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Bomba de calor parte 2 - Monografía



 
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CICLOS DE FRIO Y CALOR DE UNA BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE



En función del tipo de explotación se pueden clasificar en monovalentes y bivalentes. Se denominan monovalentes cuando la Bomba de Calor cubre por ella misma la demanda de calefacción y refrigeración. En la explotación bivalente, la Bomba de Calor por encima de cierta temperatura exterior suministra ella sola las necesidades de calor. Por debajo de esa temperatura, la calefacción es suministrada, bien por una caldera exclusivamente, o bien por la Bomba de Calor y la caldera simultáneamente.

- Agua Caliente Sanitaria.



La Bomba de Calor también puede utilizarse para la producción de agua caliente sanitaria. Aquí el agua es el foco caliente o sumidero de calor. En primer lugar el COP estacional en este caso es superior al de la aplicación para climatización, ya que su utilización tiene lugar durante todo el año. En segundo lugar el COP práctico en verano es muy elevado, como consecuencia de las altas temperaturas del aire exterior. Por último dado que el pico de demanda de agua caliente sanitaria tiene lugar a primeras horas de la mañana resulta económica la producción y acumulación de agua caliente sanitaria mediante Bomba de Calor durante la noche acogiéndonos a la tarifa nocturna.

Sector Terciario



-Climatización.


La climatización de pequeños locales de oficinas, comercios, restaurantes etc., es una aplicación muy habitual en este sector.
Los grandes edificios de oficinas se caracterizan por sus elevadas cargas internas de calor, originadas por la iluminación, equipos ofimáticos y grado de ocupación. Por otra parte sus fachadas suelen tener orientaciones diferentes. Así se presentan simultáneamente zonas en que debido a la insolación y las cargas internas necesitan ser refrigeradas, mientras que otras zonas del edificio demandan calefacción. Algunos tipos de Bombas de Calor pueden producir simultáneamente frío y calor resolviendo esta situación, tanto de una forma centralizada como descentralizada.
Otra solución la ofrece la utilización de Bombas de Calor para transferencia del calor sobrante de unas zonas del edificio a otras con necesidades de calefacción. Es el caso de edificios muy compartimentados. Las Bombas de Calor del tipo agua-aire, están repartidas por los diferentes locales y conectadas entre si mediante un circuito de agua. Las Bombas de Calor situadas en locales con necesidades de calefacción, toman el calor del circuito de agua y lo ceden al aire. En los locales con necesidades de refrigeración las Bombas de Calor evacúan al circuito de agua el calor excedentario. El bucle de agua conserva globalmente una temperatura constante, generalmente entre 20º C y 30º C. Cuando una de las necesidades bien de calor o bien de frío, llegue a ser preponderante, el excedente de la otra producción provoca un calentamiento o un enfriamiento del bucle de agua. Por esta razón se incorpora un dispositivo compensador como por ejemplo una caldera o un dispositivo de enfriamiento, haciendo intervenir uno u otro según la necesidad. El circuito puede ser cerrado o abierto.
Circuito cerrado de agua: Si existe un excedente de calor, este es evacuado mediante una torre de refrigeración, mientras que si el edificio es deficitario en calor, la energía calorífica complementaria la aportará una caldera.
Circuito abierto: Si se dispone de una fuente suplementaria de agua, superficial o subterránea, ésta puede ser utilizada en circuito abierto para aportar o evacuar el calor.
En los sistemas centralizados el frío o calor se producen en un punto del edificio y luego ha de ser transportado a las diferentes dependencias. Para realizar este transporte se utilizan tres sistema conductos de aire, tuberías de agua y tuberías de fluído refrigerante.

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SISTEMA CON CONDUCTOS DE AIRE



En los sistemas que utilizan tuberías de agua los elementos terminales más usuales son los fan-coils. Estos sistemas pueden ser clasificados en:

- Sistemas a dos tubos:

Por uno de ellos circula el agua caliente o fría, según la Bomba de Calor funciona en ciclo de calefacción ó de refrigeración. Por el otro circula el agua de retorno procedente de la unidad terminal.

