4. Bomba de calor
Actividad
Bomba de calor:
En este tipo de sistemas se realiza un trabajo sobre la máquina. Gracias a este trabajo se consigue comunicar un calor Q1 a un foco caliente a T1.
La conversión se completa con un calor Q2 retirado de un foco frio a T2 menor que T1.
El esquema de este tipo de máquinas será igual que el de las máquinas frigoríficas. Sin embargo la finalidad es distinta. En el caso de las máquinas frigoríficas el objetivo es retirar calor de un foco frío interior (disminuir su temperatura) y como consecuencia se transmite calor al entorno. En el caso de las bombas de calor el objetivo es suministrar calor a un foco caliente interior (aumentar su temperatura), para ello será necesario retirar calor de un foco frío que es el entorno de la máquina.
Pre-conocimiento
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| Imagen 7. wikipedia. Creative Commons |
En este tipo de máquinas es necesario aportar trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, contra la tendencia natural de los procesos térmicos que tratan de transmitir calor desde los focos calientes a los focos fríos.
Este proceso de transferencia de energía calorífica se realiza mediante un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, empleando una válvula inversora de ciclo, que permite invertir el sentido del flujo de refrigeración, haciendo que el condensador actúe de evaporador y viceversa.
La bomba de calor de refrigeración por compresión de vapor (es la empleada con mayor frecuencia) utiliza un fluido refrigerante de bajo punto de ebullición, que necesita energía para evaporarse (calor latente), extrayendo esta energía de su entorno en forma de calor, con lo que provoca la refrigeración de éste.
El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso, procedente del evaporador (foco frío), consume energía mecánica de un compresor para que el fluido refrigerante adquiera la presión necesaria, de forma que el calor absorbido por el fluido refrigerante en el evaporador se disipa en el condensador (foco caliente), cuando el fluido se licúa.
El ciclo continúa, cuando el fluido atraviesa un expansor, que es una
válvula (orificio capilar) de modo que el fluido condensado a alta
presión, que sale relativamente frío del condensador, al expandirse se
vaporiza, con lo que se enfría considerablemente, para ello requiere
una gran cantidad de calor (dada por su calor latente de vaporización)
que capta del recinto que está refrigerando.
El fluido evaporado, regresa al compresor, cerrándose el ciclo.
La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se sitúa a la salida del compresor y, según las necesidades térmicas del ambiente a climatizar selecciona un sentido u otro de circulación del fluido refrigerante.
La bomba de calor se emplea en sistemas de climatización, y en sistemas domésticos de aire acondicionado, ya que el ciclo reversible que presenta proporciona la opción tanto de extraer (enfriar) como de introducir (calentar) energía calorífica al medio, con un único equipo. Gracias a la versatilidad de este proceso, se pueden utilizar bombas de calor tanto para climatizar una piscina, como para controlar el ambiente de un invernadero.
Tal y como hemos dicho el principio de funcionamiento es el de un aparato frigorífico. Un refrigerador consigue enfriar un recinto ya que capta energía calorífica del ambiente interior, a baja temperatura, y la cede al exterior, a mayor temperatura, calentándolo.
Invirtiendo este funcionamiento, enfriando el aire exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de calor. Por este motivo estos aparatos son reversibles actuando como refrigerantes en verano y como calefactores en invierno.
Rendimiento de una bomba de calor
La cantidad de calor que se trasiega depende de la diferencia de temperatura entre los focos caliente y frío. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento del proceso.
Las bombas térmicas presentan un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance, coeficiente de operación) que es adimensional y mayor que la unidad. Al igual que ocurría en las máquinas frigoríficas esto puede parecer una contradicción respecto a lo que siempre hemos estudiado acerca del rendimiento, sin embargo no lo es. El hecho de qu el rendimiento sea mayor a la unidad es debido a que en realidad se está transfiriendo calor usando energía, en vez de producir calor como el que se obtiene por efecto Joule en las resistencias eléctricas.
En las bombas de calor se cumple que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío, más la energía que absorbe el compresor durante el proceso.
Dependiendo de la función que desempeñe la bomba de calor, hay dos expresiones para calcular el COP.
Como refrigerador para enfriar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío.
El objetivo de un refrigerador es extraer la mayor cantidad posible de calor de un foco frío empleando la menor cantidad de trabajo posible.
Como calefactor, para caldear un ambiente, el efecto útil es el calor introducido en el foco caliente:
Según la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente el valor del COP oscila entre dos y seis.
Pre-conocimiento
Las bombas de calor se suelen clasificar según el medio de origen y destino de la energía, de modo que se denominan 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.
- Bomba de calor aire-agua: Empleadas 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.
Caso de estudio