Tema III Sistemas de produ produc c c ion Frio y C alor lor
Profesores: Fra n c i sc o A r a g o Fe d e r ic ic o C a n t e ra ra
uni
INDICE INDIC E TEMA III Tema III.- SIST ISTEMAS DE PRODUC DUC C ION ION FRIO Y CA C ALOR
3-
TECNO ECNOL LOGIAS IAS DE PRODUC C ION ION DE FRIO 3-1.
Frío por por Comp Comprresión.
3-1.1. C ic lo Térm Térmiic o o de C a rnot. 3-1.2. Fluido Fluidoss Refrig Refrig e ra ntes nte s 3-1.3. Frío por por Absorción. bsorción. 3-2.
Maquina Maquinas s Produc oducttoras de Frío.
3-2.1. Tipos Tipos C ompresor ompresores es.. 3-2.1.1.
Según eg ún c ompr omp res esión ión
3-2.1.1.1. Desplazamiento positivo. 3-2.1.1.1.1. Pistones. 3-2.1.1.1.2. Tor Torni nilllo. 3-2.1.1.1.3. C a ra c ol o sc sc roll. oll. 3-2.1.1.2. Centrífugos. 3-2.1.2.
Según eg ún c onstr onstruc uccc ión.
3-2.1.2.1. Abiertos. 3-2.1.2.2. Herméticos. 3-2.1.2.3. Semihermeticos. 4-
TEC NOLOGIAS NOLOG IAS DE DE PRODUC C ION ION CALOR C ALOR..
4-1.
Calderas. 4-1.1. Tipos Tipos de C a lder de ras. as.
4-2.
Bomba s de C a lor. 4-2.1. Tipos Tipos de Bomba Bomba s de C a lor.
3-
TECNO ECNOL LOGIAS PRODUC DUC C ION ION DE FRIO
Las maquinas y equipos de producción de frío se basan en el funcionamiento de unos circuitos cerrados donde la circulación de un liquido, llamado refrigerante, se consigue que intercambie calor con dos focos a distintas temperaturas, obteniendo por una pa rte el enfri enfria miento miento des de seado ea do y por po r otra otra c edi ed iendo c a lor a un foco. foc o. Estos ciclos se basan en las diferentes características físicas químicas de los refrigerantes que los recorren, y los métodos o sistemas normalmente empleados son: • Compres C ompresiión, basa basa dos do s en los los fenómenos de evap e vapor ora a c ión y c ondens ond ensa a c ión requi eq uier eren en del de l aport ap orte e de d e ener e nergía gía mec ánica en forma forma de d e un compres c ompresor. or. • Absorción, basado en los fenómenos de absorción, o avidez de un fluido por po r otro, otro, y de evap e vapor ora a c ión, req requi uier eren en del de l a por po rte de energía energía en forma forma de d e c alor. alor. 3-1.
Frío por por Comp Comprresión.
En el sistema de compresión la presión es incrementada desde el evaporador al condensador mediante el empleo de un compresor, que produce la succión del evaporador y la compresión al condensador y por ello, a estos sistemas se los denomina de refrigerac efrigerac ión mec á nic nic a que son los má má s util utiliza iza dos do s. En la figura inferior se muestra un sistema básico de refrigeración por compresión:
que está está c ompues omp uesto to de d e los siguientes iguientes elementos: elementos:
• Compresor • C ondensad ondensador or • Dispositivo de expansión • Evap Evapor ora a dor do r Estos elementos, están incorporados en un circuito cerrado vinculados por medio de tuberías de interconexión, que permiten hacer circular el fluido refrigerante durante el ciclo, de forma continua, empleando ventiladores en el evaporador y condensador, para favorecer favorec er la la trans transfer ferenc encia ia del d el ca c a lor med mediia nte nte la c irc irc ulac ulac ión for fo rza da del de l aire. aire. El funcionamiento se basa en un fluido refrigerante, al cual mediante una serie de dispositivos se le hace absorber calor en un lugar de baja temperatura como es el aire del local, transportarlo y cederlo a otro lugar de mayor temperatura, como puede ser el aire exterior y como el calor debe fluir de una fuente de baja a una de alta temperatura en contra de la tendencia natural, para lograr ese objetivo es necesario aportar energía o tra tra ba jo mec á nic nic o medi med ia nte nte un compres c ompresor. or. El ciclo de refrigeración se basa en aprovechar las propiedades de cambios de estados físicas de las substancias, como la vaporización o la condensación. 3-1.1. C ic lo Térm Térmiic o o de C a rnot. Los equi eq uipo poss de c lima ima tiz tiza c ión que util utiliza iza n refr refrigerantes igerantes pa ra la pr p roduc od uccc ión frigorí frigorífi ficc a , obedec obed ecen en al a l denomi denominado:
C IC LO DE C ARNO ARNO T
Donde al recorrer el rfrigerante el ciclo se producen los siguientes procesos o etapa s: 1. COMPRESION: El compresor toma el refrigerante de la tubería de aspiración, lo comprime y lo envía a presión por la tubería de descarga. El refrigerante al ser comprimido, aumenta su temperatura por lo que entra caliente y con presión al condensador. 2. CONDENSACION: el condensador es atravesado por un fluido (agua o aire) al que el refrigerante le cede calor, y éste al enfriarse se licua, pero manti ma ntiene ene su pr p resió esió n. 3. EXPANSION: XPANSION: El refrigerante efrigerante en forma forma líquida líquida se enc uentra uentra c on el sistema de expansión, un estrechamiento, que desemboca en una zona amplia de poca presión. El refrigerante sufre una caída brusca de presión. 4. EVAPORACION: Al llegar al evaporador, el refrigerante a una presión muy baja, se evapora. Para conseguir la evaporación del refrigerante, éste consume gran cantidad de calor que lo recoge del medio exterior (agua o aire). Esta transformación se realiza a presión constante, llegando a la aspir aspira c ión del compr co mpres esor, or, c omenzand omenzando o de d e nuevo el e l c ic lo. 3-1.2. Fluidos Refrigerantes Las características de los refrigerantes son importantes en lo que respecta al proyec to del sistema, aplicación y funcionamiento del ciclo frigorífico. En refrigeración mecánica, los compuestos clorofluorcarbonados ClFC adquirieron aplicación masiva para la industria de la refrigeración, como fue el caso de los refrigerantes 11, 12, y 22, conocidos con el nombre comercial de freon. Estos refrigerantes tienen las características que se deben requerir para su utilizac ión ya que son incoloros, insípidos, transparentes y prácticamente inodoros incluso en altas concentraciones no siendo tóxicos, irritantes ni explosivos. Son incombustibles, estables e inertes de gran resistencia eléctrica y ligeramente solubles en agua y no sufren disociaciones, pudiéndose detectarse fácilmente las pérdidas con una lámpara de haluros siendo además, miscibles con el aceite arrastrado del cárter del compresor, para favorecer su retorno al mismo. Sin embargo, en el año 1985 equipos de investigadores detectaron la disminución del nivel de la capa de ozono en la Antártida e informes posteriores demostraron que la concentración de ozono en la estratosfera (15 a 20 Km. de altitud) estaba decreciendo en el mundo. La creación y eliminación del ozono en la estratosfera ocurre naturalmente a través de reacciones químicas, dado que la radiación ultravioleta del sol destruye una molécula de oxigeno O2 dejando liberados dos átomos de oxigeno y cada uno de ellos se une a otra molécula de O2 para formar dos moléculas de ozono O3, que es impermeable a la UV. De esa manera, el ritmo de formación de ozono depende de la radiación solar, proteg iendo a la tierra de la radiación ultravioleta, permitiendo el desarrollo de la vida humana. Sin embargo, se ha demostrado que los clorofluorcarbonos (ClFC) normalmente utilizados como refrigerantes en aire acondicionado, contribuyen a la disminución de la c apa de ozono. ozono.