- Sistemas a cuatro tubos:

En este caso hay dos tuberías de impulsión, una de agua fría y otra de agua caliente, y otras dos tuberías de retorno.
Por último se puede transportar el frío o calor generado a las distintas zonas, mediante tuberías de fluido refrigerante. Uno de los sistemas utilizados es el sistema de caudal de refrigerante variable (VRV). En estos equipos se varía el caudal de refrigerante impulsado a las unidades interiores en función de las necesidades de cada una de las zonas o dependencias. De esta forma son capaces de incorporar hasta 16 unidades interiores y consiguen la máxima eficiencia energética, ya que únicamente proporcionan la energía requerida en cada momento. El rendimiento energético de este sistema disminuye cuando existe una gran diferencia de altura entre la unidad exterior y las interiores.

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SISTEMA DE CAUDAL DE REFRIGERANTE VARIABLE.



- Climatización de piscinas.



En las piscinas climatizadas cubiertas, es necesario recurrir en invierno a un elevado número de renovaciones de aire para evitar un excesivo contenido de humedad en el ambiente, debido a la evaporación del agua del vaso de la piscina, que daría lugar a que se formen condensaciones en los cerramientos. La Bomba de Calor permite reducir el caudal de ventilación necesario, obteniendo un importante ahorro de energía. El aire húmedo de la piscina es enfriado en el evaporador de la Bomba de Calor. El enfriamiento produce condensación del exceso de humedad acumulada en el aire. El aire frío y seco es calentado en el condensador de la bomba y pasa de nuevo al recinto de la piscina. El excedente de calor en la Bomba de Calor se utiliza para calentar el agua de la piscina. También se utiliza para la calefacción de los locales anexos como vestuarios, duchas, etc.

- Sector industrial



Una parte importante del consumo energético en la industria se destina a procesos térmicos. Esta demanda térmica se encuentra cubierta mayoritariamente por sistemas convencionales.
Hay procesos que requieren la aportación de calor mientras que otros son excedentarios. Lo habitual en estos casos es que el calor sobrante sea evacuado a la atmósfera mediante torres de refrigeración, con la consiguiente pérdida de energía, mientras que por otro lado siguen existiendo necesidades de calor que se cubren, por ejemplo, con la utilización de calderas.
En estas situaciones las Bombas de Calor proporcionan una gran oportunidad para ahorrar energía, y son una alternativa interesante debido a su doble efecto, de enfriamiento en el evaporador y de calentamiento en el condensador.
La Bomba de Calor permite revalorizar energías térmicas degradadas. Parte de efluentes térmicos no utilizables, y eleva el nivel de la energía térmica contenida en los mismos, en sustitución de calentamientos por sistemas tradicionales.
Para aplicar la Bomba de Calor a la industria se deben analizar los procesos, con el fin de caracterizar los flujos de calor e identificar las oportunidades de recuperación, evaluando su viabilidad tanto desde el punto de vista energético como económico.
Las líneas de fluidos con calor residual más comunes en la industria son las procedentes de aguas de refrigeración, efluentes o condensados. El problema que presentan estas fuentes es que su caudal fluctúa. Por esta razón y para aprovechar este calor residual son necesarios acumuladores de gran capacidad para conseguir una operación estable de la Bomba de Calor.

- Tipos de Bomba de Calor



Los principales tipos de Bombas de Calor para aplicaciones industriales son:

Bombas de calor en ciclo de compresión cerrado:



La temperatura máxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales está en torno a los 120º C. Este es el tipo de bombas más extendido en la industria.

Sistemas de recompresión mecánica del vapor (MVR):



En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un ciclo abierto. Se clasifican en sistemas abiertos y semiabiertos.

