Bombas de calor

Tipos de bomba de calor

 Tipo Agua-Agua

En este tipo, tanto la calefacción como la refrigeración se efectúan mediante la inversión de los circuitos de agua entre el evaporador y el condensador de una planta enfriadora de agua. Este sistema precisa de una reserva de agua que se utiliza en verano para la condensación y en invierno como fuente de calor. Puede utilizarse con estos fines agua de un grifo, de pozos, lagos, etcétera. Las maquinas de refrigeración centrifugas o a pistón son ideales para este tipo de sistema.

El cambio de la producción de frío a la de calor se efectúa gracias a un simple sistema de válvulas. (Ver figs. .2a y 2b.)

 

Fig. 2a

Fig. 2b (utilización invierno)

 

  Tipo Aire-Agua

Es un sistema clásico de acondicionamiento de aire, que utiliza baterías frías y baterías calientes además de una "batería exterior" que se utiliza para eliminar o extraer el calor del exterior. En invierno, el evaporador de la maquina frigorífica se conecta a la batería exterior y el condensador a la batería caliente. El calor se extrae de una mezcla de aire exterior-aire de extracción que pasa por la batería y a través de la maquina eliminando sobre el aire que se introduce en el local por la batería caliente.
Este sistema (ver figs. 3a y 3b) se presta extremadamente bien a aplicaciones con maquinas centrifugas y a pistón. Cuando la temperatura exterior descienda por debajo de 4° C., el fluido que se hace circular a través de las baterías exteriores debe incorporar una solución anticongelante a fin de protegerlas. Asimismo debe instalarse un dispositivo de deshielo de la batería exterior.

Pueden efectuarse muchas variantes sin cambiar el principio básico de funcionamiento. Puede utilizarse una torre de agua para enfriar el agua de condensación en verano y concebirla además con baterías de aletas que puedan extraer el calor del aire exterior en invierno. Otra posibilidad es utilizar un enfriador de tipo evaporativo que funcione húmedo en verano y seco en invierno.

 

Fig. 3a

Fig. 3b

 

 Tipo Aire-Aire

En este sistema, tanto la calefacción como la refrigeración del espacio acondicionado se consiguen mediante la inversión del flujo del fluido frigorífico (refrigerante con el que se carga el sistema de refrigeración) entre las baterías o intercambiadores denominados clásicamente evaporador y condensador. Ambos procesos quedan plasmados en la fig. 1 adjunta. En la fig. 1a puede verse el flujo del refrigerante durante el proceso de refrigeración. En la fig. 1 b se indica el flujo del refrigerante durante el proceso de calefacción. La inversión de este flujo se consigue mediante una válvula de 4 vías accionada mediante un termostato situado en el ambiente acondicionado.

Las baterías intercambiadoras dejan de denominarse evaporador y condensador, debido a que actúan tanto una como la otra efectuando la doble función de evaporador y condensador, dependiendo de que el equipo este trabajando en ciclo de calor o de frío. En un equipo bomba de calor aire-aire estas baterías se denominan: «batería exterior-, a la que esta efectuando las funciones de condensador en ciclo de frío y de evaporador en ciclo de calor. Esta situada -al exterior- del espacio acondicionado y de ahí viene su denominación. La «batería interior-, situada en -el interior- del espacio acondicionado actúa como evaporador en ciclo de refrigeración y como condensador en ciclo de calor (ver figs 1a y 1b).

 

Ambas baterías son de tubo de aleta ya que se trata de intercambiadores aire-refrigerante debido a que el calor siempre se toma y se cede al aire (situado dentro y fuera del espacio acondicionado), de ahí el nombre de bomba de calor aire-aire.

Actualmente los equipos bomba de calor aire-aire son del tipo compacto (package) o partidos (split). Sus capacidades oscilan entre las 4.500 y 20.000 Frig./h. y sus características fundamentales son:

- La bomba de calor de este tipo cumple la doble función de calefaccionar y enfriar. En consecuencia con un solo equipo se pueden conseguir las condiciones de confort durante todo el ano.

- Las unidades tanto de calor como de frío para acondicionar un espacio determinado se consiguen mediante una sola fuente de energía (normalmente la eléctrica).

- El calor suministrado por el equipo en el ciclo de calor es de dos o tres veces superior al absorbido por el equipo para su funcionamiento. (Ver apartado C.O.P.)

- No se precisan chimeneas ni tomas de aire para que el equipo funcione. En consecuencia se reducen los costos de instalación.