En efecto, estos refrigerantes tienen gran estabilidad y son transportados a la estratosfera donde la radiación ultravioleta destruye los enlace de los ClFC dejando ra dicales dic ales libres de c loro C, C , que ac a c túa túa c omo c a taliz taliza dor do r en la des de strucc trucc ión del d el ozono. ozono. El primer hecho para evitar estos problemas se planteó en el Protocolo de Montre al, firmado en 1987 por mas de 100 países, que obliga a los países signatarios a establecer progresivas restricciones al uso de estos compuestos llevando a la prohibición total al cabo de cierto plazo. A sí, en la reunión de Copenhague de noviembre de l992 se determinó la prohib ición de los ClFC R11 y R12 a partir del 1/1/96. En cuanto al R22 se exige una reducción al consumo al 65% hasta el año 2004, al 35% hasta el 2010 y 0,05% al 2020 y se prohíben el año 2030 y este refrigerante todavía está en uso, dado que es el que menos cantidad de cloro posee en su composición. Por ta ta l motiv motivo, o, han ha n apa a pa rec ido en el e l merca merca do numerosos numerosos refrigerantes efrigerantes a lterna ternati tivos vos a fin de cumplir las funciones indicadas precedentemente, entre los que se puede mencionar: • R134-a 134-a (C2H (C 2H2F 2F4) 4) tetra tetra fluoreta fluoretano no,, reempla ee mplazza a l refrige efrigerra nte R12 R12 • R123 que reemplaza al refrigerante R11 en algunas máquinas centrífugas, pero en altas c oncentraciones es cancerígeno y tiene una pequeña proporción de cloro por lo que también afecta la capa de ozono, aunque se estableció su eliminación en el 2030. De todas maneras, algunas máquinas centrífugas que normalmente funcionaban con freon11 se han rediseñado para utilizarse con el R134-a. • R40 R407-C que reemplaza ee mplaza a l fr freon eo n 22 22. De pr p ropieda op ieda des de s termod termodin iná á mic mic a s equi eq uiva vallentes, estand o compuesto por una mezcla zeotrópica de 3 refrigerantes que son el R-32 (23%), R125 (25%) y el R-134-a (52%). También se puede emplear el Amoníaco (NH3) que no afecta la capa de ozono pero resulta tóxico y corrosivo, por lo que solo puede aplicarse en instalaciones de enfriamiento indirecto, mediante unidades enfriadoras de agua. O tro de los temas que se están tratando se refiere al calentamiento global debido al efec to invernadero que producen los gases en la atmósfera superior como el anhídrido carbónico producto de las actividades humanas. Los gases refrigerantes también juegan un pape pa pell en este este tema tema y titienen un gra gra do de efec to sob sobrre el e l c a lentamiento entamiento globa l. En diciembre diciembre de d e 199 1997 se es e stableci tablec ió el e l protoc protoc olo de Kyoto yoto en e n J a pón pó n en la la que participaron mas de 160 países signatarios, en la que se demanda de los mas industrializados la reducción de las fases de efecto invernadero, por lo que, se está estudiando ahora la influencia que tienen estos refrigerantes sustitutos en el calentamiento global a través de un índice de potencial con respecto al anhídrido c a rbóni bó nicc o c onsi onsider de ra do c omo la unida unida d y el tiempo tiempo de vida en la la a tmós tmósfer fera a. 3-1.3. Frío por por Absor Absorc c ión.
En el sistema de absorción, la succión del evaporador se origina por un fluido absorbente y el aumento de presión se produce por el calor que suministra una fuente de calor.