En un sistema abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido. Al elevar su presión se eleva su temperatura, y condensado en el mismo proceso cede su calor.
En los sistemas semi-abiertos, el calor del vapor recomprimido es cedido al proceso mediante un cambiador de calor. Se eliminan uno (semiabierto) o dos (abierto) cambiadores de calor (evaporador y/o condensador) y el salto de temperaturas conseguido con la bomba es pequeño por esta razón. La eficacia de utilización es elevada y se obtienen COP”s de 10 a 30.
Los sistemas actuales MVR trabajan con temperaturas de foco frío de 70 a 80º C y ceden el calor a temperaturas entre 110 y 150º C. En algunos casos pueden llegar a los 200º C. El agua es el fluido de trabajo más usual, aunque también se pueden utilizar otros vapores de procesos.

Bombas de calor de absorción de simple efecto:



En Suecia y Dinamarca se han utilizado para recuperar calor de incineradoras de residuos. Los sistemas actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de salida de 100ºC y un salto térmico de hasta 65º C, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. La nueva generación de Bombas de Calor de absorción avanzadas alcanzarán temperaturas de salida de 260º C y saltos térmicos superiores a los mencionados.

Bombas de calor de absorción de doble efecto:



También se las denomina transformadores de calor. Se aplican a fluidos que tienen un calor residual y una temperatura intermedia por encima de la del ambiente, pero por debajo de la utilizable. Mediante el evaporador y el generador el fluido alcanza una temperatura adecuada para su utilización. En el absorbedor se cede el calor al proceso. Todos los sistemas de este tipo en la actualidad, utilizan bromuro de litio y agua como fluidos refrigerantes. Estos transformadores pueden alcanzar temperaturas de hasta 150º C, con un salto de temperatura de 50º C. Los COP”s en estas condiciones están comprendidos entre 0,45 y 0,48.

Ciclo de Bryton reverso:



Con este ciclo se recuperan las sustancias disueltas en gases en varios procesos. El aire saturado se comprime y expande. El aire se enfría en la expansión, y las sustancias disueltas se condensan y son recuperadas. La expansión tiene lugar en una turbina que acciona un compresor.

Aplicaciones.


La principal justificación de la utilización de la Bomba de Calor en la industria es la recuperación de calor. La Bomba de Calor hace utilizables flujos de calor, que de otro modo serían disipados sin aprovechamiento. El calor obtenido en el condensador de la Bomba de Calor puede ser utilizado entre otras aplicaciones para:

-Calefación, climatización y agua caliente sanitaria:

Estas aplicaciones son similares a las estudiadas en los sectores residencial y terciario. Suministran agua por ejemplo a fan-coils, para la calefacción de locales y naves.

-Calentamiento de agua:

En la industria se presentan en muchas ocasiones, necesidades simultáneas de agua fría y caliente, en el rango de temperaturas de 40º C a 90º C, para lavandería, limpieza y desinfección. Esta demanda puede ser cubierta por Bombas de Calor. Las bombas instaladas en este campo son principalmente de compresión con motor eléctrico.

-Secado de productos:

Las Bombas de Calor se usan extensivamente en la deshumidificación industrial y secado a temperaturas bajas y moderadas. Esta es una aplicación muy desarrollada en España.
Para secar un producto se utiliza la propiedad que tiene el aire para cargarse de humedad. La cantidad de humedad absorbida por el aire es mayor, cuanto más alta sea la temperatura. El proceso consiste en impulsar al local aire caliente y seco, que robará humedad al producto a secar. Posteriormente este aire húmedo pasa por el evaporador de la Bomba de Calor, en el que se enfría y deshumidifica. La Bomba de Calor está especialmente indicada para aquellos procesos que requieren un secado lento y sensible a altas temperaturas.

Algunos ejemplos son:

a) Secado y curado de embutidos:

en el caso del secado y curado de embutidos el proceso se realiza en dos fases:

- Estufaje:

Con una duración de entre 30 y 75 horas. Primero se busca una desecación inicial rápida con aire seco a unos 28ºC. Después se baja la temperatura a 22-24ºC y se incrementa la humedad relativa.

- Curado:

Con una duración en torno a 20 días se mantienen temperaturas bajas de 12 a 15º C con humedades relativas en torno al 75 %.

b) Secado de tabaco:

En la figura se observa el esquema del proceso de secado de tabaco.

