7.8. BOMBA DE CALOR
En principio, el funcionamiento de la "bomba de calor" se basa en el sistema tradicional de generación mecánica de frío, pudiéndose comparar al frigorífico doméstico de una vivienda. En un frigorífico se extrae el calor de los alimentos, verduras, carnes, leche, etc., enfriándose los mismos; el calor extraído se entrega al ambiente a través del condensador situado en la parte posterior del frigorífico.
Concretamente, la bomba de calor es un aparato capaz de extraer el calor de una fuente energética natural, aire, agua, etc., y transmitirlo a otro lugar para su utilización. De ahí el nombre de "bomba de calor" por su comparación al bombeo de energía de un lugar a otro.
La energía utilizada para el funcionamiento propio de la bomba de calor es la electricidad (un motor eléctrico mueve a un compresor), pero tiene la particularidad sobre los sistemas convencionales de que por cada kilovatio consumido por la bomba de calor se obtiene el equivalente a 2.580 kcal, aproximadamente, es decir, tres veces más que por efecto Joule, 3 x 860 = 2.580. La razón de este elevado rendimiento es precisamente el aprovechamiento de la energía del medio ambiente.
No existe una diferencia fundamental entre el conocido ciclo de una instalación frigorífica y el ciclo de una bomba de calor. Termodinámicamente ambos sistemas son bombas de calor que utilizan un compresor, un condensador, un evaporador y demás componentes, con el único fin de absorber calor de un cuerpo y desprenderlo sobre otro. Si el calor se absorbe del aire y se desprende sobre el aire, la bomba se denomina aire-aire.
Así, según cual sea el origen de la fuente de calor y el sistema de transporte del mismo a los servicios de la vivienda o local, las bombas de calor pueden denominarse: aire-aire, aire-agua, agua-aire, agua-agua.
En el campo concreto del aire acondicionado, la bomba de calor resulta imprescindible ya que se utilizará para suministrar calor durante los momentos en los que se requiera calefacción y para extraerlo en los períodos en los que se requiera refrigeración.
Para clarificar los cambios termodinámicos que sufre el líquido refrigerante que mueve el compresor de una bomba de calor, se utiliza el diagrama Presión-Entalpía (P-H), representando en él las familias de curvas de temperatura, entropía y volumen constante.
La línea que engloba la campana representa la zona de líquido + vapor, es en donde se produce el cambio de estado. La zona de la derecha de la línea vapor saturado, representa el sector de vapor sobrecalentado. La zona de la izquierda de la línea líquido saturado, representa el sector del líquido subenfriado.
El amoniaco fue el refrigerante más utilizado en los primeros tiempos de la refrigeración. Tiene la propiedad de tener un calor latente muy grande, pero tiene el inconveniente de ser altamente tóxico por lo que su utilización es muy limitada.
Pruebas realizadas en los últimos decenios han permitido descubrir unos agentes refrigerantes de excelentes cualidades. Se trata de asociaciones Flúor-Cloro del Metano y Etano, denominados Freones, siendo los más comúnmente utilizados el R-22 y R-502.
El R-22 es el refrigerante más utilizados para la aplicación en bombas de calor. Su denominación es Difluordiclorometano y es un gas incombustible, no inflamable, ni tóxico, carente de efectos perjudiciales sobre los productos alimenticios. Se trata de un gas de excelentes cualidades y con un punto de ebullición de -30 ºC a la presión atmosférica.
Seguidamente veamos el funcionamiento de un ciclo de la bomba de calor (ver figuras siguientes):
1º) El refrigerante en estado de vapor sobrecalentado, a una temperatura Td y a una presión P1, es aspirado por el compresor, punto C, que lo comprime adiabáticamente hasta alcanzar la temperatura Te y presión P2, punto D. Durante este proceso el vapor ha ido aumentando su presión y temperatura alcanzando un valor máximo de temperatura debido al calor de compresión (h4 - h3), producido por el propio compresor.
2º) En el intervalo D-E de condensación, el refrigerante pasa de vapor sobrecalentado a vapor saturado, punto F, y a partir de este punto el vapor comienza a condensarse hasta llegar al punto G en donde el refrigerante se encuentra en estado de líquido saturado. El proceso sigue hasta el punto E, subenfriándose el líquido.
Vemos cómo durante la condensación el refrigerante va cediendo calor a un agente externo (aire), pasando de una temperatura Te a otra inferior Tb, cediendo un calor total (h4-h1), y manteniendo la presión.
3º) El refrigerante al pasar a través de la válvula de expansión, experimenta una reducción de su presión, de P2 a P1, y de su temperatura, de Tb a Ta, a entalpía constante, es decir, sin pérdida de calor.