Coeffient Of Performance (C.O.P.)

 

El C.O.P. es un factor utilizado para dar el rendimiento de una bomba de calor cuando trabaja en ciclo de calor. Su valor es: 

               Potencia calorífica obtenida del condensador (Kcal./h.) 
C.O.P.=                                                                                                   

                      Potencia eléctrica absorbida por el equipo x 860 Kcal./Kw.

Como ejemplo podemos ver que el C.O.P. (o rendimiento calorífico en relación a la energía absorbida), de una resistencia eléctrica pura es igual a 1, debido a que por cada Kw. absorbido de la red eléctrica obtenemos 860 Kcal. Aplicando la formula anterior tenemos:

 

                                        

 

En un equipo bomba de calor aire-aire que trabaje en ciclo de calefacción pueden obtenerse C.O.P. de hasta 3, lo que quiere decir, en este caso, que por cada Kw. consumido por el equipo podemos obtener una potencia calorífica tres (3) veces superior a la que obtendríamos con una resistencia eléctrica pura que absorbiese la misma potencia eléctrica de la red. En otras palabras, en este equipo que tiene un C.O.P. de 3 por cada Kw. absorbido se obtienen 860 x 3 = 2.580 Kcal./h.

Los valores del C.O.P. los proporciona el fabricante del equipo y varían en función directa con la temperatura exterior. Cuanto más baja es la temperatura exterior, más bajo es el C.O.P. que proporciona una bomba de calor.

Deben distinguirse dos tipos de C.O.P.:

1. El C.O.P instantáneo. Es el que proporciona el equipo para unas condiciones de funcionamiento fijas. Este dato es el que habitualmente se proporciona en los cataáogos técnicos de los fabricantes.

Sin embargo, en el transcurso de una temporada de calefacción, las condiciones de temperatura exterior están variando constantemente. En consecuécia, el C.O.P. que proporciona el equipo también esta fluctuando, siguiendo las variaciones de la temperatura exterior.

A fin de poder calcular el C.O.P. de cualquier equipo que este funcionando en una instalación determinada, a lo largo de toda una temporada de calefacción debe procederse a calcular el C.O.P. estacional.

2. El C.O.P. estacional. Es el real de una instalación durante un periodo de tiempo determinado.

Para proceder a su calculo puede utilizarse el sistema que a continuación se indica.

Calculo del C.O.P. estacional de una instalación. 

Para proceder a efectuarlo deben conocerse:

1.º El numero de horas anuales que una temperatura fija da en el lugar donde se tiene instalado el equipo.

2.° La potencia térmica necesaria para mantener las condiciones de confort dentro del local que nos ocupa para cada una de las temperaturas exteriores que se darán en el lugar de la instalación. (Debe trazarse la recta de cargas del local en función de la temperatura exterior).

3.º El rendimiento calorífico de la bomba de calor para cada temperatura exterior. (Dato que proporciona el fabricante).

4.º La potencia absorbida por el equipo, para cada una de las condiciones del apartado 3 anterior que se consideren. 

Con los datos anteriores, debe confeccionarse una tabla (ver figura 9) que una vez completada nos dará el valor del C.O.P. estacional de un equipo concreto aplicado a una instalaci6n determinada.

Ejemplo del calculo del C.O.P. Estacional

La tabla de la fig. 9 consta de 10 columnas, cada una de las cuales indica:

Col. 1. Temperatura exterior °C. En esta columna se indican los valores de la temperatura exterior a los que el equipo funcionara durante todo el intervalo considerado (una estación invernal, por ejemplo). Lógicamente, cuantos mas valores de temperatura exterior consideremos, mas preciso será el resultado final. Sin embargo, tomando intervalos de 5ºC. da una precisión suficiente. 

Col. 2. Kcal./h. necesarias. En esta columna se indica la potencia calorífica necesaria en el local acondicionado para mantener las condiciones de diseño. Es función de la temperatura exterior y es un dato que se toma de la recta de cargas del local considerado.

Col. 3. Kcal./h. B.C. En esta columna se anotan los rendimientos caloríficos de la bomba de calor para cada uno de los valores de temperatura exterior considerados. Este dato lo proporciona el fabricante del equipo.

Col. 4. Potencia absorbida por la B.C. (Kw.). En esta columna se anotan los valores de la potencia absorbida por la bomba de calor. (Dato que proporciona el fabricante.) Es importante recordar que la potencia absorbida que debe considerarse no es solamente la del compresor del equipo sino que además debe sumarse a la anterior toda la potencia que consumen los ventiladores, etc., que monta el acondicionador, así como la consumida durante el deshielo de la batería exterior.

