Los ciclos termodinámicos de bomba de calor o ciclos de refrigeración son los modelos conceptuales y matemáticos para los sistemas de bomba de calor , aire acondicionado y refrigeración . Una bomba de calor es un sistema mecánico que transmite calor desde un lugar (la "fuente") a una temperatura determinada a otro lugar (el "disipador" o "disipador de calor") a una temperatura más alta. [1] Por lo tanto, se puede considerar una bomba de calor como un "calentador" si el objetivo es calentar el disipador de calor (como cuando se calienta el interior de una casa en un día frío), o un "refrigerador" o "refrigerador" si el objetivo es enfriar la fuente de calor (como en el funcionamiento normal de un congelador). Los principios operativos en ambos casos son los mismos; [2] la energía se utiliza para mover el calor de un lugar más frío a un lugar más cálido.
Según la segunda ley de la termodinámica , el calor no puede fluir espontáneamente desde un lugar más frío a un área más caliente; se requiere trabajo para lograrlo. [3] Un acondicionador de aire requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, trasladando el calor del interior que se enfría (la fuente de calor) al exterior (el disipador de calor). De manera similar, un refrigerador mueve el calor desde el interior de la nevera fría (la fuente de calor) al aire más cálido a temperatura ambiente de la cocina (el disipador de calor). El principio de funcionamiento de una máquina térmica ideal fue descrito matemáticamente utilizando el ciclo de Carnot por Sadi Carnot en 1824. Un refrigerador o una bomba de calor ideales pueden considerarse como una máquina térmica ideal que funciona en un ciclo de Carnot inverso. [4]
Los ciclos de bomba de calor y los ciclos de refrigeración se pueden clasificar como tipos de compresión de vapor , absorción de vapor , ciclo de gas o ciclo Stirling .
El ciclo de compresión de vapor se utiliza en muchas aplicaciones de refrigeración, aire acondicionado y otras aplicaciones de refrigeración y también en bombas de calor para aplicaciones de calefacción. Hay dos intercambiadores de calor, uno es el condensador , que está más caliente y desprende calor, y el otro es el evaporador, que está más frío y acepta calor. Para aplicaciones que necesitan funcionar tanto en modo calefacción como refrigeración, se utiliza una válvula de inversión para cambiar las funciones de estos dos intercambiadores de calor. [ cita necesaria ]
Al inicio del ciclo termodinámico , el refrigerante ingresa al compresor como vapor a baja presión y baja temperatura. En las bombas de calor, este refrigerante suele ser refrigerante R32 o refrigerante R290. Luego se aumenta la presión y el refrigerante sale como gas sobrecalentado a mayor temperatura y mayor presión . Este gas presurizado caliente luego pasa a través del condensador donde libera calor al entorno a medida que se enfría y se condensa por completo. El líquido más frío a alta presión pasa luego a través de la válvula de expansión (válvula de mariposa), que reduce la presión abruptamente y provoca que la temperatura baje drásticamente. [7] La mezcla fría de líquido y vapor a baja presión viaja a través del evaporador donde se vaporiza completamente mientras acepta calor del entorno antes de regresar al compresor como un gas de baja presión y baja temperatura para comenzar el ciclo nuevamente. [8]
Algunas aplicaciones más simples con temperaturas de funcionamiento fijas, como un refrigerador doméstico , pueden utilizar un compresor de velocidad fija y una válvula de expansión de apertura fija. Las aplicaciones que necesitan operar con un alto coeficiente de rendimiento en condiciones muy variadas, como es el caso de las bombas de calor donde las temperaturas externas y la demanda de calor interna varían considerablemente a lo largo de las estaciones, generalmente usan un compresor inversor de velocidad variable y una válvula de expansión ajustable para controlar las presiones del ciclo con mayor precisión. [ cita necesaria ]
La discusión anterior se basa en el ciclo de refrigeración ideal por compresión de vapor y no tiene en cuenta efectos del mundo real como la caída de presión por fricción en el sistema, una ligera irreversibilidad termodinámica durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento no ideal del gas (si cualquier). [4]
En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor utilizando sistemas de agua-amoniaco era popular y ampliamente utilizado pero, después del desarrollo del ciclo de compresión de vapor, perdió gran parte de su importancia debido a su bajo coeficiente de rendimiento (alrededor de un quinta parte de la del ciclo de compresión de vapor). Hoy en día, el ciclo de absorción de vapor se utiliza sólo cuando el calor está más disponible que la electricidad, como el calor residual industrial , la energía solar térmica mediante colectores solares o la refrigeración fuera de la red en vehículos recreativos .
El ciclo de absorción es similar al ciclo de compresión, pero depende de la presión parcial del vapor refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor se sustituye por un absorbente y un generador. El absorbente disuelve el refrigerante en un líquido adecuado (solución diluida) y, por tanto, la solución diluida se convierte en una solución fuerte. En el generador, al agregar calor, la temperatura aumenta y con ello la presión parcial del vapor refrigerante se libera de la solución fuerte. Sin embargo, el generador requiere una fuente de calor, que consumiría energía a menos que se utilice calor residual. En un refrigerador de absorción se utiliza una combinación adecuada de refrigerante y absorbente. Las combinaciones más comunes son amoníaco (refrigerante) y agua (absorbente), y agua (refrigerante) y bromuro de litio (absorbente).
