Tarea 3

Integración de bombas de calor

Una bomba de calor por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de

ebullición. Este fluido se hace pasar por un compresor, que eleva su presión y aumenta con

ello su temperatura (su entalpía). Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por

un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí cede calor al foco caliente, dado que

el fluido refrigerante ha salido del compresor a mayor temperatura que ese foco caliente. Al

enfriarse el fluido en el condensador (cediendo calor al foco caliente), cambia su estado

a líquido. A la salida del condensador, comprimido, atraviesa una válvula de expansión, lo cual

supone una brusca caída de presión. Al disminuir la presión, el fluido se enfría bruscamente y

además empieza a evaporarse. En un intercambiador de calor, llamado evaporador, que hay

después de la válvula de expansión, el fluido se evapora, absorbiendo calor del foco frío,

puesto que está más frío que dicho foco. El fluido evaporado regresa al compresor,

cerrándose el ciclo.

Al contrario que la refrigeración, que se puede obtener mediante un ciclo de absorción, en

este caso no tiene cuenta producir calor de ese modo, porque es más eficiente emplear el

calor que suele mover el sistema de absorción, directamente para calefacción, así, estos

ingenios funcionan siempre por compresión.

El principio de funcionamiento en cuatro pasos[editar]

1. En el primer paso se comprime un fluido refrigerante con un compresor. Según la Ley

de Gay-Lussac la presión es proporcional a la temperatura absoluta, luego cuando se

comprime un gas aumenta su temperatura.

2. Ese fluido caliente se hace pasar por un intercambiador, llamado condensador, en el

que el fluido cede su calor (al llamado foco o fuente caliente) y al enfriarse, se

condensa parcialmente, pasando del estado gaseoso a estado líquido.

3. A continuación se hace pasar el fluido, todavía a presión, por una válvula de

expansión (que consiste en un dispositivo con una gran pérdida de carga) en el que el

fluido pierde presión (carga) bruscamente y por lo tanto se enfría también

bruscamente.

4. Finalmente pasa por otro intercambiador, situado en la fuente fría, y

llamado evaporador en el que absorbe calor de nuevo, para volver a reiniciar el ciclo

en el compresor.

Evidentemente cuando se trata de una bomba de calor propiamente dicha, el foco caliente del

segundo paso es el intercambiador que genera el calor para la calefacción y es condición

indispensable que el fluido esté a mayor temperatura que el ambiente. El del cuarto paso es el

aire exterior o cualquier otra fuente fría, que también debe cumplir la condición de que el fluido

que circula por el evaporador esté a menor temperatura que el ambiente exterior (en ambos

casos se suele considerar un salto térmico de 5 °C). Si se trata de un sistema de refrigeración,

será al revés: en el segundo paso se hará la cesión de calor al exterior y en el cuarto paso se

extraerá calor del interior del recinto que se quiere refrigerar.

Cuando el calor se obtiene del aire exterior, existe la posibilidad de que la humedad del aire se

deposite como escarcha en el serpentín del evaporador, pudiendo llegar a tener bastante

espesor. Ahora bien, la escarcha es un aislante térmico razonable, reduciendo de modo

notable la eficiencia del sistema, de modo que que hay que evitar su formación o disolverla

cuando se forma.

En la figura   se muestra una representación esquemática de una bomba de calor. Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe calor a baja temperatura en un evaporador, consume trabajo al comprimir el fluido, y libera calor a una temperatura mayor en el condensador. El fluido condensado se expande y se vaporiza parcialmente. Y el ciclo comienza de nuevo. Normalmente, el fluido es un componente puro, por tanto, los cambios de fase se producen a temperatura constante. De igual manera que ocurría con los sistemas de cogeneración, existen maneras correctas e incorrectas de integrar una bomba de calor en un proceso.

Las dos maneras fundamentales en las que podemos integrar una bomba de calor son cruzando el pinch, y sin cruzar el pinch. En la figura  a se muestra una bomba de calor integrada por encima del pinch. La bomba de calor absorbe el trabajo W, de manera que disminuye en W el calor a aportar al proceso. Es decir, el sistema convierte trabajo en calor, que no es la mejor manera de actuar (porque es más caro generar la misma cantidad de energía en forma de trabajo que en forma de calor). En la figura  b se muestra una bomba de calor integrada por debajo del pinch. De nuevo, la bomba requiere un trabajo W que se añade al proceso en forma de calor. Por debajo del pinch, el proceso es una fuente de calor, y estamos añadiendo calor, que originalmente estaba en forma de trabajo, a una fuente de calor. Es resultado es aún peor que en la figura  a.

Por último, en la figura  c se muestra cuál es la mejor manera de integrar una bomba de calor en el proceso. La bomba cruza el pinch, absorbe un trabajo W y toma calor de la fuente de calor. La suma del calor y el trabajo absorbidos se aporta al sumidero de calor en forma de calor. Éste si es el mejor cometido de

una bomba de calor: aportar calor a una temperatura mayor desde una menor, absorbiendo para ello un trabajo.

En la figura   se muestra un proceso, donde se ha colocado correctamente una bomba de calor. También se muestra la curva grand compuesta, que muestra claramente cómo la bomba de calor toma calor de la fuente de calor a baja temperatura, y cede calor al sumidero de calor a alta temperatura. Gracias a la bomba de calor se disminuye el consumo de vapor y de agua de refrigeración.

El rendimiento de la bomba de calor viene dado por su coeficiente de funcionamiento, más conocido por  . El rendimiento viene dado por el cociente entre el calor aportado al sistema y el trabajo que se necesita para ello. Debido a esta definición, el rendimiento de una bomba de calor es siempre superior a la unidad. Para los valores indicados en la figura  , el   es

HP(2.4)

donde  HP es el rendimiento de la bomba de calor,  HP es el calor tomado desde la fuente a baja temperatura y   es el trabajo consumido por la bomba de calor.

Figura: Curva grand compuesta del proceso con una bomba de calor integrada

En general, cuanto mayor sea el   más rentable resultará la bomba. Esto implica que el incremento de temperatura desde la fuente al sumidero de calor sea menor. Es decir, cuánto menor sea la diferencia de temperatura entre los focos, mayor será el   y más rentable será la bomba. En general, no se suelen emplear para incrementos superiores a   ^oC.

Por último, señalar que a partir de la curva grand compuesta del proceso, pueden determinarse las temperaturas de los focos, el calor absorbido en el foco frío, y, por tanto, el   de la bomba de calor.