Bomba de calor

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Diagrama de flujo de una bomba de calor reversible, funcionando en el ciclo de refrigeración.

Una bomba de calor es una máquina que transfiere energía térmica desde una fuente fría (de bajo nivel térmico o baja temperatura) a otra más caliente (de nivel térmico más alto o de mayor temperatura).[1] Recibe este nombre por analogía con las bombas de agua, que permiten subir el agua desde un nivel bajo a otro más alto.

Para lograrlo es necesario un aporte de trabajo, pues de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor se dirige de manera espontánea de una fuente caliente a otra fría, hasta que sus temperaturas se igualen, y no al revés.

Para ello se emplea un sistema análogo al de refrigeración por compresión de gases refrigerantes en el que en vez de obtener el calor de un ambiente cerrado para disiparlo en el exterior, se obtiene calor del exterior, o de otra fuente cualquiera exterior, calentando un fluido frío en un evaporador, para enfriarlo en un condensador, cediendo calor para calentar los espacios interiores.

Técnicamente las máquinas para uno u otro uso son las mismas, variando solamente los campos de temperaturas en las que trabajan. Aun así, se suele llamar bomba de calor a la destinada a calefacción de espacios y máquina frigorífica a la que proporciona refrigeración. Y la razón es la analogía con la bomba de agua; se supone que una máquina frigorífica, aunque "bombea calor" hacia el exterior, lo que "se nota" es que enfría, mientras que la máquina destinada a calefacción efectivamente lleva calor allí donde hace falta, obteniéndolo de un lugar a un nivel más bajo.

Bomba de calor reversible[editar]

Válvula inversora de ciclo o "válvula de cuatro vías".

Una variante de este ingenio es la bomba de calor reversible, cuya particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa, de modo que en verano sirve como máquina frigorífica, para la refrigeración y en invierno como bomba de calor, para calefacción.

Funcionamiento[editar]

Una bomba de calor por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición. Este fluido se hace pasar por un compresor, que eleva su presión y aumenta con ello su temperatura (su entalpía). Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí cede calor al foco caliente, dado que el fluido refrigerante ha salido del compresor, a mayor temperatura que ese foco caliente. Al enfriarse el fluido en el condensador (cediendo calor al foco caliente), cambia su estado a líquido. A la salida del condensador, comprimido, atraviesa una válvula de expansión, lo cual supone una brusca caída de presión. Al disminuir la presión, el fluido se enfría bruscamente y además empieza a evaporarse. En el intercambiador de calor llamado evaporador que hay después de la válvula de expansión, el fluido se evapora, absorbiendo calor del foco frío, puesto que está más frío que dicho foco. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo.

El principio de funcionamiento en cuatro pasos[editar]

  1. En el primer paso se comprime un fluido refrigerante con un compresor. Según la Ley de Gay-Lussac la presión es proporcional a la temperatura absoluta, luego cuando se comprime un gas aumenta su temperatura.
  2. Ese fluido caliente se hace pasar por un intercambiador, llamado condensador, en el que el fluido cede su calor (al llamado foco o fuente caliente) y al enfriarse, se condensa parcialmente, pasando del estado gaseoso a estado líquido.
  3. A continuación se hace pasar el fluido, todavía a presión, por una válvula de expansión (que consiste en un dispositivo con una gran pérdida de carga) en el que el fluido pierde presión (carga) bruscamente y por lo tanto se enfría también bruscamente.
  4. Finalmente pasa por otro intercambiador, situado en la fuente fría, y llamado evaporador en el que absorbe calor de nuevo, para volver a reiniciar el ciclo en el compresor.

Evidentemente cuando se trata de una bomba de calor propiamente dicha, el foco caliente del segundo paso es el intercambiador que genera el calor para la calefacción y es condición indispensable que el fluido esté a mayor temperatura que el ambiente. El del cuarto paso es el aire exterior o cualquier otra fuente fría, que también debe cumplir la condición de que el fluido que circula por el evaporador esté a menor temperatura que el ambiente exterior. Si se trata de un sistema de refrigeración, será al revés: en el segundo paso se hará la cesión de calor al exterior y en el cuarto paso se extraerá calor del interior del recinto que se quiere refrigerar.

Rendimiento[editar]

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea esta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina.

Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance), mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

 Q_C\ = Q_F + W

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:

 COP\ = \frac{Q_F}{W}

Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:

 COP\ = \frac{Q_C}{W} = \frac{Q_F + W}{W}

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.

Otro coeficiente es el Índice estacional de eficiencia energética (SEER - Seasonal Energy Efficiency Ratio).

Tipos de bomba de calor[editar]

Las bombas de calor pueden ser de varios tipos:

Bomba de calor aire-aire: el calor que se toma del aire exterior se transfiere directamente al aire del local que debe calentarse.

Bomba de calor aire-agua: el calor se toma del aire y se transfiere a un circuito de agua que abastecerá un suelo/techo radiante/refrescante, radiadores, ventiloconvectores o aerotermos.

Bomba de calor agua/agua: el sistema toma el calor de un circuito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el calor (la tierra, capa freática) para transferirlo a otro circuito de agua como en el caso anterior. Es el sistema generalmente adoptado por las bombas de calor geotérmicas.

Bomba de calor agua-aire: el calor se toma del agua, como en el caso anterior, y se transfiere directamente al aire del local que debe calentarse.

Usos[editar]

La bomba de calor se utiliza en sistemas de calefacción y, las reversibles, además en refrigeración. Usada en calefacción tiene la ventaja de hacer que la electricidad sea económica para calentar, pues al contrario que el uso de resistencias por efecto Joule, proporciona más energía que la que consume y el precio de la unidad de energía eléctrica es considerablemente más alto que el de la energía térmica proporcionada por un combustible en una caldera.

Pero el uso más adecuado de estos ingenios es el aprovechamiento de fuentes de calor de relativamente bajo nivel térmico para subir el nivel a otro utilizable; por ejemplo, en un manantial de agua templada, subir la temperatura del agua para utilizarla en calefacción.

En el aprovechamiento de la energía solar para calefacción existe el problema de que en las épocas en que más falta hace la calefacción, el rendimiento de los colectores es menor y el tiempo de insolación diario más corto; Se ha investigado sobre la posibilidad de aprovechar el calor de las temporadas más cálidas para acumularlo en grandes depósitos de agua, para aprovechar el calor en las épocas frías, y ahí puede emplearse la bomba de calor para llevar la temperatura del agua acumulada al nivel necesario para su uso en los sistemas de calefacción.[2]

Véase también[editar]

Referencias y notas[editar]

  1. M. A. Gálvez Huerta; et alt. (2013). Instalaciones y Servicios Técnicos. Madrid: Sección de Instalaciones de Edificios. Escuela Técnica Superior de Arquitectura, U.P.M. ISBN 97-884-9264-1253. 
  2. Álvarez Pérez, Gustavo; Sánchez Sáinz, Francisco. «Acumulación estacional de la energía solar en combinación con sistemas de alta eficiencia. La geotermia artificial». Consultado el 23 de diciembre de 2013.

Enlaces externos[editar]