En la expansión, parte del refrigerante líquido, se transforma en vapor, terminando en el punto A en un estado líquido + vapor.
4º) Al entrar el refrigerante en el evaporador, en forma de líquido + vapor, el líquido se va evaporando hasta llegar al punto B donde todo el refrigerante se encuentra en forma de vapor saturado, pasando al punto C en forma de vapor sobrecalentado.
Esta fase de evaporación se ha realizado a presión constante y con un aumento de temperatura de Ta a Td, absorbiendo del agente exterior (aire), un calor total h3-h1.
De la descripción del ciclo de la bomba de calor nace el término "coeficiente de funcionamiento", Performance, "COP", que se utiliza para indicar su rendimiento.
y siendo el Calor Cedido por el Condensador igual al Calor Extraído por el Evaporador más el Calor Suministrado por el Compresor, tendremos:
El calor cedido por el medio ambiente y el suministrado por el compresor son variables y dependen de la temperatura del aire que circula por el evaporador, por lo que el COP de una bomba de calor es variable. Por lo general suele ser de 3, para una temperatura del aire en el evaporador de 8 ºC, es decir, que del 100% de la potencia calorífica obtenida en el condensador, el 33% corresponde a la potencia suministrada por el compresor, y el resto, el 67%, corresponde a la potencia absorbida por el evaporador del medio ambiente.
El rendimiento global de la bomba de calor será ligeramente inferior al COP descrito, ya que a la potencia suministrada por el compresor hay que sumarle el rendimiento del grupo motor-compresor y los consumos de los ventiladores que fuerzan el paso del aire por el condensador y por el evaporador.
El COP aumenta con la temperatura del aire del evaporador; es del orden de 2,7 para temperaturas bajo cero y del orden de 3,5 para temperaturas superiores a los 12 ºC.
Ya hemos visto cómo en el evaporador se obtiene un disminución de la temperatura del aire (refrigeración), mientras que en el condensador se obtiene una elevación de temperatura del aire (calefacción). Si mediante una válvula invirtiéramos la alimentación al compresor, tendríamos que el evaporador haría de compresor y viceversa, invirtiendo el ciclo calor-frío en frío-calor.
Seguidamente mostramos un ejemplo de bomba de calor aplicada en sus dos facetas de calefacción y refrigeración. Se trata de una bomba de calor aire-aire en la que el caudal de aire interior es de 1.600 m3 / h y en el exterior 4.000 m3 / h.
Sabiendo las temperaturas de entrada y salida del aire al evaporador y al compresor nos será muy fácil obtener el calor aportado por la bomba de calor y su rendimiento, teniendo presente que la cantidad de calor ganada (calorías) o la cantidad de calor perdida (frigorías), se calcula por la fórmula:
Q = V C ( T1 - T2 )
en la que:
V = Caudal de aire tratado en m3 / h.
C = Calor específico del aire, 0,307 kcal / m3 ºC.
T1 = Temperatura del aire de entrada en ºC.
T2 = Temperatura del aire de salida en ºC.
Q = Cantidad de calor aportado al aire en kcal / h.
Cuando la bomba de calor trabaja en ciclo de refrigeración, el factor COP no nos dice gran cosa, por lo que se utiliza otro factor conocido por las siglas EER, y representa el cociente entre el calor extraído por el evaporador y el calor cedido por el compresor:
La bomba de calor aire-aire descrita es de las más utilizadas en viviendas, aunque también suele utilizarse un modelo aire-agua que tiene aplicación en calefacción y para obtener agua caliente sanitaria.
Calor cedido por el condensador: Q1 = 1.600 ´ 0,307 ( 35 - 20 ) = 7.368 kcal / h.
Calor extraído por el evaporador: Q2 = 4.000 ´ 0,307 ( 4 - 8 ) = - 4.912 kcal / h.
Por lo tanto el calor cedido por el compresor será: Q1 + Q2 = 7.368 - 4.912 = 2.456 kcal / h.
obeniendo un COP de:
COP = 7.368 / 2.456 = 3
Calor extraído por el evaporador: Q1= 1600 ´ 0,307 (14 - 28 ) = - 6.876 kcal/h.(Frigorías).
Calor cedido por el condensador: Q2 = 4.000 ´ 0,307 ( 45 - 37,3 ) = 9455 kcal / h.
Calor cedido por el compresor: Q1 + Q2 = 9.455 - 6876 = 2.579 kcal / h.
obteniendo un EER de:
EER = 6.876 / 2.579 = 2,6
