Bomba de calor y ciclo de refrigeración

Los ciclos termodinámicos de las bombas de calor o los ciclos de refrigeración son los modelos conceptuales y matemáticos de los sistemas de bomba de calor, aire acondicionado y refrigeración. Una bomba de calor es un sistema mecánico que transmite calor desde una ubicación (la "fuente") a una temperatura determinada a otra ubicación (el "sumidero" o "disipador de calor") a una temperatura más alta. Por lo tanto, una bomba de calor puede considerarse un "calentador" si el objetivo es calentar el disipador de calor (como cuando se calienta el interior de una casa en un día frío), o un "refrigerador" o "enfriador" si el objetivo es enfriar la fuente de calor (como en el funcionamiento normal de un congelador). Los principios operativos en ambos casos son los mismos: se utiliza energía para mover el calor de un lugar más frío a un lugar más cálido.

Según la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente de un lugar más frío a un área más caliente; se requiere trabajo para lograrlo. Un acondicionador de aire requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, moviendo calor desde el interior que se está enfriando (la fuente de calor) hacia el exterior (el disipador de calor). De manera similar, un refrigerador mueve calor desde el interior de la nevera fría (la fuente de calor) hacia el aire más cálido a temperatura ambiente de la cocina (el disipador de calor). El principio de funcionamiento de un motor térmico ideal fue descrito matemáticamente mediante el ciclo de Carnot por Sadi Carnot en 1824. Un refrigerador o una bomba de calor ideal pueden considerarse como un motor térmico ideal que funciona en un ciclo de Carnot inverso.

Los ciclos de bomba de calor y los ciclos de refrigeración se pueden clasificar como ciclos de compresión de vapor, absorción de vapor, ciclos de gas o ciclos Stirling.

El ciclo de compresión de vapor se utiliza en muchas aplicaciones de refrigeración, aire acondicionado y otros sistemas de refrigeración, y también en bombas de calor para aplicaciones de calefacción. Hay dos intercambiadores de calor: uno es el condensador, que está más caliente y libera calor, y el otro es el evaporador, que está más frío y acepta calor. Para las aplicaciones que necesitan funcionar tanto en modo de calefacción como de refrigeración, se utiliza una válvula de inversión para cambiar las funciones de estos dos intercambiadores de calor.

Al comienzo del ciclo termodinámico, el refrigerante entra en el compresor como vapor a baja presión y baja temperatura. En las bombas de calor, este refrigerante suele ser el refrigerante R32 o el refrigerante R290. Luego, la presión aumenta y el refrigerante sale como un gas sobrecalentado a mayor temperatura y presión. Este gas presurizado caliente pasa a continuación por el condensador, donde libera calor al entorno a medida que se enfría y se condensa por completo. El líquido de alta presión más frío pasa a continuación por la válvula de expansión (válvula de mariposa), que reduce la presión de forma abrupta, lo que hace que la temperatura baje drásticamente. La mezcla fría de baja presión de líquido y vapor pasa a continuación por el evaporador, donde se vaporiza por completo a medida que acepta calor del entorno antes de regresar al compresor como un gas de baja presión y baja temperatura para iniciar el ciclo de nuevo.

Algunas aplicaciones más sencillas con temperaturas de funcionamiento fijas, como un frigorífico doméstico, pueden utilizar un compresor de velocidad fija y una válvula de expansión de apertura fija. Las aplicaciones que necesitan funcionar con un coeficiente de rendimiento elevado en condiciones muy variadas, como es el caso de las bombas de calor, donde las temperaturas externas y la demanda de calor interna varían considerablemente a lo largo de las estaciones, suelen utilizar un compresor inversor de velocidad variable y una válvula de expansión ajustable para controlar las presiones del ciclo con mayor precisión.

El análisis anterior se basa en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor ideal y no tiene en cuenta los efectos del mundo real, como la caída de presión por fricción en el sistema, la leve irreversibilidad termodinámica durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento no ideal del gas (si lo hubiera).

En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor mediante sistemas de agua y amoníaco era popular y se utilizaba ampliamente, pero, tras el desarrollo del ciclo de compresión de vapor, perdió gran parte de su importancia debido a su bajo coeficiente de rendimiento (aproximadamente una quinta parte del del ciclo de compresión de vapor). Hoy en día, el ciclo de absorción de vapor se utiliza únicamente en los casos en que el calor está más disponible que la electricidad, como en el caso del calor residual industrial, la energía solar térmica mediante colectores solares o la refrigeración fuera de la red en vehículos recreativos.

