo el año, controlando, en los espacios
interiores, su temperatura, humedad, pureza y movimiento.
- Coeficiente de eficiencia energética de un aparato (CEE):
Cociente entre la potencia térmica total útil y la potencia total absorbida para unas condiciones de
funcionamiento determinadas.
- Coeficiente de prestación de un sistema (COP):
Relación entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida.
- Energía convencional:
Aquella energía tradicional, normalmente comercializada, que entra en el cómputo del producto interior
bruto.
- Energía residual:
Energía que se puede obtener como subproducto de un proceso principal.
- Expansión directa:
Proceso de tratamiento de aire efectuado por evaporaciones del fluido frigorígeno en el circuito primario
de una batería.
- Instalación unitaria:
Son aquellas en las que cada elemento es un generador de frío o calor independiente.
- Instalaciones individuales:
Son aquellas instalaciones no unitarias, en las que la producción de frío o calor es independiente para
cada usuario.
- Instalaciones colectivas:
Son aquellas instalaciones centralizadas en las que la producción de frío o calor sirve a un conjunto de
usuarios dentro de un mismo edificio.
- Instalaciones semicentralizadas:
Son aquellas instalaciones individuales realizadas con equipos autónomos dotados de una red de
conductos de distribución de aire.
- Potencia calorífica útil de una Bomba de Calor:
Producto del caudal másico del fluido portador por el salto de entalpía a través del condensador, en las
condiciones de funcionamiento que se especifiquen.
- Refrigeración:
Proceso de tratamiento de aire que controla, al menos, la temperatura máxima de un local.
- Sistemas agua-aire:
Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica a diversos locales se realiza
mediante circuitos de agua y aire.
- Sistema centralizado:
Instalación en la que la producción de frío o calor se realiza centralmente distribuyéndose a diversos
subsistemas o equipos terminales que actúan sobre las condiciones ambientales de locales o zonas
diferentes.
- Sistema todo agua:
Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica se realiza exclusivamente
mediante agua.
- Sistema todo aire:
Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica a diversos locales se realiza
exclusivamente mediante aire.
- Unidad compacta:
Equipo autónomo totalmente montado en fábrica.
Direcciones de Internet relacionadas con la bomba de calor.
www.enebc.org/bomba
http://bdd.unizar.es/pag3/PAG6-2/5.htm
www.hictesa.com
www.acson.es
www.fecsa.es
www.enher.es
www.ribernet.es/instalaciones/instala.htm
http://imartinez.etsin.upm.es/lab1/p5/Bomba de calor.html
http://www.imst.upv.es/bombaCalor.htm
http://www.bluprint.es/sanitaristas/hidro.html
http://www.ciberia.es/~egl/definibomba.htm
http://www.ediho.es/contenidos/f265.html
http://cipres.cec.uchile.cl/~mabello/taller2/1.html
http://www.martiter.com/