1. Compresor / 2. Ventilador de circulación de aire en el interior del equipo / 3. Evaporador, enfría el aire caliente y húmedo condensándose el agua / 4. Condensador, donde se calienta aire frío y seco /
5. Válvula de expansión / 6. Ventilador para la circulación del aire en en secadero / 7. Salida del aguaextraída

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PROCESO DE SECADO DE TABACO


c) Secado de lodos de plantas depuradoras de aguas residuales: También se utilizan en el secado de lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales, como se observa en la figura, que corresponde a un esquema de principio de un túnel de deshidratación de lodos mediante Bomba de Calor.

Otros ejemplos de aplicaciones de secado, con su rango de temperaturas, son:

Secado de cuero y pieles, secado de ladrillos, secado de maderas, secado de la malta de cerveza, secado de lana y fibras textiles

Destilación y obtención de concentrados:

Aún a pesar de que la evaporación y la destilación son procesos intensivos de energía, la Bomba de Calor se utiliza con este fin en la industria química y alimentaria. En la destilación se está produciendo una evaporación que requiere calor y una condensación donde sobra calor. La Bomba de Calor puede funcionar cediendo calor en su condensador y absorbiéndolo en el evaporador.
En los procesos de concentración se aplican sistemas MVR abiertos o semiabiertos, aunque también se utilizan bombas de ciclo de compresión. La utilización es muy efectiva con COP’s entre 6 y 30, cuando son necesarios pequeños saltos de temperatura.
Una aplicación es la concentración en la industria alimentaria (lácteos, zumos…).

Calefacción de invernaderos:

En los invernaderos las plantas absorben humedad y nutrientes por sus raíces, devolviendo parte de la humedad al aire ambiente a través de las hojas, aumentando los niveles de humedad dentro del invernadero. La Bomba de Calor permite reducir el nivel de humedad dentro del invernadero, sin desperdiciar el calor.
Calentamiento y enfriamiento de agua en Piscifactorías: En las piscifactorías es necesaria la producción de agua caliente y fría de forma simultánea, pues las condiciones de temperatura requeridas para la cría y engorde son distintas a las necesidades para la fecundación de huevos y el crecimiento de los alevines. El principal inconveniente es que normalmente la demanda de frío y calor no coincide. En la figura se muestra un esquema de esta aplicación.

Fermentación del pan:

En este procesos los azúcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y anhídrido carbónico. Este proceso debe desarrollarse a una temperatura en el entorno de los 22/30ºC. Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadería obligan a calentar en invierno y refrigerar en verano si no queremos tener desviaciones importantes con respecto a las temperaturas citadas. Las bombas utilizadas en esta aplicación son de compresión mecánica aire-aire reversibles. En la figura se presenta un esquema de utilización de la Bomba de Calor en este proceso.

Otras sectores industriales donde la Bomba de Calor es de aplicación son:

- Sector vinícola:

Enfriamiento del vino y producción de agua caliente para el lavado de botellas.

- Industria textil:

Calefacción de los baños de tinte.

- Industrias del papel y de la pulpa de madera:

proceso de evaporación, calefacción y secado.

- Industrias plásticas:

Diversos procesos como refrigeración de las cabezas de extrusión e inyección, con recuperación del calor para la calefacción de locales.

- Industria del caucho:

Calefacción de las soluciones de separación.

- Sector Lácteo:

Pasteurización de los productos lácteos, evaporación, concentración y esterilización, y procesos de limpieza.

- Industria alimentaria:

Procesos de cocción en el sector de conservas, charcuterías, azucareras, etc.

- Industrias siderometalúrgicas:

Desengrase, lavado, galvanizado, preparación de pinturas y secado.

- Industria cerámica:

Secado.

Bombas de calor y medio ambiente



Ventajas medioambientales

: reducción de las emisiones de CO2.

- Introducción.



