El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de forzar el flujo de calor en la dirección contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña.
Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calefactar, o bien para emplearlo en procesos que precisan calor en la edificación o la industria.
Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior. En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cubrir una demanda simultánea de calor.
El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor no es reciente. Sus orígenes provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin.
Un gas evolucionaba cíclicamente, era comprimido, condensado y posteriormente expansionado, obteniendo frío y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado.
A finales de los años cincuenta se inició la expansión de la Bomba de Calor en Estados Unidos y su producción en serie, con la siguiente evolución en el número de ventas: 1954 (2.000 unidades), 1957 (10.000 unidades), 1963 (76.000 unidades).
La crisis del petróleo y el alza de los precios de los combustibles a partir de 1973, impulsó las investigaciones en nuevos equipos de alta eficiencia, además de cambiar el posicionamiento de los costes de calefacción, situación que benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.
A lo largo de estos años además de los cambios coyunturales que han propiciado el aumento de las ventas, las Bombas de Calor han tenido una evolución positiva desde el punto de vista tecnológico.
En un principio, el desarrollo se centró en equipos reversibles aire-aire. El fin principal de estas bombas era la refrigeración, en consecuencia el diseño estaba orientado a las condiciones del ciclo para obtener frío en verano.
Por esta razón existían una serie de defectos de la máquina al funcionar para dar calefacción, que hoy en día se encuentran superados gracias al
desarrollo de los compresores y a la introducción de la electrónica para el control de desescarche.
Estos defectos eran:
- Fallos del compresor por golpes de líquido, falta de engrase o sobrecarga del motor de accionamiento.
- Formación de hielo en el evaporador.
- Potencia calorífica baja.
- Costes de explotación superiores a los previstos.
En el momento actual la utilización de Bombas de Calor se justifica, además de por el ahorro energético que suponen, por su contribución a la reducción de las emisiones de CO2.
Las Bombas de Calor consumen menos energía primaria que los medios tradicionales de calefacción.
CLASIFICACIÓN:
Las Bombas de Calor se pueden clasificar según diferentes criterios. A continuación se muestran algunos de los más utilizados.
Según el Tipo de Proceso
- Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un motor eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.
- Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de absorción), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas.
- Bombas de Calor electro térmicas, que funcionan según el efecto Peltier.
En las Bombas de Calor de compresión, la elevación de presión y temperatura entre evaporador y condensador se logra mediante compresión mecánica del vapor.
Según el medio de origen y destino de la energía
Esta clasificación es la más utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras.
La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente).
- Bombas de calor aire-aire: Son las más utilizadas, principalmente en climatización.
- Bombas de calor aire-agua: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
- Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior, debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua a lo largo del año.
- Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los emisores son radiadores a baja temperatura, fan-coils o suelo radiante.
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| Bomba de calor agua-agua |
- Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son instalaciones poco habituales, debido a su coste y a la necesidad de disponer de grandes superficies de terreno.
Según construcción:
Por la forma de construir la máquina, ésta puede ser:
- Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de una misma carcasa.
- Split o partidas: Están constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el compresor y la válvula de expansión y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local.
- Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores.
Según funcionamiento:
- Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido frigorífico gracias a una válvula de 4 vías.
- No reversibles: Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.
- Termofrigobombas: Producen simultáneamente frío y calor.
Componentes:
La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresión de un fluido condensable. Sus principales componentes son:
- Compresor
- Válvula de expansión
- Condensador
- Evaporador
Los componentes se conectan en un circuito cerrado con tubería de cobre por el que circula un fluido refrigerante.
El ciclo se desarrolla en las siguientes etapas:
1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de éste.
2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presión y temperatura.
3. El vapor caliente accede al condensador. En este intercambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio.
4. Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador.
ELEMENTOS COMPONENTES:
Para que el fluido refrigerante evolucione según los ciclos anteriormente expuestos son necesarios los elementos que a continuación se explican.
1.- COMPRESOR.
Su misión es elevar la presión del vapor refrigerante desde una presión de aspiración a una presión de descarga más alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos:
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compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y
compresores centrífugos.
En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser:
Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje.
Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos.
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| Compresor semi-hermético |
Herméticos: El motor y el compresor, además de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperación del calor generada en el motor es mayor.
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| Compresor hermético |
2.- CONDENSADOR.
La misión del condensador es enfriar el fluido refrigerante a la temperatura de condensación para poder condensarlo.
Se pueden clasificar en:
Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire.
Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisión de calor. Adicionalmente estas baterías disponen de ventiladores que inducen la circulación del aire a calentar entre las aletas del condensador.
Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua.
Pueden ser:
Intercambiadores de doble tubo en contracorriente: El fluido refrigerante circula por el espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricación de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de potencia térmica de 100 kW. Hoy en día prácticamente no se utilizan, al ser sustituido por los intercambiadores a placas, que son más pequeños y tienen mejor rendimiento.
Multitubulares horizontales: El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero con tapas de fundición.
Debido a las características del agua puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de aleación de níquel.
Intercambiadores a placas.
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| Intercambiador a placas |
3.- EVAPORADOR
Según el fluido del que se extraiga el calor, los evaporadores pueden ser:
Evaporadores de aire: Las baterías evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos
ventiladores pueden ser axiales o centrífugos. Los centrífugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros.
Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de rocío del aire se produce el fenómeno de la condensación y si se reduce aún más la temperatura el escarchado.
El
escarchado incide negativamente en los rendimientos por dos motivos: pérdida en la superficie de intercambio, y pérdida de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos.
Por esta razón las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo.
Evaporadores de agua: Son prácticamente igual a los condensadores de agua y siempre se aíslan. Ambos intercambiadores, pueden actuar como condensador y evaporador con distribuidor del líquido cuando funciona como evaporador.
4.- DISPOSITIVOS DE EXPANSION
Son los dispositivos mediante los que se realiza la reducción de presión isoentálpica desde la presión de condensación hasta la de evaporación.
Los elementos utilizados son:
Tubo capilar para máquinas de potencia reducida y constante.
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| Tubo capilar |
Válvula de expansión: Las válvulas de expansión tienen una sección variable.
Esta sección puede ser variada automáticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporación se mantenga constante y no accedan gotas de líquido al compresor. En este caso la válvula recibe el nombre de termostática (VET).
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| VET |
5.- DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD Y CONTROL
Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se esté trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son:
Presostato de alta presión: Detiene el compresor cuando se alcanza una presión de condensación elevada.
Presostato de baja presión. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presión de aspiración es demasiado baja.
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| presostatos alta y baja |
Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presión del aceite del circuito de refrigeración y lubricación de aceite.
Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura de descarga es demasiado elevada.
6.- DISPOSITIVOS AUXILIARES
Válvulas de 4 vías: Invierten el ciclo.
Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles (permiten invertir el ciclo de Verano a Invierno, cambiando el recorrido del circuito), y en funcionamiento para desescarche.
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| Válvula de 4 vías |
Válvulas solenoides: Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde.
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| Válvula solenoide |
A la salida del condensador y antes de la válvula de expansión se sitúa un
depósito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante.
Después del acumulador se dispone un
filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no obstruya la válvula de expansión y no dañe el compresor.
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