El ciclo de absorción es similar al ciclo de compresión, pero depende de la presión parcial del vapor de refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor se reemplaza por un absorbedor y un generador. El absorbedor disuelve el refrigerante en un líquido adecuado (solución diluida) y, por lo tanto, la solución diluida se convierte en una solución fuerte. En el generador, al agregar calor, la temperatura aumenta y, con ella, la presión parcial del vapor de refrigerante se libera de la solución fuerte. Sin embargo, el generador requiere una fuente de calor, que consumiría energía a menos que se use calor residual. En un refrigerador de absorción, se utiliza una combinación adecuada de refrigerante y absorbente. Las combinaciones más comunes son amoníaco (refrigerante) y agua (absorbente), y agua (refrigerante) y bromuro de litio (absorbente).

Los sistemas de refrigeración por absorción pueden funcionar mediante la combustión de combustibles fósiles (p. ej., carbón, petróleo, gas natural, etc.) o energía renovable (p. ej., recuperación de calor residual, combustión de biomasa o energía solar).

Cuando el fluido de trabajo es un gas que se comprime y se expande pero no cambia de fase, el ciclo de refrigeración se denomina ciclo de gas. El aire es el fluido de trabajo más común. Como en un ciclo de gas no se prevé condensación ni evaporación, los componentes correspondientes al condensador y al evaporador en un ciclo de compresión de vapor son los intercambiadores de calor de gas a gas caliente y frío.

Para determinadas temperaturas extremas, un ciclo de gas puede ser menos eficiente que un ciclo de compresión de vapor porque el ciclo de gas funciona según el ciclo Brayton inverso en lugar del ciclo Rankine inverso. Por lo tanto, el fluido de trabajo nunca recibe ni rechaza calor a temperatura constante. En el ciclo de gas, el efecto de refrigeración es igual al producto del calor específico del gas y el aumento de temperatura del gas en el lado de baja temperatura. Por lo tanto, para la misma carga de refrigeración, las máquinas de ciclo de refrigeración de gas requieren un caudal másico mayor, lo que a su vez aumenta su tamaño.

Debido a su menor eficiencia y mayor volumen, los enfriadores de ciclo de aire no se utilizan a menudo en la refrigeración terrestre. Sin embargo, la máquina de ciclo de aire es muy común en los aviones de pasajeros propulsados por turbinas de gas, ya que el aire comprimido está fácilmente disponible en las secciones del compresor de los motores. Las unidades de refrigeración y ventilación de estos aviones a reacción también sirven para calentar y presurizar la cabina del avión.

El motor térmico de ciclo Stirling puede funcionar en sentido inverso, utilizando una entrada de energía mecánica para impulsar la transferencia de calor en una dirección inversa (es decir, una bomba de calor o un refrigerador). Existen varias configuraciones de diseño para dichos dispositivos que pueden construirse. Varias de estas configuraciones requieren sellos rotatorios o deslizantes, lo que puede generar difíciles compensaciones entre pérdidas por fricción y fugas de refrigerante.

El ciclo de Carnot, que tiene un equivalente cuántico, es reversible, por lo que los cuatro procesos que lo componen, dos isotérmicos y dos isentrópicos, también pueden invertirse. Cuando un ciclo de Carnot transcurre en sentido inverso, se denomina ciclo de Carnot inverso. Un refrigerador o una bomba de calor que actúa según el ciclo de Carnot inverso se denomina refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot, respectivamente. En la primera etapa de este ciclo, el refrigerante absorbe calor de forma isotérmica de una fuente de baja temperatura, T_L, en la cantidad Q_L. A continuación, el refrigerante se comprime de forma isentrópica (adiabáticamente, sin transferencia de calor) y su temperatura aumenta hasta la de la fuente de alta temperatura, T_H. Luego, a esta temperatura alta, el refrigerante rechaza calor de manera isotérmica en la cantidad Q_H < 0 (negativa según la convención de signos para el calor perdido por el sistema). También durante esta etapa, el refrigerante cambia de un vapor saturado a un líquido saturado en el condensador. Por último, el refrigerante se expande de manera isentrópica hasta que su temperatura cae a la de la fuente de baja temperatura, T_L.