La radiación solar que alcanza la superficie terrestre es parcialmente absorbida por ella, parcialmente reflejada y parcialmente rerradiada. Es decir emitida de nuevo por la propia superficie, pero con longitudes de onda mayores que las de las radiaciones incidentes.
La superficie de la Tierra se convierte, en un emisor de radiaciones que deben atravesar la atmósfera en sentido contrario al de las radiaciones incidentes. En su camino hacia el espacio atraviesan primero la troposfera, donde se encuentran con una serie de gases que absorben gran cantidad de ellas, y después la estratosfera donde el ozono absorbe otra parte de la radiación infrarroja emitida.
La radiación proveniente del sol que alcanza la superficie terrestre eleva la temperatura de ésta, mientras que la radiación rerradiada que escapa de la atmósfera enfría la Tierra. La temperatura media de la superficie terrestre es el resultado de un equilibrio entre las ganancias y las pérdidas de energía en forma de radiación. Cuanta más radiación rerradiada sea retenida por la atmósfera, más elevada será la temperatura superficial de la Tierra. Es el mismo efecto de captación que tiene lugar en un invernadero de plantas.

Los gases que provocan el efecto invernadero, al absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre son el CO2, el vapor de agua, el ozono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y los derivados halogenados de los hidrocarburos saturados. Así el CO2 es el principal responsable del efecto invernadero intensificado. Su producción se debe esencialmente a los procesos de combustión, a la respiración de los seres vivos y a la putrefacción de los tejidos orgánicos muertos. Hay que distinguir entre efecto invernadero natural y efecto invernadero intensificado, causado por el hombre.
Durante siglos la actividad humana no tuvo ningún efecto medible sobre la composición media de la atmósfera A partir de las segunda guerra mundial, la combustión de ingentes cantidades de petróleo, y la desforestación incontrolada han dado lugar a la elevación de la concentración media del CO2.
En los años 80 los científicos que modelan el cambio climático alertaron de las consecuencias del aumento de temperaturas en la Tierra, de no haber un esfuerzo por reducir las emisiones de gases de invernadero, consecuencia de las actividades humanas.
Dado que una gran cantidad de las emisiones de CO2, se puede atribuir a la producción y utilización de la energía eléctrica, el uso de tecnologías eficientes como la Bomba de Calor contribuirá a su disminución.

- Estudio comparativo



Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relación con el medio ambiente, si las comparamos con otros equipos de calefacción convenciona Internacional de la Energía (AIE), analizando el impacto medioambiental de las cinco opciones siguientes:
- caldera convencional de gasóleo
- caldera convencional de gas
- Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida en plantas de generación eléctrica convencional
- Bomba de Calor a gas
- Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida a partir de energías renovables

Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia energética de estos equipos y del tipo de combustible empleado. En las Bombas de Calor eléctricas, la electricidad empleada para accionarlas, lleva implícita la emisión de CO2 en origen, es decir en las centrales de generación eléctrica, además de las pérdidas de transporte y distribución de la energía eléctrica.
En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor eléctrica como la de gas, emiten considerablemente menos CO2 que las calderas. Una Bomba de Calor eléctrica que funcione con electricidad procedente de fuentes de energías renovables no desprende CO2.

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EMISIÓN RELATIVA DE CO2 DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALEFACCIÓN



En conclusión, las Bombas de Calor ofrecen una evidente ventaja sobre los equipos de calefacción convencionales, en cuanto a reducción de emisiones de CO2.

- Emisiones de CO2 evitadas.

En el estudio antes citado, las emisiones de CO2 evitadas en 1997, por el parque mundial de Bombas de Calor, han sido estimadas en un 0,5 % de las totales del globo, repartidas así:

- 64 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial
- 54 millones de toneladas de CO2 en el sector comercial e industrial
Sin embargo, el potencial actual que tienen las Bombas de Calor para reducir las emisiones de CO2 del globo es muy superior a este 0,5%. Se estima en un 6%, lo que equivaldría a una reducción de 1.200 millones de toneladas de CO2 al año, repartidas así:
- 1.000 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial y comercial.
- 200 millones de toneladas de CO2 en el sector industrial.