La máquina de absorción consta de evaporador y condensador, tal cual los sistemas de refrigeración mecánica, pero difiere de ésta, en la manera de transformar el vapor vap or refr refriiger ge ra nte nte a baj ba ja presión presión y tempe temperra tur tura , apto ap to pa p a ra pa sa r a l condens co ndensa a dor do r. En la máquina de compresión, para tal efecto, se utiliza un compresor, mientras que en la absorción se emplean un conjunto de elementos constituidos por un depósito de absorción, bomba de agua, una fuente de calor y un depósito separador, de modo que el vapor refrigerante que se produce en el evaporador no es aspirado por un compresor, sino que es absorbido por un medio absorbente, de allí el nombre de este sistema. En efecto, hay ciertas sustancias que tienen avidez entre sí, o sea, que tienen la propiedad de absorber a otra. Por ejemplo, el agua tiene avidez por el vapor de amoní amo nía a c o, que q ue se se usa usa c omo sustanc ustanciia refriger efrigerante ante y de d e es e sta maner ma nera a , una una vez prod producida ucida la vaporización del amoníaco en el evaporador, es absorbido por el agua que se encuentr enc uentra a en el depó de póssito de a bsorción bsorción o a bsor bsorbe bedo dorr. El amoníaco, si bien es un buen refrigerante desde el punto de vista termodinámi termodinámicc o, no lo es en c uanto a su uti utiliza iza c ión en e n ai a ire a c ondici ondic ionado ona do ya que q ue tiene tiene el inc inc onveni onve niente ente de d e ser tóxico tóxico y cor co rrosivo, osivo, po r lo que estos estos equi eq uipo poss de a bsorc bsorc ión se se emplea e mplean n en forma de enfriadores de agua en pequeñas potencias. En instalaciones de cierta envergadura se utilizan el bromuro de litio como absorbente y el agua como refrigerante, por lo que al emplearse el agua como refrigerante, el sistema funciona con muy baja presión. Los principios teóricos del ciclo, aplicado a un sistema de absorción de bromuro de liti itio y agua ag ua,, se se ba b a sa n en d os aspe aspecc tos princ principa ipales les:: • Absorción: una solución salina de bromuro de litio tiene la propiedad de absorber vapor de agua. ag ua. • Evaporación: el agua usada como refrigerante se evapora a las temperaturas adec ad ec uada s par pa ra a ire ac a c ondicionado, ondicionado , pero pero a baj ba ja pr p resi esión. Supónga upóng a se un rec rec ipiente ipiente lleno lleno c on una solución de d e bromur bromuro de litio tio c oncentr onc entra a do y otro recipiente que contiene agua y una tubería conecta a ambos recipientes habi hab iéndos éndo se efec e fectu tua a do en ambos a mbos rec ipientes pientes un alto alto vac va c ío. El agua hierve a 100ºC a presión atmosférica normal de 760 mmHg, pero a una presión de 6,5 mmHg disminuye su temperatura de ebullición a 5°C y el bromuro de litio comienza a absorber el vapor generado, con el calor del agua que circula por los tubos de un serpentín que alimenta una unidad de tratamiento de aire. Como el agua se puede evaporar con mas facilidad si está pulverizada se utiliza una bomba para circular des de sde la pa p a rte inferi inferior or del de l evapo eva porra dor do r has ha sta el e l pulver pulveriz iza a dor do r situad ituado o en la pa rte supe superrior. ior. Deba jo de dicho dic ho pul p ulver veriz iza a dor do res se se encuent enc uentrra el ser serpe pent ntíín del de l agua enfriada enfriada , como c omo se obser o bserva va en e n el esque esquema ma de la figura figura :
La solución oluc ión de bromuro bromuro de litio, itio, si si está está pul p ulveri verizza da también tamb ién absor a bsorbe be más fác ilmente ilmente el vapor de agua, por lo que se utiliza una bomba para hacerla circular desde la parte inferior de la cámara de absorción o absorbedor hasta el pulverizador también ubicado en la parte superior. Como la solución se va diluyendo al absorber el vapor de agua del enfriador, es necesario contar con algún medio para mantener la concentración de la solución para que ésta pueda seguir constantemente absorbiendo el vapor de agua del evaporador. Por ello, ello, la la solución dilui diluida da es bombea bo mbea da a l genera genera dor do r donde do nde se se le apo a porrta ca c a lor med mediia nte nte un serpentí erpentín n con c on vapor vapo r de agua ag ua de d e una c a ldera pa ra hacer hac er que el agua ag ua c onteni ontenida da en la la diluc diluc ión hierva, hierva, sepa ep a rá ndos ndo se en forma forma de vapor. vap or. Ac tualmente exis existen en el merc merc a do enfriado enfriadorras de a gua de fueg fuego o direc direc to util utiliza ndo c ombusti ombustible ble c omo el gas ga s natura natura l, que es de a plic plic a c ión mas ma s senci enc illa. De esa forma, la solución vuelve a concentrarse y es retornada a la cámara de absorción y para aumentar el rendimiento se intercala un intercambiador de calor para que el bromuro de litio que retorna concentrado caliente se refrigere calentando a su vez la solución diluida que va al separador, como se observa en la figura inferior de modo que, la solución solución otra otra vez c oncentr onc entra a da sin el vapor vapo r de a gua vuelve vuelve al a l absorbedo absorbedo r a fin fin de c ontinuar ontinuar c on el cicl cic lo de d e abs a bsorción. orción.
El vapor de agua separado en el generador pasa al condensador y al entrar en contacto con el serpentín donde circula agua enfriada por medio de una torre de enfriamiento, se condensa, volviendo al evaporador. El agua de la torre de enfriamiento se la hace pasar previamente por un serpentín par pa ra rec oger og er ta ta mbién el ca lor genera genera do en la dil d ilución, ución, como c omo se obs ob serva erva en e n la la figur figura a
El agua al entrar en el evaporador encuentra una zona de depresión, generada por po r la a c c ión abs a bsorbente orbente de la solu solucc ión conc co ncentr entra a da que se se hal ha lla en e n el abs ab sorbe orbedo dorr y que está está ávi á vida da de a gua par pa ra a lc a nza nza r un equili equilibrio brio estable estable de d e la solución dilui diluida da . Debido a la baj ba ja pres presiión el agua evapor evap ora a a baj ba ja temperat temperatur ura a abs ab sorbiendo orbiendo c alor a través de los tubos del intercambiador que compone el evaporador y que se utiliza en otro circuito cerrado para enfriar agua que se destina a las unidades de tratamiento del aire aire de d e los loc ales a a c ondici ondic ionar ona r. Como se puede observar la energía que se utiliza se consume en bombas circuladoras y no en la compresión, siendo el refrigerante utilizado agua y la sal de bromuro de litio ha actuado como un compresor común en un ciclo de refrigeración mecánica. En efecto, en el ciclo de refrigeración mecánica el compresor succiona el gas refrigerante y luego lo tiene que comprimir para elevarlo la sobre la fuente de enfriamiento del condensador que puede ser el aire exterior o el agua de una torre de enfriami enfriamiento, ento, pa p a ra pode po derr conde co ndens nsa a rlo.
En es e ste sis sistema, tema, es e sa función lo rea liza iza la soluc solución ión de d e bromuro bromuro de liti litio o que a bsorbe bsorbe el vapor vap or de a gua que es el refri efriger ge ra nte nte y lueg luego o el e leva la tempera tempera tur tura en el e l sep sepa a ra dor do r no por p or compresión sino por calentamiento para separarlo de la concentración y poder nuevamente c ondens onde nsa a rlo en el e l med mediio de enfriami enfriamiento. ento. En la figura inferior se muestra el esquema de una enfriadora de absorción completa con los accesorios que son necesarios.
Apl Ap lic a c iones de la máquina máquina de d e a bsor bsorcc ión La máquina de absorción es completamente estática y no produce vibraciones ni ruidos y además utiliza como absorbente el bromuro de litio que es un gas no contaminante atmosférico, siendo el campo de aplicación de estas máquinas para unidades enfriadoras de agua de mas de 100 ton, que necesiten estar operativas en forma constante.