Col. 5. Horas de funcionamiento. En esta columna se anotan las horas que durante el periodo de tiempo que se considera, la temperatura exterior considerada se dará en el lugar de la instalación. Este dato debe obtenerse de las tablas facilitadas por los organismos adecuados.

Col. 6. Factor de funcionamiento. Este factor es el resultado de dividir el dato de la columna 2 (Kcal./h. necesarias) entre el dato de la columna 3 (Kcal./h. que proporciona la bomba de calor). Nos indica el % de la potencia calorífica de la bomba de calor que se precisa para mantener las condiciones de diseño en el interior del local cuando se de la temperatura exterior considerada.

Col. 7. Kw./h. consumidos. Es el resultado de multiplicar el valor de la columna 4 (Potencia absorbida) por la columna 5 (Horas de funcionamiento) y por el valor de la columna 6 (Factor de funcionamiento). El valor resultante es la potencia consumida por el acondicionador bomba de calor durante los periodos en que se da la temperatura exterior considerada.
La suma total de todos los valores parciales (obtenidos para cada temperatura exterior), de esta columna da la potencia consumida por el equipo durante todo el periodo de tiempo considerado.

Col. 8. Kcal./h. complementarias. Tal como se ha dicho anteriormente, la potencia calorífica que proporciona una bomba de calor disminuye con la disminución de la temperatura exterior. En consecuencia, pueden existir zonas en las que para temperaturas exteriores bajas, el calor proporcionado por el equipo no sea suficiente para mantener las condiciones de diseño del local considerado. En estos casos, el equipo bomba de calor va provisto de unas resistencias eléctricas complementarias que sólo se ponen en funcionamiento cuando la temperatura exterior es tal que el equipo considerado solo, no puede mantener las condiciones de diseño. Estas resistencias solo pueden conectarse cuando un termostato situado en el exterior lo permite y van mandadas por el termostato situado en el interior del espacio acondicionado.
En esta columna se anotan las Kcal./h. necesarias para complementar la potencia calorífica que proporciona el equipo para una temperatura exterior dada. Es el resultado de restar el valor de la columna 2 (Kcal./h. necesarias en el local) del de la columna 3 (Kcal./h. que proporciona la bomba).

Col. 9. Factor de Kw. Es el resultado de dividir el valor hallado en la columna 8 entre 860 Kcal./h.

Col. 10. Kw./h. de resistencia complementaria. Es el resultado de multiplicar el valor de la columna 5 (Horas de funcionamiento) por el de la columna.9 (Factor Kw.). Nos indica el valor de los Kw./h. utilizados por las resistencias complementarias para ayudar a la bomba de calor a mantener la temperatura de diseño para una temperatura exterior fija.
La suma de todos los valores parciales de esta columna nos da el valor total de los Kw./h. consumidos por las resistencias complementarias durante el periodo de funcionamiento considerado.

Supongamos ahora que se quiere saber el -C.O.P. estacional de un equipo instalado en un clima a donde se dan anualmente las siguientes temperaturas:

Este resultado nos indica que con este equipo se ha conseguido un rendimiento térmico 2,8 veces superior para acondicionar el local considerado que si se hubiesen utilizado resistencias eléctricas puras. En otras palabras, esta bomba de calor tiene un rendimiento del 280 % sobre una resistencia eléctrica.

 

900 h. año - 15° C. 
700 h. año - 10° C. 
400 h. año - 5° C. 
  50 h. año - 0° C.

Para las temperaturas consideradas, las necesidades térmicas del local son las siguientes (para mantener 21° C. en el interior):

Para.15°C.3.158Kcal./h.

Para.10°C.5.790Kcal./h.

Para.5°C.8.420Kcal./h.

Para.0°C.11.053Kcal./h.

 

 

La potencia calorífica proporcionada por el equipo bomba de calor seleccionado y su potencia absorbida son:

 

Para 15° C. exterior proporciona 10.200 Kcal./h. - 3,6 Kw.

Para 10° C. exterior proporciona   9.200 Kcal./h. - 3,4 Kw.

Para   5° C. exterior proporciona   7.800 Kcal./h. - 3,2 Kw.

Para   0° C. exterior proporciona   6.500 Kcal./h. - 3,0 Kw.

Con estos datos procederemos a confeccionar la tabla antes mencionada, quedando como se indica en la fig. 10.