Este potencial de reducción de emisiones de CO2 es uno de los mayores que puede ofrecer una única tecnología, con la ventaja de que se trata de una tecnología que ya está disponible en el mercado.

- Perspectivas futuras


El actual potencial de reducción de emisiones de CO2 por Bomba de Calor, estimado en un 6%, podría llegar en un futuro próximo hasta el 16%, según la Agencia Internacional de la Energía. Se haría realidad, gracias a los desarrollos de la tecnología, que permitirían que las Bombas de Calor y las centrales de producción de energía eléctrica obtuvieran un rendimiento superior, y también por el incremento de la energía eléctrica obtenida a partir de energías renovables.

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POTENCIAL DE EMISIONES DE CO2 EVITADAS POR BOMBA DE CALOR



Hoy día los COP medios de las Bombas de Calor están entre el 2,5 y el 4. Para la próxima década se prevén nuevas mejoras que los incrementen. En consecuencia, las Bombas de Calor resultarán más atractivas y ocuparán una cuota mayor del mercado.

Situación española



Las emisiones de CO2, como consecuencia de los procesos de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria en los sectores residencial y servicios, ascienden anualmente en nuestro país a 28 millones de toneladas de CO2. Esto representa un 12 % de las emisiones nacionales de CO2.
Si aceptamos, de acuerdo con los apartados anteriores, que el potencial de reducción de emisiones de CO2 por Bomba de Calor puede llegar a ser del 6%, su realización en España supondría evitar 1,68 millones de toneladas de CO2, lo que representaría una reducción del 0,7 % sobre el total de nuestras emisiones.

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EMISIONES DE CO2 EN ESPAÑA



Decíamos anteriormente que en las Bombas de Calor eléctricas, mayoritarias en nuestro país, la electricidad consumida para accionarlas, ya lleva implícita la emisión de CO2 en origen. Es decir la producida por las centrales de generación eléctrica y como consecuencia de las pérdidas de transporte y distribución. Pero su efecto sobre el medio ambiente dependerá de cómo se genere esta energía eléctrica. Si es mediante energía hidroeléctrica, nuclear o eólica, es clara la reducción de emisiones.
En la tabla siguiente se muestran las cuotas de producción de energía primaria para producción eléctrica y el rendimiento medio de las centrales de generación para los diferentes combustibles.

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Se observa que de la cuota total un porcentaje del 51,6 % no entraña emisiones de CO2, lo que representa una situación favorable para la Bomba de Calor. A esto hay que añadir que las energías renovables están teniendo cada vez mayor importancia dentro del panorama energético español, lo que beneficia la utilización de la Bomba de Calor, en relación con este aspecto.


Problemática asociada a los refrigerantes.



Introducción.