Son de funcionamiento muy flexible especialmente a cargas parciales y fundamentalmente donde se dispone de una fuente de calor barata o gratis como lo puede ser el calentamiento solar o para cogeneración utilizando los gases de escape o calores residuales de otros ciclos. Otra aplicación importante es para reducir el consumo eléctrico cuando no hay una disponibilidad adecuada o las tarifas son excesivas ya que consumen aproximadamente el 20% de energía eléctrica que lo que necesita una enfriadora c entrí entrífuga d e igual tamaño. tamaño . Como inconvenientes se puede mencionar la cristalización que ocurre cuando la concentración bromuro de litio se sobresatura, manifestándose generalmente en el inter ntercc a mbia mbia dor do r de c a lor de retorno etorno de d e la solu solucc ión conc c oncentr entra a da a l a bsorbedo bsorbedo r. El Ello puede p uede producirse por la interrupción del ciclo de dilución por corte de la energía eléctrica o reducción repentina de la temperatura del agua de condensación. Ademá Ad emáss, toda la máqui máq uina na de a bsor bsorcc ión funciona a presi presión infer inferiior a la atmosfér atmosférica ica de modo que cualquier entrada de gases incondensables como aire o hidrógeno este últi último mo pr p roducto od ucto de una leve c orr orrosi osión, hac en nec esa esa rio la la elimi eliminac nac ión por p or med mediio de una unida unida d de purga purga , ya ya que a l ac umul umula rse en el e l abs ab sorbedor orbed or red reduce uce la tra tra nsmi nsmissión de d e c a lor y la a bsorc bsorc ión del de l refr refrigerante. igerante. 3-2.
Maquin Maquina as Producc oduc c ión de Frío.
El compresor constituye uno de los puntos de división entre el lado de baja presión y el la la do de a lta pr p resi esión del d el cir c ircc uito uito de d e refri refriger ge ra c ión, da do que rec ibe vapo va porr refri efriger ge ra nte nte a baja presión y baja temperatura proveniente del evaporador y la descarga a alta presión y temperatura en el condensador. Su misión misión es e s elevar eleva r la la presión presión del d el vapo va porr refr refrigerante igerante d esde esde una presión presión de d e a spira pira c ión a una presi presión de d e des d escc a rga más a lta. 3-2.1. Según eg ún comp c omprresión esión 3-2.1.1.
Desplazamiento positivo.
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: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser a lternativos lternativos o rotati rota tivos, vos, y c o mpresores mpresores centrí c entrífugo fugoss. 3-2.1.1.1. A lterna lternati tivos vos o de d e Pistone Pistoness . Son similares en muchos aspectos a un motor de automóvil en la que el pistón al moverse alternativamente, produce la succión en la carrera descendente y la compresión en la ascendente. Cuando el pistón pistón se se mueve hac ia a baj ba jo, la presión presión de succ ión obli o bliga ga a l va va por po r refr refriiger ge ra nte nte a penetrar dentro del cilindro a través de una válvula de succión, pero tan pronto el pistón se mueve hacia arriba, la presión dentro del cilindro crece y obliga a cerrarse a la válvula de succ uc c ión, dismi disminuy nuyend endo o su volumen, ta ta l como co mo pued p uede e ver ve rse en e n el detall de talle e de d e la figura figura 5.2 5.2.
Cuando la presión del gas llega a ser mayor que la presión en el condensador, se abre una válvula de descarga y prácticamente todo el vapor es forzado fuera del pistón a medida que este se aproxima el final de la carrera. Cuando menor es el volumen final que quede ocupado por vapor dentro del cilindro cuando el pistón está en su punto final del recorrido, mayor es el aprovechamiento que se obtiene, denominado rendimiento volumétrico. En cuanto el pistón comienza su carrera descendente, la presión baja y cierra la válvula de descarga, hasta llegar al punto en que ha descendido tanto que es menor que la del d el la la do del de l evapo eva porra dor do r o pr p resi esión de succ uc c ión y provoc provoc a la a per pe rtur tura de la válvul válvula de succ uc c ión, rep repiitiéndo tiéndosse el e l proc proc eso eso en forma permanente. Las presiones de baja y alta, o sea en la succión y en la descarga del compresor respe especc tivamente, tivamente, están están relac relac ionados ionad os entr entre sí, y dep enden ende n ade a demás más de la s c ondiciones ondic iones de func funciionami ona miento ento del d el equi eq uipo po.. 3-2.1.1.2. Torn Torniillo. Este tipo de máquina origina la compresión del gas refrigerante mediante la utilización de dos engranajes helicoidales de desplazamiento positivo y por tal motivo suele deno d enomi miná nárrselos generalm ge neralmente ente c omo c ompr omp resores esores a torni tornilllo. Mediante la aplicación de dicho dispositivo se produce el desplazamiento del fluido refrigerante mediante la acción de ambos rotores, sin la intervención de válvulas, pistones u otros elementos que requiere el compresor alternativo produciéndose de esa maner mane ra , un fluj flujo o c ontinuo ontinuo del de l refr refrigerante, igerante, tal ta l como c omo se muestr muestra a en la figura figura 5.6 5.6.
3-2.1.1.3. C arac ol o sc sc roll. oll. Compresor a espiral se los suele denominar scroll y su principio de funcionamiento se basa en dos piezas en forma de espiral que forman al interactuar entre si bolsillos de gas, en la que un espiral permanece fijo mientras el otro orbita con un movimiento continuo que impulsa el gas refrigerante a espacios que van haciéndose mas pequeños, aumentando su presión hasta alcanzar la descarga en el centro y de esa manera, se logra una compresión continua y uniforme, tal cual se muestra en el esquema de la figura 5.7. El comp c omprresor bá sica mente es e stá formad formado o por po r c uatr ua tro o pa rtes móviles, móviles, c onsti onstitui tuida da s por po r un cigüeña c igüeñal, l, un un sc sc roll móvil, móvil, una c orred orredera era c uya función func ión es la la de tra tra sformar formar el movimiento movimiento rotatorio del cigüeñal en orbitante del espiral móvil y una válvula de descarga. Los dos scroll deben ser apretados entre si con suficiente presión y precisión para evitar la fuga de gas desde los bolsillos mas pequeños a mayor presión y mas cercanos al centro hacia los mas grandes cercanos a la periferia del dispositivo y para ello, se emplea un sell sello o flota flotante nte que q ue empuj emp uja a a l sc sc roll fijo fijo c ontra ontra el móvil. móvil. Es un compresor de buen rendimiento y de bajo nivel de ruido de características simil imila a res a los rota rotati tivos vos,, fabr fab ricá ndos ndo se a c tualmente tualmente de 1 a 30 tone tonelad lada a s de refrige efrigerra c ión. Además, tienen la ventaja con respeto a los alternativos que son de tamaño menor para la misma potencia y permiten una mejor regulación para funcionamiento a cargas
parciales pequeñas. Se los utiliza en enfriadores de agua de más de 30 toneladas de refrigeración. 3-2.1.2.