De esta tabla puede deducirse que:

a) El calor anual precisado por el local (a las temperaturas consideradas), es la suma de los valores de la columna 2 multiplicados por sus correspondientes horas de funcionamiento (columna 5) y tiene un valor de:

 

(3.158 x 900) + (5.790 x 700) + (8.420 x 400) + (11.053 x 50) =10.815.000 Kcal./h.

 

b) El consumo total de la bomba de calor para este periodo que hemos considerado (un año) es la suma de los valores de las columnas 7 y 10.

3.933 + 552=4.485 KWA.

 

c) El C.O.P. estacional (anual en este ejemplo) por definición es el resultado de dividir la potencia calorífica proporcionada por la bomba de calor entre la potencia absorbida por ella para proporcionar este calor (expresado este divisor en unidades de calor).

 

10.815.000 Kcal./h

C.O.P. estacional =                                                       =2,8

4.485 Kcal./h. x 860 Kcal./Kw.

Este resultado nos indica que con este equipo se ha conseguido un rendimiento térmico 2,8 veces superior para acondicionar el local considerado que si se hubiesen utilizado resistencias eléctricas puras. En otras palabras, esta bomba de calor tiene un rendimiento del 280 % sobre una resistencia eléctrica.

 

FUNCIONAMIENTO DE VERANO
comreg_1.gif
FUNCIONAMIENTO DE INVIERNO
comreg_2.gif

comreg_.gif

 

El término "coeficiente de funcionamiento" (COP) se utiliza para indicar el rendimiento de un ciclo de refrigeración.

El COP de una bomba de calor se calcula mediante la fórmula siguiente:

concef_1.gif concef_2.gif

Lllevando estos valores a la fórmula anterior, resulta:

concef_3.gif

El calor cedido por el medio ambiente a través del evpaporador (Qe) y el trabajo suministrado por el compresor

concef_4.gifPor esta razón, también es variable con la temperatura exterior el rendimiento de la bomba de calor (COP). Dentro de la zona de trabajo del aparato, el COP mínimo será el correspondiente a la temperatura exterior.

La figura adjunta representa un simple diagrama de bloques que ilustra de forma sencilla y con cifras todo lo anteriormente descrito:

Al obtener el rendimiento convenimos en evaluarlo dividiendo el efecto útil, Qcd (desprendido por el condensador) por la energía que realmente cuesta dinero, que es Wc. Sin embargo el equipo de Bomba de calor está recibiendo dos tipos de energía: una, la tomada a través del evaporador Qe que a su vez la recibe del aire exterior y es gratuita; la otra es la aportada por el compresor ....

1. Energía gratuita tomada del aire exterior por el evaporador:

Qe = 1,5 kwh

2. Energía no gratuita tomada por el compresor de la red eléctrica:

Wc = 1,00 kwh

3. Energía total cedida por el condensador al local:

Qcd = 2,5 kwh

Por lo que el rendimiento resulta ser:

R = COP = Qcd / Wc = 2,5 / 1 = 2,5
 

Una bomba de calor que utiliza el aire exterior como fuente fría suministra tanta menos energía cuanto más baja es la temperatura y más elevadas son las necesidades de calefacción. En la figura se ha representado la variación en función de la temperatura y de la potencia disponible en el condensador. Generalmente no es deseable buscar satisfacer la máxima necesidad de calefacción mediante la bomba de calor únicamente; esta forma de actuar conduciría a sobredimensionar el equipo para utilizar totalmente la potencia disponible solamente algunos días por año.

Para evitar esta dificultad y limitar el coste de la instalación, dime_1.gif se eligen equipos que sólo pueden compensar una parte de las pérdidas térmicas del alojamiento cuando la temperatura exterior baja, de forma que conviene que intervenga una energía de apoyo desde el momento en que la temperatura exterior se hace inferior a un cierto límite. La intervención de un apoyo eléctrico hace "caer" el coeficiente de funcionamiento anual porque una parte de la energía eléctrica consumida no es "multiplicada" por el coeficiente de funcionamiento instantáneo antes de ser utilizada para calentar el aire interior reciclado.

Así pues, todo el problema del dimensionado radica en encontrar un justo equilibrio entre la parte de las necesidades anuales de calefacción satisfecha por la bomba de calor y el consumo de las resistencias eléctricas.

Con 4 conexiones conectadas, respectivamente, a la aspiración y descarga del compresor, al evaporador y al condensador, sobre las cuales se modifica la circulación del gas según acción de la bobina.