Una bomba de calor de absorción-compresión (ACHP) es un dispositivo que integra un compresor eléctrico en una bomba de calor de absorción. En algunos casos esto se obtiene combinando una bomba de calor de compresión de vapor y una bomba de calor de absorción. También se le denomina bomba de calor híbrida, aunque es un campo más amplio. Gracias a esta integración, el dispositivo puede obtener efectos de enfriamiento y calentamiento utilizando fuentes de energía tanto térmicas como eléctricas. Este tipo de sistemas se acopla bien con los sistemas de cogeneración donde se produce tanto calor como electricidad. Dependiendo de la configuración, el sistema puede maximizar la producción de calor y enfriamiento a partir de una cantidad dada de combustible, o puede mejorar la temperatura (y por lo tanto la calidad) del calor residual de otros procesos. Este segundo uso es el más estudiado y se ha aplicado a varias aplicaciones industriales.

El mérito de un refrigerador o una bomba de calor viene dado por un parámetro llamado coeficiente de rendimiento (COP). La ecuación es:

${\displaystyle {\rm {}={\frac} {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif}} {\fnMicrosoft Sans Serif}}$

donde

• ${\displaystyle Q}$ es el calor útil dado o tomado por el sistema considerado.
• ${\displaystyle W_{net,in}$ es el trabajo neto realizado en el sistema considerado en un ciclo.

El COP detallado de un refrigerador viene dado por la siguiente ecuación:

${\displaystyle {\rm {\rm}={\frac {\text{Desired Output}{Required Input}={\frac {\text{Cooling Effect}{\text{Work Input}={\frac {\fnK} {\fnMicrosoft Sans Serif}}$

La COP de una bomba de calor (a veces denominada coeficiente de amplificación COA) es dada por las siguientes ecuaciones, donde la primera ley de la termodinámica: ${\displaystyle W_{net,in}+Q_{H}= Delta _{cycle} U=0}$ y ${\displaystyle Silencio.$ fue utilizado en uno de los últimos pasos:

${\displaystyle {\rm {}={\frac {\text{Desired Output}{Required Input}={\frac {\text{Heating Effect}{\text{Work} Input}={\frac {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif}} {\fnK}} {\fnMicroc} {\fnK}}} {\fnMicroc}}}} {\fnMicroc}}} {\f}}}} {\f}} {\fnMicroc}}} {\f}}}}}} {\f}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\f}}}} {\f}}}}}}\f}\f}}}}\\\\\f}\\\\f}}}}}}}\\\\f}}}}}}\f}\\\\\\\\\f}\f}\f}\f}\f}\fn\f}\fnh}\f}\f}\f}\\f}\f}\f}\fn {W_{net,in}=1+{\frac}}=1+{\frac} {\fnK} {\fnMicrosoft Sans Serif}}$

Tanto el COP de un refrigerador como el de una bomba de calor pueden ser mayores que uno. La combinación de estas dos ecuaciones da como resultado:

${\displaystyle {\rm {\fnh}=1+{\rm} {\fnh}} {\fnh}}}}}=1+{\rm} {}}$ para valores fijos Q_H y Q_L.

Esto implica que el COP_HP será mayor que uno porque el COP_R será una cantidad positiva. En el peor de los casos, la bomba de calor suministrará tanta energía como consume, lo que la hace actuar como un calentador de resistencia. Sin embargo, en la realidad, como en la calefacción doméstica, parte de Q_H se pierde en el aire exterior a través de las tuberías, el aislamiento, etc., lo que hace que el COP_HP caiga por debajo de la unidad cuando la temperatura del aire exterior es demasiado baja.

En el caso de los refrigeradores y bombas de calor de Carnot, el COP se puede expresar en términos de temperaturas:

${\displaystyle {\rm {\fnMicrosoft Sans Serif}={\fnMicroc} {T_{L} {T_{H}-T_{L}={\frac} {1} {} {} {}}}} {}}} {\cH}} {\cH} {\cH} {\cH} {\c}}}}}}}} {\c}}}} {\cH}}}} {\cH}}}}}}}}} {\c}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

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Estos son los límites superiores para la COP de cualquier sistema que opera entre T_L y T_H.

Notas

• Gira, Stephen (2006). Termodinámica: Conceptos y Aplicaciones. Cambridge University Press. p. 756. ISBN 0-521-85042-8.
• Dincer, Ibrahim (2003). Sistemas de refrigeración y aplicaciones. John Wiley y Sons. p. 598. ISBN 0-471-62351-2.
• Whitman, Bill (2008). Tecnología de refrigeración y aire acondicionado. Delmar.

• "El ciclo básico de refrigeración"