Centrífugos.
En estos compresores se impulsa el gas refrigerante, gracias a la fuerza centrífuga de un rotor que gira a alta velocidad, dotado de paletas de diseño especial el que toma el refr refriger igerante ante de d e ba b a ja presi presión c edi ed ido por po r el evap ora ora dor do r y lo lo a rroja hac ha c ia la per pe riferi feria c on una una veloc velociidad da d q ue da lugar a una el e levada evad a pres presiión de desc desc arga. Estos equipos se utilizan, en la generalidad de los casos, como máquinas enfriadoras de agua como se muestra en la figura 5.5, o sea, el evaporador no es más que un enfriador de agua, el cual está cerca del condensador formando junto con el compresor centrífugo una unidad integral y son adecuadas para sistemas de gran c a pa c ida d, por po r enc ima de d e 100 100 tonela tonela da s de refri efriger ge rac ión. Según eg ún cons c onstr truc uccc ión. En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser: Los semiherméticos son similares a los anteriores pero el motor y el compresor no se encuentran en una carcasa sellada y en los abiertos el motor y el compresor están sepa ep a ra dos do s c ompletamente, vinculad vinculados os en forma forma direc direc ta o mediante polea p oleass y corr c orrea eass. 3-2.1.2.1. Abiertos. •
Abiertos: El El motor y el comp c omprresor esor son son inde indepe pendientes ndientes.. Los ejes se se a c oplan op lan en en
el monta monta je a segur eg urá á ndos ndo sela es e stanqueidad tanqueida d en el e l pas pa so del de l eje. eje. 3-2.1.2.2. Herméticas. •
Hermétic erméticos os: 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. Los compresores son hermético o blindados cuando el compresor y motor están incluidos en una carcasa herméticamente sellada, donde el motor eléctrico está refrigerado por los vapores de refrigerante que pasan sobre las bobinas inmediatamente después de entrar en la carcasa del motocompresor, llevándose consigo el calor proveniente de las pérdidas eléctricas del motor el cual es disipado después en el condensador. 3-2.1.2.3. Semihermeticos. •
Semihermétic emihermétic os: 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 rendimi end imiento ento es supe superrior al de d e los a bier bie rtos.
4- TE TEC NOLOG IAS PRO PRO DUC DUC C IO N CALOR C ALOR 4-1.
CALDERAS
Se llama caldera a un recipiente que sirve para calentar un fluido, en ellas la energía de un combustible se transforma en calor para el calentamiento de un fluido En los sistemas de calefacción, calefacción, la caldera es el artefacto en el que se calienta agua, ag ua, por medio medio de un combustible, combustible, que luego se distribuirá por los emisores mediante una red de d e tuberías. tuberías. Básicamente, una caldera consta de un hogar, hogar, donde se produce la combustión y un intercambiador de calor, calor, donde el agua se calienta. Además tiene que tener un sistema de evacuar los gases procedentes de la combustión.
El agua puede calentarse a diferentes temperaturas. En las calderas normales no se suelen sobrepasar los 90ºC, por debajo del punto de ebullición del agua a presión atmosférica. En calderas más grandes, para dar servicio a barriadas, se llega hasta los 140ºC , manteniend manteniendo o la presi presión a lta en e n la la s c onduc c iones par pa ra que no lleg llegue ue a evapo eva porra rse (agua sobrecalentada). Existen también calderas de vapor, en las que el agua se lleva a la evaporación y se distribuye el vapor a los elementos terminales, pero en Europa está bastante en desuso, porque la temperatura superficial de éstos resulta ser muy alta y entra entra ña pel pe ligro de d e quemadur quema dura a s. Existen también calderas en que el agua se calienta a temperaturas inferiores a 70ºC y que c onsiguen onsiguen elevad e levados os rend rendim imientos ientos (c aldera aldera de c ondensac ondensac ión). ón). Los combustibles empleados pueden ser sólidos (leña, leña , carbón), carbón), líquidos (fuelóleo, fuelóleo , gasóleo) gasóleo) o gaseosos ( gaseosos (ga gasses lilic uados uad os de petr pe tróleo óleo ó ó G LP, gas natural), natural), lo que determina la forma de las calderas. 4-1.1. Tipos Tipos de C a lder de ras
El princ principio ipio de d e funciona miento miento de todos tod os los los tipos tipos de c a lder de ra s es sim simiilar: lar: En las calderas de combustibles fluidos, el combustible se prepara y quema en un quemador, en el que se mezcla el combustible con la cantidad precisa de aire y se impulsa dentro del hogar mediante un ventilador, donde combuste. Cuando el c ombus omb usti tible ble es líqui líquido do (gasóleo) gasóleo) es e s nec esa esa rio pul p ulveri verizza rlo pa ra c onseg onsegui uirr la la mezcla. Además hay calderas específicas para gases combustibles que tienen quemador atmosférico. El gas se deja salir por unos inyectores de modo que, por efecto Venturi, Venturi, aspira aire y se mezcla con él en la proporción adecuada y se quema en unos quemadores adecuados, subdividido en pequeñas llamas, dentro de un intercambiador adecuado. Las más conocidas de estas calderas son las llamadas murales, aunque también tamb ién exis existen en e n tama ños gra gra ndes nde s. La regulación de la potencia, en los dos tipos, se hace mediante la regulación del tamaño de la llama (quemadores modulantes) o mediante paradas y arranques del quemador. En las de combustibles sólidos, el hogar consta de dos compartimentos superpuestos. En el superior, brasero, se coloca el combustible sobre una parrilla. El inferior, cenicero, recibe las cenizas del combustible. Por la puerta de éste entra el aire necesario para la combustión y los humos se extraen por un conducto (humero o chimenea) vertical, por tiro térmico. térmico . El propio tiro térmico es que crea en el hogar una falta de presión que a spira pira el e l a ire de d e la c ombusti ombustión. ón. La La regul eg ula a c ión de la potenc p otenciia se hac e abri a briendo endo o c err erra ndo la entra entra da del de l aire. aire. Las calderas pueden dividirse según múltiples tipos de clasificaciones en función de sus par pa rá metr me tro o s, as a sí: Según egún el tipo tipo de de comb c ombus usttible: •
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Sólido ólidoss: engor engo rrosas de operar op erar por po r la la a limentac limentac ión, la la s c eniza eniza s y suc sucieda ieda d que generan y el difícil control de la combustión, aunque inicialmente se util utiliz iza a ron c on c ombus omb usti tibles bles fósi fósiles les c omo c a rbón..etc. bó n..etc. ya en desu d esusso, hoy ho y en día han ha n rec rec uperado uperad o notoried notorieda a d por p or las las así así lla mada mad a s c a lder de ra s de biomasa biomasa Líquidos: el combustible deber ser pulverizado o vaporizado para que reac ea c c ione c on el aire. aire. G a seos eo sos: de c ombus omb usti tión ón más fác il per pe ro más peligrosa peligrosa que q ue los líqui líquido doss
segun los materiales materiales emplea empleado dos s en su su cons c onsttruc ucc c ión: •
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C a lderas d e fundición; fundic ión; por elementos, elementos, la la tra tra nsmi nsmissión de c a lor tiene tiene luga luga r en el el hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo; tienen poca pér pé rdida de c a rga en los humos humos y por po r ello ello suelen ser ser de tir tiro na tura tura l. Calderas de acero; combustibles líquidos o gaseosos, por lo que tienen una mayor mayo r super upe rfic fic ie de d e c ontac onta c to y su su rend rendim imient iento o es mejor. mejor. Calderas murales; de diseño compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares de ACS y calefacción actualmente se está incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.