Los sistemas de refrigeración por absorción pueden funcionar mediante la combustión de combustibles fósiles (p. ej., carbón , petróleo , gas natural , etc.) o energía renovable (p. ej., recuperación de calor residual , combustión de biomasa o energía solar ).
Cuando el fluido de trabajo es un gas que se comprime y expande pero no cambia de fase, el ciclo de refrigeración se denomina ciclo de gases . El aire suele ser este fluido de trabajo. Como no se prevé condensación ni evaporación en un ciclo de gas, los componentes correspondientes al condensador y al evaporador en un ciclo de compresión de vapor son los intercambiadores de calor de gas a gas frío y caliente .
Para temperaturas extremas dadas, un ciclo de gas puede ser menos eficiente que un ciclo de compresión de vapor porque el ciclo de gas funciona en el ciclo de Brayton inverso en lugar del ciclo de Rankine inverso . Como tal, el fluido de trabajo nunca recibe ni rechaza calor a temperatura constante. En el ciclo del gas, el efecto de refrigeración es igual al producto del calor específico del gas por el aumento de temperatura del gas en el lado de baja temperatura. Por tanto, para la misma carga de refrigeración, las máquinas de ciclo frigorífico a gas requieren un mayor caudal másico, lo que a su vez aumenta su tamaño.
Debido a su menor eficiencia y mayor volumen, los enfriadores de ciclo de aire no suelen utilizarse en la refrigeración terrestre. Sin embargo, la máquina de ciclo de aire es muy común en los aviones a reacción propulsados por turbinas de gas , ya que el aire comprimido está fácilmente disponible en las secciones de compresores de los motores. Las unidades de refrigeración y ventilación de estos aviones a reacción también sirven para calentar y presurizar la cabina del avión .
El motor térmico de ciclo Stirling [9] puede funcionar a la inversa, utilizando una entrada de energía mecánica para impulsar la transferencia de calor en dirección inversa (es decir, una bomba de calor o un refrigerador). Hay varias configuraciones de diseño para este tipo de dispositivos que se pueden construir. Varias de estas configuraciones requieren sellos giratorios o deslizantes, lo que puede introducir compensaciones difíciles entre pérdidas por fricción y fugas de refrigerante.
El ciclo de Carnot , que tiene un equivalente cuántico, [10] es reversible por lo que los cuatro procesos que lo componen, dos isotérmicos y dos isentrópicos, también pueden revertirse. Cuando un ciclo de Carnot se desarrolla a la inversa, se denomina ciclo de Carnot inverso . Un frigorífico o bomba de calor que actúa según el ciclo de Carnot invertido se denomina frigorífico Carnot o bomba de calor Carnot, respectivamente. En la primera etapa de este ciclo, el refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura, T L , en la cantidad Q L . A continuación, el refrigerante se comprime isentrópicamente (adiabáticamente, sin transferencia de calor) y su temperatura aumenta hasta la de la fuente de alta temperatura, T H . Luego, a esta alta temperatura, el refrigerante rechaza isotérmicamente calor en la cantidad Q H < 0 (negativo según la convención de signos para el calor perdido por el sistema). También durante esta etapa, el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado en el condensador. Por último, el refrigerante se expande isentrópicamente hasta que su temperatura cae hasta la de la fuente de baja temperatura, T L . [2]
Una bomba de calor por absorción-compresión (ACHP) es un dispositivo que integra un compresor eléctrico en una bomba de calor por absorción . En algunos casos esto se obtiene combinando una bomba de calor por compresión de vapor y una bomba de calor por absorción . También se la conoce como bomba de calor híbrida [11] , pero es un campo más amplio. Gracias a esta integración, el dispositivo puede obtener efectos de enfriamiento y calentamiento utilizando fuentes de energía tanto térmica como eléctrica . [12] [13] Este tipo de sistemas se combina bien con los sistemas de cogeneración donde se producen tanto calor como electricidad. Dependiendo de la configuración, el sistema puede maximizar la producción de calefacción y refrigeración a partir de una determinada cantidad de combustible, o puede mejorar la temperatura (y por tanto la calidad) del calor residual de otros procesos. [14] Este segundo uso es el más estudiado y se ha aplicado a varias aplicaciones industriales. [15]
El mérito de un frigorífico o una bomba de calor viene dado por un parámetro llamado coeficiente de rendimiento (COP). La ecuación es:
dónde
El COP detallado de un frigorífico viene dado por la siguiente ecuación:
El COP de una bomba de calor (a veces denominado coeficiente de amplificación COA) viene dado por las siguientes ecuaciones, donde la primera ley de la termodinámica : y se utilizó en uno de los últimos pasos:
Tanto el COP de un frigorífico como el de una bomba de calor pueden ser superiores a uno. Combinando estas dos ecuaciones se obtiene:
Esto implica que COP HP será mayor que uno porque COP R será una cantidad positiva. En el peor de los casos, la bomba de calor suministrará tanta energía como consume, haciendo que actúe como un calentador de resistencia. Sin embargo, en realidad, como en la calefacción doméstica, parte de Q H se pierde al aire exterior a través de tuberías, aislamiento, etc., lo que hace que el COP HP caiga por debajo de la unidad cuando la temperatura del aire exterior es demasiado baja. [2]
Para los refrigeradores y bombas de calor Carnot, el COP se puede expresar en términos de temperaturas:
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