Bomba de calor. Flujo de calor

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1. Principios básicos

1.1 Principios básicos termodinámicos - Flujo de calor

Nivel calórico: dependiendo del nivel calórico, se percibe bien como una sensación fría, bien como cálida. Existe una tensión entre estos dos niveles.

Flujo de calor: debido a esta tensión, si dos niveles calóricos distintos están “conectados” mediante un conductor térmico, entonces se produce un flujo de calor del nivel más cálido al menor y esto continuará hasta que ambos niveles se igualen.

Flujo de calor = Tensión (diferen cia de tempera turas) / Conduc ción - resisten cia térmica 1.2 Principi os básicos termodi námicos - Bomba de calor

Si se necesita invertir el flujo de calor, el calor ha de ser transportado (bombeado) desde el área fría a la más cálida. Los equipos capaces de llevar esto a cabo se denominan bombas de calor o equipos de refrigeración, dependiendo de su función.

Debe ser llevado a cabo un trabajo (por la bomba de calor/refrigeración) para llevar al calor a un nivel superior.

La figura muestra el flujo de calor y energético de una bomba de calor (equipo de refrigeración).

Q´o = calor extraído = capacidad de refrigeración

Bomba de calor

Q´c

P

Q´o

Q´o [kW o] + P [kW el] = Q´c [kW th]

40K 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 0° C -20°C +20° C Flujo de calor Bomba de calor

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P = potencia de absorción de la unidad Q´c = calor perdido (malgastado)

Los costes energéticos a pagar en concepto de adquisición de un equipo refrigerador pueden ser determinados a partir de la potencia de absorción, P. Para comparar distintos equipos de este tipo, se emplea la ratio COP (Coefficient Of Performance en inglés).

Desde un punto de vista técnico, los equipos de refrigeración pueden ser diseñados para trabajar de distintas formas p.ej., con semi-conductores a través de los cuales fluye la energía eléctrica.

No obstante, los equipos de refrigeración más usados operan usando un agente refrigerante.

2. Agentes refrigerantes

2.1 Principios básicos de los agentes refrigerantes

Los materiales líquidos adecuados para ser usados como agentes refrigerantes son aquéllos que pueden ser calentados y condensados cuando se desee, sin

descomposición química asociada. En relación a esto, se estudia la dependencia de la temperatura de ebullición T [°C] con la presión p [bar o MPa] ambiente. Si asciende la presión del sistema, asciende asimismo la temperatura de ebullición y viceversa.

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°C

ba

r

Δ

p

Δ

T

La figura muestra la curva que relaciona la temperatura de ebullición frente a la presión en un agente refrigerante. A una presión de 2.5 bar, el punto de ebullición se sitúa en –20°C. Si la presión ascendiese hasta 15 bar, el punto de ebullición lo haría hasta los 40°C (sobre cero).

Los agentes refrigerantes se eligen por su capacidad de ebullición (vaporizarse) con baja presión a la temperatura de la habitación fría. Consecuentemente, el equipo de

refrigeración hace ascender la presión hasta el punto necesario para efectuar la extracción de calor necesaria.

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Se puede llevar a cabo la mezcla de agentes refrigerantes y de este modo ajustar las características.

El diagrama anterior muestra mezclas que permiten ajustar el punto de ebullición.

2.2 Límites del agente

refrigerante

El uso de un agente refrigerante está limitado por sus propiedades químicas. Fundamentalmente, su estabilidad según la presión y temperatura. Ésta se muestra en los llamados diagramas p/h para agentes refrigerantes individualizados (en este caso R22). A partir de estos diagramas se puede establecer la máxima presión y temperatura a la que pueden llegar.

Otro factor muy importante es su compatibilidad con el lubricante utilizado.

2.3 Extracción energética

Los agentes refrigerantes se vaporizan (ebullen) y, debido a esto, extrae (el agente absorbe) calor de la sala más fría.

Durante la fase transición de líquido a gas, la temperatura del agente refrigerante no cambia. La temperatura de ebullición es determinada por la presión en el evaporador. Más del 90% de la transferencia energética es debida al cambio de fase.

2.4 Nomenclatura de agentes refrigerantes

La abreviación empleada para denominar a los agentes refrigerantes es la letra R seguida de un número de tres dígitos. Los agentes refrigerantes se clasifican en orgánicos

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Los agentes refrigerantes orgánicos están formados por cadenas cortas de hidrocarburos (HC) y son volátiles (bajo punto de ebullición). Los agentes refrigerantes orgánicos

halogenados o halones (con cloro, Cl, y flúor, F) se consideran agentes refrigerantes seguros porque nunca pueden explotar.

Desgraciadamente se ha demostrado que los halones dañan la capa de ozono. Su potencial destructivo lo mide el ODP (Ozone Destruction Potencial en inglés). Debido a esto, actualmente están siendo sustituidos por agentes

hidrofluorocarbonados que se supone no son tan perjudiciales. Todos los agentes refrigerantes

orgánicos halogenados influyen también en el incremento del efecto invernadero. Esto lo refleja el índice GWP (Greenhouse Warming Potencial en inglés = 10,000). Este valor compara la influencia de una molécula de agente refrigerante con una el de una molécula de CO2.

En el caso de agentes refrigerantes inorgánicos, domina el amoniaco (NH3, R717).

Desgraciadamente este compuesto es venenoso e inflamable (explosivo). No obstante, a causa de este problema ha de ser empleado únicamente bajo las más estrictas medidas de seguridad.

Otros agentes refrigerantes son el agua (H2O, R718), que es empleado en zonas de baja

presión (<1 bar), y dióxido de carbono (CO2, R744).

3 Equipos de refrigeración

Los equipos de refrigeración que usan agentes refrigerantes normalmente trabajan en circuito cerrado. Una excepción es la industria química donde el agente refrigerante puede ser un producto intermedio que puede ser reprocesado una vez condensado.

Refrigirant R xyz (R0yz....6yz)

x + 1 = C

rest = Cl oder C

z = F

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Δ

p

Q

´c

P

Q

´o

E

va

p

o

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r C

o

m

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G

a

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L

iq

u

id

G

a

s

L

iq

u

id

p

o

p

c

p

o

p

c

Δ

p

Un equipo de refrigeración está formado por un evaporador, una unidad de trabajo

(compresor), y una unidad de licuefacción (condensación). En el evaporador se toma calor del medio debido a que el agente refrigerante vaporiza. La unidad de trabajo comprime el agente refrigerante. Entonces ocurre un incremento de presión. En el condensador, el agente refrigerante es enfriado y de este modo condensa en presencia de un medio que toma calor p.ej. aire externo. En un circuito cerrado de refrigeración, ocurre un descenso de presión y el agente refrigerante vuelve al evaporador.

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