Según eg ún el modo de c ombusti ombustión: ón: •
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Calderas atmosféricas normalmente para gas. Calderas de depresión, funcionan por la depresión que se crea en la chimenea o por un ventilador que aspira; se evita la salida de humos al local, c ombus omb usti tión ón de d e sólido sólidoss en gene g enerra l. Calderas de sobrepresión; los gases circulan empujados por un ventilador; por lo que los gases circulen más rápido que en las calderas de depresión, generalm ge neralmente ente pa ra c ombus omb usti tibles bles flui fluido doss.
Clasificación por Tª salida de los humos: • •
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Estánda tánd a r: no soportan sop ortan c o ndens nde nsa a c ión, Tª Tª ret ret > 70º 70ºC Baja Tª: soportan Tª agua retorno de 35 o 40ºC, con Tubos de doble o triple par pa red que impli implicc a n gra gra n tamaño C ondens ond ensa a c ión: la la sop soport ortan an de d e maner ma nera a per p ermanente manente
Ta Ta nto nto las c a lder de ra s mura mura les c omo las de pie se se puede p ueden n clasif clasifica icarr según eg ún la la na tur tura leza del circuito de combustión y su toma de aire en: •
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Caldera abierta de tiro natural: toma el aire necesario para la combustión del de l loc a l donde do nde es e stá ins instalada talada . Caldera abierta de tiro forzado: la combustión se realiza también con el aire del local donde está instalada y los gases se expulsan al exterior por medio de un ventilad ventilador. or. Caldera estanca de tiro forzado: con un ventilador se recoge el aire del exterior que se utiliza en la combustión y cuyos gases son posteriormente enviados al exterior. Las calderas estancas son las más seguras y eficientes, aunque su precio es mayor. Son las que normalmente se instalan en los edificios nuevos.
C la sifi ific a c ión por p or el flfluido uido c aloport alop orta a dor do r • •
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C alderas alderas de agua ag ua C alderas alderas de agua ag ua sob sobrrec alentad alentada, a, nec esi esitan bomba s de alimen alimentac taciión para p ara eleva ele varr la pr p resión esión,, la la s fuga s so n muy peli pe ligrosas grosas Calderas de vapor, las fugas son muy peligrosas, los condensados necesitan ser purga purgado doss, neces nec esiitan gra gra n contr c ontrol ol de la c a lidad del de l a gua Calderas de aceite térmico
C la sifi ific a c ión por po r su apl ap licac ica c ión • •
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Usos domés do mésti ticc os: c a lefac c ión, AC S o mix mixtas Generación de energía para plantas termoeléctricas: para la generación de vapor Pla Pla nta nta s de c ogenerac og eneración: ión: usa usa n gas ga ses cal ca lientes, entes, de rec uperación uperac ión G eneraci enerac ión de d e vapo va porr o a gua sobr ob rec a lentada entad a en pl p la nta nta s industr ndustriia les
Clasificación por su diseño •
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Calderas pirotubulares, o de tubos de humo; la llama se forma en el hogar, pasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes, para ser c onduci onduc idos do s a la c himenea; himenea; pres present entan an una elevad elevada a perdida perdida de c arga en e n los los humos. El hogar y los tubos están completamente rodeados de agua. Calderas acuotubulares, la llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el la do del de l agua , y menor menor iner inercc ia térmi térmicc a .
C alder alde ra s elec elec trica tricass
Ventajas: Limpias, sin humos Fácil instalación, sin chimeneas ni combustibles C a si nulo nulo mantenimi ma ntenimiento ento,, sin sin pa rtes móviles móviles Inconvenientes: Alto Alto pr p rec io de la ener e nergía gía eléc tri tric a Gran potencia instalada Esto nos lleva lleva a Ac umula umula c ión • • •
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Ti Tipos po s: •
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De acumulación: Una resistencia en un depósito de agua De ac a c umul umulac ac ión sec sec a: resist. _ ladr. refractarios _ aire _agua Instantáneas
Calderas eficientes de condensación
Las calderas de condensación están diseñadas para recuperar más calor del combustible quemado que una caldera convencional y, en particular, recuperar el calor del vapor de agua que se produce durante la combustión de los combustibles fósiles. Los humos humos de una c a ldera c onvenc onve ncional ional se se expuls expulsa n a la a tmósf tmósfera era a 150 -20 -200 ºC ºC . Si Si se enfrían hasta la temperatura de condensación, alrededor de 55 ºC, también suponen un aporte de calor. El hecho de que los humos salgan a una temperatura inferior a 55 ºC no si significa gnifica que este este tipo tipo de c a lder de ra s no pueda pue da n dar da r a gua c aliente aliente a más temperatur temperatura a. Este calor sirve para precalentar el agua antes de entrar en contacto con la cámara de combustión. Por esto las calderas tienen rendimientos de alrededor del 106 % frente frente a l 80-8 80-85 5 % d e las tr tra d iciona ic ionales les.. La definición oficial de este tipo de calderas, según la Directiva Europea 92/42/CEE es la siguiente: "C a ld e ra r a d ise ñ a d a p a ra c o n d e n sa sa r p e rm a n e n t e m e n t e u n a p a rt e im i m p o rt a n t e d e l v a p o r d e a g u a c o n t e n i d o e n lo lo s g a se s p ro c e d e n t e s d e la c o m b u st st ió ió n ". ".