En el año 1974, se publicó en Nature, el trabajo “Stratospheric sink for chlorofluoromethanes; chlorine atom catalysed destruction of ozone” de Sherwood Rowland y Mario Molina. En él, los autores, relacionaron la disminución del espesor de la capa de ozono atmosférico con la acción catalítica de las moléculas de determinados compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados.
La tierra recibe energía del sol en forma de radiaciones de distintas longitudes de onda. Antes de alcanzar la superficie del planeta, estas radiaciones deben atravesar la atmósfera. La capa de ozono sirve como filtro natural de los rayos ultravioleta del sol, actuando como un escudo protector. Cuando estos compuestos alcanzan la estratosfera, zona más exterior de la atmósfera, quedan sometidos a las radiaciones solares ultravioletas, descomponiéndose y liberando átomos de cloro. Tras una serie de reacciones químicas complejas, el cloro destruye las moléculas de ozono. Por esta razón una mayor cantidad de radiación ultravioleta corta alcanza la superficie de la tierra.
Uno de los compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados causante de este efecto son los CFC’s conocidos como clorofluorocarbonos. Los CFC’s fueron desarrollados en 1930 como fluidos de trabajo para sistemas frigoríficos de compresión mecánica, obtenidos sintéticamente por halogenación de hidrocarburos saturados. Aunque comenzaron como refrigerantes luego se emplearon en otros usos como sprays, aislamientos, industria química etc., por lo que su uso en aire acondicionado representa sólo una parte de sus aplicaciones.
Además de los CFC’s existen otros fluidos de trabajo derivados de los hidrocarburos saturados que se utilizan en instalaciones de aire acondicionado. Son los obtenidos por sustitución de algunos átomos de hidrógeno por otros de flúor y cloro, llamados hidroclorofluorocarbonos o HCFC’s. El HCFC’s más conocido es el R-22. En España la práctica totalidad de las Bombas de Calor que se comercializan lo utilizan. Se les denomina abreviadamente CFC’s y HCF’s iniciales de sus componentes (cloro-flúor-carbonos) e (hidro-cloro-flúor-carbonos).
El factor de destrucción de la capa de ozono depende directamente del contenido de cloro del refrigerante. Para evaluar la capacidad de destrucción de ozono en términos cuantitativos se recurre a un índice adimensional. Se llama ODP (Ozone Depleting Potencial) ó Potencial de Destrucción de Ozono. Expresa el grado máximo en que un gas dado puede provocar la disminución de la capa de ozono. Por convención se da el valor 1 a la capacidad del R-11 para destruir ozono.
En el cuadro siguiente se hace una comparación entre diferentes refrigerantes en relación con el contenido de cloro, ODP y vida media estimada.
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Los CFC’s tienen una vida media atmosférica muy larga lo que les permite conservar su estructura molecular intacta hasta que alcanzan la estratosfera al cabo de 3 a 5 años después de su emisión. Los HCFC’s tienen una vida media atmosférica más corta que los CFC’s, por lo que su capacidad de destrucción es menor. Sólo una pequeña parte de las moléculas de HCFC’s descargadas a la atmósfera alcanzan la estratosfera y contribuyen a la destrucción del ozono de la misma manera que lo hacen los CFC’s. Los HCFC’s tiene una incidencia 20 veces menor que el R-11.
Al detectarse las implicaciones de estos productos como modificadores del medio ambiente, se decidió a nivel mundial eliminarlos y sustituirlos por otros de tipo HFC’s (hidro-fluor-carbonos, sin cloro) semejantes en seguridad y prestaciones pero inocuos para la capa de ozono.
En el año 1980 el UNEP (United Nations Environmental Programme) Programa de las Naciones Unidas de Medio Ambiente inició los trabajos de preparación de un convenio internacional para establecer las líneas generales para una acción internacional con vistas a la protección de la capa de ozono atmosférico.
En el año 1985 se aprobó el Convenio de Viena, para la protección de la Capa de Ozono. En él se establecieron una serie de mecanismos de investigación y de cooperación, así como la adopción de medidas legislativas, todo ello tendente a proteger la salud humana y el medio ambiente de los efectos adversos resultantes de las modificaciones de la capa de ozono atmosférico.
Poco después de la firma del Convenio de Viena se iniciaron los trabajos de preparación de un protocolo que regulase las sustancias que, aparentemente podían influir sobre la capa de ozono. En 1987 se aprueba el texto llamado “Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Capa de Ozono”. El texto deja abierta la posibilidad de ser enmendado en función de sucesivas evidencia científicas que se fuesen obteniendo en relación con el agotamiento del ozono.
Como consecuencia de los resultados de las investigaciones científicas fomentadas por el Protocolo de Montreal que han contribuido a aumentar el conocimiento del mecanismo de deterioro de la capa de ozono, el número de sustancias reguladas y sus correspondientes calendarios de supresión, se han ido endureciendo en las sucesivas enmiendas del Protocolo de Montreal, Helsinki (1989), Londres (1990). Copenhague (1992) y Bangkok (1993).
La Comunidad Europea ha pretendido impulsar medidas más restrictivas que las del Protocolo de Montreal en lo relativo al control de las sustancias que agotan la capa de ozono. El Consejo de la Unión Europea, ha aprobado entre otros, el Reglamento 3093/94, relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono, que fija el calendario aplicable a estas sustancias.