Con la bobina en reposo el compresor aspira gases de del evaporador y comprime hacia el condensador. Con la bobina excitada el circuito queda alterado y el compresor aspira del condensador y comprime sobre el evaporador. La desconexión de la bobina retorna el sistema al circuito normal inicial.

valinv_1.gifCaracterísticas:

Presiones diferenciales de maniobra:

- Mínima 1 bar (15 lbs)
- Máxima 25 bar (375 lbs)
- Presión máxima de trabajo: 35 bar (525 lbs)
- Tª máxima cuerpo válvula: + 110 °C

Deben tomarse las precauciones habituales al soldar las conexiones y controlar tª compresión en condiciones muy adversas.









valinv_2.gif

(1) Capacidades con pérdida carga 2lbs, temperatura evaporación + 7 °C y temperatura condensación + 54 °C.

La variación de la temperatura del aire provoca dos tipos de inconvenientes para las bombas de calor que emplean el aire exterior como fuente fría:

- Cuanto más baja es la temperatura, menos calor suministra la Bomba de Calor, mientras que las necesidades de calefacción aumentan.
- Por debajo de un cierto valor de la temperatura exterior, la temperatura de la superficie externa del evaporador en contacto con el aire baja por debajo de 0 °C formándose una capa de escarcha sobre dicha superficie.

Variación de la cantidad de Calor disponible en el Condensador.

Cuando la temperatura del aire exterior disminuye, la temperatura de evaporación del fluido termodinámico se hace más baja, la diferiencia de temperatura entre el condensador y el evaporador aumenta lo que provoca una disminución del coeficiente de funcionamiento, COP y la potencia calorífica.

Formación de escarcha en el Evaporador.

El Enfriamiento del aire exterior al pasar por el evaporador, puede ocasionar la condensación de una parte del vapor de agua que contiene. La cantidad de agua condensada depende de las condiciones de temperatura y de humedad del aire a su entrada en el intercambiador y, de la importancia del enfriamiento sufrido. A partir de cierta temperatura del aire (de orden de + 3 °C) la temperatura de evaporación del fluido termodinámico se hace suficientemente baja para que la superficie del evaporador, en contacto con el aire, esté a una temperatura inferior a 0 °C y, el agua eventualmente condensada, se transforme en hielo. La capa de escarcha así formada no hace más que crecer con el tiempo y entorpecer la transferencia térmica, provoca un aumento en la diferencia de temperatura entre el fluido termodinámico que se evapora y el aire, y, en definitiva, tiene el mismo efecto negativo sobre el coeficiente de funcionamiento que un descenso de la temperatura exterior. Se ha recurrido a la inversión del ciclo para eliminar la escarcha formada sobre el evaporador (desescarche automático). Mediante una maniobra en la válvula de 4 vías, el intercambiador exterior que tenía la función de evaporar en el ciclo de calefacción, se convierte en condensador y el calor liberado permite hacer fundir la escarcha depositada. Durante la secuencia de desescarche, el calor es extraido del interior del recinto, y, para evitar que el aire reciclado sea insuflado a una temperatura demasiado baja, las revoluciones del ventilador de la unidad interior se reducen el mínimo.

Existen dos métodos para gobernar las secuencias de desescarche:

- Constatar la presencia efectiva de escarcha y esperar que se forme una capa de espesor suficiente antes de proceder al desescarche.
- De forma contraria, proceder a secuencias sistemáticas de desescarche desde el momento en que las condiciones exteriores amenacen la formación de hielo a partir de agua condensada.
 

El primer método consiste en medir la pérdida de carga del aire exterior tras su paso por el evaporador. Esta pérdida de carga aumenta al ir creciendo la capa de escarcha y, a partir del momento en que cierto valor es sobrepasado, basta con accionar el mecanismo que permite la inversión del ciclo. El final del ciclo de desescarche puede controlarse de 2 formas:

a) A partir de una medida de la presión del fluido termodinámico en el intercambiador exterior (convertido en condensador durante el período de desescarche).
b) A través de una medida de la temperatura de dicho intercambiador. Efectivamente, la presión y la temperatura del fluido termodinámico aumentan rápidamente al final del desescarche y, por consiguiente, una de estas dos magnitudes puede ser utilizada para ordenar el retorno al ciclo de calefacción.

Por lo dicho anteriormente, es evidente la necesidad de realizar un desagüe para el agua resultante del desescarche en la unidad exterior.

 

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