Para lograrlo, son apropiados los quemadores presurizados a gas, ya que en los quemadores atmosféricos, debido al mayor exceso de aire, el punto de rocío se sitúa a temperaturas inferiores, con lo que el aprovechamiento de la condensación de los gases de combustión es peor. El calor latente de los gases de combustión, también denominado calor de condensación, se libera durante la condensación de vapor de la combustión y se tra tra nsmi nsmite te al agua a gua de la c a lder de ra . Con las calderas de condensación se puede conseguir un ahorro de entre un 15 y un 20 20 % de c onsum onsumo o de d e c ombusti ombustible ble con c on res respe pecc to a una c a lder de ra c onvenci onvenc ional ona l. 4-2.
BO M BA S DE C ALOR ALO R
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. Es posible, así mismo, aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema. 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. Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere aportar un trabajo. Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extr extraído aído de la fuente fuente de d e c a lor más el trab traba a jo exter externo no apo a porrtado. tado . El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor no es reciente. Sus orígenes provienen del de l estab establlec imient imiento o por po r C a rnot en 18 1824, 24, de los c onc eptos ep tos de ciclo c iclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas evolucionaba cíclicamente, era comprimido y posteriormente expansionado, obteniendo frío y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en a plic plic a c iones como co mo la c onser onservac vac ión de d e al a limentos mentos y el a ire a c ondicionad ondic ionado. o. Si Sin embar emba rgo la s pos po sibilida ibilidade dess d e utili utilizza r la otr o tra a fuente térmica térmica , el ca c a lor o el frío frío y ca c a lor sim simul ultáne tánea a mente no se a provecharon. provec haron. Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la construcción de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que hacía que ésta ésta no fuera fuera c ompeti ompe titi tiva va c on los sistemas tra tra dici dic ional ona les de c a lefac efa c c ión a ba se de d e c a rbón, bó n, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relación con sus costes. Por ejemplo, en 196 1965, en Estados tad os Uni Unido doss, sólo sólo la s Bomba omb a s de C a lor con co n un C O P supe superrior a 5 cons c onseg eguí uía an a c ercar erca rse a los cos co stes del de l combus co mbusti tible ble más ca ro, que q ue en e n esos esos años era era el gas ga s c iudad. uda d. En Europa no se inicia su comercialización hasta 1970. Así, en 1973 se vendieron en Francia 600 Bombas de Calor de tipo doméstico y 7.000 unidades en 1977. En España en 1980, del orden de 2.500 unidades. En 1968 se realizó la primera instalación con Bomba de C a lor a ga g a s en Eur Europa op a , en una p ista poli p olide depo porrtiva tiva holandes holande sa . 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 C alor. alor. A lo la rgo de estos estos a ños ad emás emá s de los cambios ca mbios c oyuntur oyuntura a les que han ha n propiciado propiciad o el aumento de las ventas, las Bombas de Calor han tenido una evolución positiva desde el punto punto de vis vista tec nológico. nológico . 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 par pa ra el e l c ontrol ontrol de des d eses escc a rc he. Estos defectos eran: •
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Fallos del compresor por golpes de líquido, falta de engrase o sobrecarga del motor motor de ac c ionamient onamiento o Forma orma c ión de hielo hielo en el evap orador orado r Potenc Potenc ia c alorí alorífic fic a baj ba ja. 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. Sin embargo a nadie se le escapa que el efecto sobre el medio ambiente de las Bombas de Calor depende mucho de cómo se genere la energía eléctrica. Si la la energía energía eléctr eléc trica ica proviene proviene de fuentes fuentes como co mo la hidroe hidroelléc tri tric a ó eól eó lic a , es c la ra la reducción de las emisiones, pero incluso cuando la electricidad que alimenta las bombas es generada mediante centrales térmicas de combustibles fósiles, se demuestra que la reduc ed uccc ión total de emisiones emisiones es impo imporrtante. 4-2.1. Clasificacion.
Las Bombas de Calor se pueden clasificar según diferentes criterios. A continuación se muestr muestra n algunos a lgunos de d e los más util utiliz iza a d o s. Según egún el Tipo de de Proc Proceso eso •
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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 electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.
En las Bombas de Calor de compresión, la elevación de presión y temperatura entre evapo eva porra dor do r y condens co ndensa a dor do r se logra mediante c ompresión ompresión mec mec á nic nic a del d el va va por po r. En En el c iclo de absorción este efecto se logra mediante un circuito de absorción. Por otra parte la compresión mecánica se puede realizar mediante un compresor accionado por un motor eléctrico en las bombas con motor eléctrico, o bien por un compresor accionado por un motor de c ombusti ombustión ón de d e gas ga s, en las Bomba s de C a lor de motor de gas ga s. 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) Medio Me dio del de l que ex e xtra tra e la energía energía
Medi Med io a l que que se se c ede la ener e nergía gía
AIRE
AIRE
AIRE
AGUA
Según eg ún medio de orige origen n y de
AG UA
AIRE AIRE
des de stino tino de la energía energía
AG UA
AG UA
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TI TIERRA
AIRE AIRE
TI TIERRA
AG UA
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 unifor uniformi mida da d de d e la temper tempe ra tur tura del de l a gua a lo largo largo del de l a ño. •
•
Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los emisores emisores son ra diado dia dorres a ba ja temperatur temp eratura a , fan-c oils oils o suelo radiante. rad iante. 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 la forma forma de c onstr onstrui uirr la máqui máq uina na,, ésta ésta pued p uede e ser: ser: •
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Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuent enc uentrra n alojado s dent de ntrro de d e una mis misma c a rc a sa . 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 •
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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 válvula de 4 vía vía s. No revers reversibles ibles:: Úni Únicc a mente mente funcionan funciona n en c ic lo de d e c a lefac efa c c ión. Ter Termofr mofriigobo go bomba mbass: Prod Produc ucen en si simul multáneament tánea mente e frí frío y c a lor. 4-2.2. Prin Princc ipios ipios de Funcionamiento unc ionamiento
La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de c ompr omp resión esión de d e un flui fluido do c ondens ond ensa a ble. Sus Sus princ principa ipales les c ompone omp onentes ntes son: - Comp C omprresor - Válvula de expansión - C ondensad ondensador or - Evap Evapor ora a dor do r Los componentes se conectan en un circuito cerrado 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 fuente a l flfluido uido refri efriger ge ra nte nte prop propiic ia ndo la evapo eva porra c ión de d e éste. 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 cambiador, el fluido cede el c alor de c ondensac ondensac ión al a l medio. 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. Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefacción y refrigeración. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una válvula de 4 vía vía s que per pe rmite mite la invers inversión ión de d e c irc irc ula ula c ión del d el fluído fluído frigorí frigorífi ficc o. De esta esta forma forma : • •
Se bombe b ombea a c a lor del exter exteriior ha ha c ia el int inter eriior en el ciclo de d e c a lefac efa c c ión. Se bombea calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.
El func funcionamiento ionamiento d e una Bomba omb a de C a lor rever eve rsible es e s el sigui siguiente: ente:
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El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico. (1) En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calefactar, el fluido c ede ed e al a l aire aire del d el rec rec into nto el e l c alor de su conde c ondens nsa a c ión. (2) (2) El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y temperatura, evaporándose en parte. (3) En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporación absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a tra tra vés de una vá lvul lvula a de c uatro uatro vías. (5) (5)
C ic lo de refriger efrigerac ac ión: •
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El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico (1) siguiendo su ca c a mino mino a tra tra vés de la vál vá lvula vula de 4 vías vías (5). (5). En el inter intercc a mbiador, mbiad or, sit situa uado do en el e l exter exterior ior,, el flui fluido do se c ondens ond ensa a c ediendo ed iendo su calor al medio exterior.(4) El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión yevaporándose en parte. (3)
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En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio interior.
4-2.3. Bomba s de C a lor por abs ab sorc orc ión. La s Bomba s de C a lor de a bsorción bsorción son son a c c ionada ona da s térmi térmicc a mente, mente, es e sto qui q uiere ere dec de c ir que la energía aportada al ciclo es térmica en vez de mecánica como en el caso del c ic lo de d e c ompresi ompresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos más utilizadas actualmente son: agua c omo flui fluido do refriger efrigera a nte nte en e n combinac c ombinac ión c on br b romuro omuro de d e liti litio o c omo a bsor bsorbe bent nte, e, o bien el a monía monía c o c omo refri refriger ge ra nte nte util utiliza ndo a gua c omo a bsorbente. bsorbente. Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma función que éste, es dec de c ir, ir, eleva la pr p resión esión y temp temperatur eratura a del de l flu fluido ido frigo frigorrífico ífico en es e stado tad o va por po r. El circuito de disoluciones, denominado 2 en la figura, consiste en un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión. El vapor a baja presión procedente del evaporador es absorbido por el fluido absorbente en el absorbedor.
El proceso de absorción genera calor. La disolución es bombeada a mayor presión accediendo al generador, donde el fluido refrigerante entra en ebullición gracias a un calor que se aporta desde el exterior. El refrigerante es entonces condensado, separándose del absorbedor. El refrigerante pasa a través del condensador mientras que el abs ab sorbe orbent nte e es e s c onducido ond ucido a l a bsorbed bsorbedor. or. Se obti ob tiene ene energía energía térmi térmicc a a media tempera tempera tur tura en el e l condens co ndensa a dor do r y en el absorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura, y en la bomba energía mecánica. FOCOS La Bomba de C a lor extr extra a e ener e nergía gía de d e un medi med io. Med M ediant iante e el e l tr tra ba jo ex e xterno terno a por po rtado, tado , esta esta ener e nergía gía es e s c edi ed ida a otro. otro. El El med medio io del de l que se se extr extra a e la energía energía se lla ma foco foc o frí frío y el medio a l que se se c ede ed e se se lla lla ma foc o c a liente. A c ontinuac ontinuaciión se se a naliz naliza n a lgunos guno s medios med ios susc usc epti ep tibles bles de ser util utiliz iza a dos do s c omo foc os fríos fríos o c a lientes lientes par pa ra Bomba omb a s de Calor. Foc o s Fr Fríos Un foco frío ideal es aquel que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación en que es necesario calefactar, está disponible en abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinámicas favorables, y no requiere c ostes ostes elevado eleva doss de invers inversión ión o mantenimiento. mantenimiento. Aire Atmosf Atmosféric érico o
Su utilización presenta problemas de formación de escarcha. Este problema se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto adicional
de energía. La temperatura debe ser superior a -5ºC para que el COP resulte interesante. Para temper tempe ra tur tura s por po r enci enc ima de 5ºC no es e s neces nec esa a rio el des de sesc esc arche. arche . Aire de extracción
Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales. La Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción. Existen sistemas diseñados para trabajar con una combinación de aire natural y de aire de extr extra a c c ión en e n func func ión de d e la s neces nec esiida des de s. Aguas naturales
Se puede pue den n utili utilizza r como co mo foc fo c os fríos fríos las a guas gua s de ríos, íos, lagos, lag os, aguas ag uas subterr subterrá á neas nea s o del de l mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos en el exterior, además la c ongel onge la c ión no tiene tiene lugar uga r hasta hasta -1 ó -2º -2ºC . C uando se util utiliza a gua del de l ma ma r hay que q ue pr p rever problemas de corrosión y de proliferación de algas en la superficie del intercambiador. Energía solar
Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, en c ombinac ombinac ión con c on la la Bomba Bomba de C alor. alor. Energía nergía geotér geotérmic mica a del suelo y subsuelo ubsuelo
Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire exterior. Para aprovechar la energía del suelo es necesario un sistema de tuberías. Estas instalaciones tiene tienen n un cos c oste te elevado eleva do,, y requi eq uieren eren una gr g ra n supe superrfic fic ie de terr terreno. eno . Energía nergías s residu residua ales y proced proc edent entes es de proc procesos esos
Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del año. Los principales problemas para su utilización son: La distancia al usuario, la variabilidad del caudal y en el caso de aguas residuales la corrosión y obstrucción del evaporador como c onsec onsec uenc ia de d e las sustanc ustanc ias conteni co ntenida da s en las la s mis mismas. Focos calientes Aire
El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la habitación por la unidad interior o es forzado a través de un sistema de conductos. Agua
Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria y procesos industriales. A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores especialmente diseñados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils, que funcionan funciona n a temper tempe ra tura tura s de 45-5 45-55 5ºC .