Situación española.



Del estudio del mercado español, realizado sobre un total de 2.707 modelos diferentes de Bombas de Calor, se obtiene como conclusión principal que prácticamente en su totalidad utilizan R-22. Sólo en 1 caso se ha detectado una Bomba de Calor que utiliza el R-134-a.
El parque actual de Bombas de Calor en los sectores residencial, comercio, servicio e industria concentra en sus equipos una cantidad de refrigerante que se estima en 5.500 toneladas de R-22. Su reparto por sectores es el siguiente:

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Proyectos de investigación y desarrollo más recientes.



A continuación se expone un pequeño resumen de los proyectos más recientes y estado de la tecnología cuanto a refrigerantes, ciclos, componentes de las máquinas y proyectos de Investigación y Desarrollo.

- Refrigerantes



La evolución de la Bomba de Calor en los próximos años dependerá en gran medida de la evolución de los fluidos refrigerantes. Los refrigerantes organoclorados, alrededor de los cuales se habían desarrollado todos los componentes de las Bombas de Calor, están condenados a desaparecer debido a su efecto destructor sobre la capa de ozono y el efecto invernadero. Para que la Bomba de Calor continúe siendo una alternativa atractiva desde el punto de vista del ahorro enérgetico, la sustitución de los refrigerantes por otros debe mantener o superar las eficiencias de los ciclos.
Algunas alternativas para la sustitución planteando ventajas e inconvenientes.

- HCFC’s



El primer paso para evitar la destrucción de la capa de ozono fue la sustitución de los fluoro carbonados con dos átomos de cloro (CFC) por fluorocarbonados con un átomo de cloro y otro de hidrógeno (HCFC). Estos refrigerantes contribuyen en menor medida a la destrucción de la capa de ozono por su mayor estabilidad, pero influyen en el calentamiento global en mayor medida que estos. Sin embargo hace poco también fueron incluidos en la lista de sustancias controladas, y se decidió su parada de fabricación en el año 2020 con la completa desaparición en el año 2030.

- HCF’S



Los HFC’s son fluidos refrigerantes sin cloro, y por tanto sin efecto sobre la reducción de la capa de ozono, pero algunos de ellos tienen un efecto importante sobre el efecto invernadero. Con la sustitución de refrigerante se pierde eficacia pero el COP no se reduce significativamente. Además debe ser utilizado con lubricantes de poliol-ester debido a que es muy higroscópico. Además cuando se utilice para llenar circuitos existentes se deben extremar las precauciones en la limpieza de los mismos.

- Mezclas



Las mezclas constituyen una importante posibilidad para la sustitución de los CFC’s, tanto para su utilización en Bombas de Calor nuevas como en las ya existentes. Una mezcla está constituida por dos o más fluidos refrigerantes y puede ser:
- Zeotrópica
- Azeotrópica
- Cuasi-zeotrópica

Las mezclas azeotrópicas evaporan y condensan a temperatura constante, mientras que las otras lo hacen en un rango de temperatura (deslizamiento). El deslizamiento puede ser utilizado para mejorar la eficiencia pero requiere la modificación del equipo. La ventaja de las mezclas es que pueden variar sus propiedades en función de las necesidades de cada aplicación variando la proporción entre los componentes. Las mezclas no azeotrópicas presentan problemas por diferente volatilidad de sus componentes. En caso de fugas no se puede saber que cantidad de cada uno de los refrigerantes que componen la mezcla se ha perdido por lo que es necesario llenar el circuito de nuevo con la carga total de

- Fluidos de trabajo naturales



Los fluidos de trabajo naturales son sustancias que existen en la biosfera de una forma natural. Generalmente tienen muy pocos inconvenientes en relación al medio ambiente (los potenciales de destrucción de la capa de ozono y de calentamiento global son cero o aproximados a cero). Son, por lo tanto, alternativas a largo plazo a los CFCs. Ejemplos de fluidos de trabajo naturales son el amoniaco (NH3), hidrocarburos (ej. propano), dióxido de carbono (CO2), aire y agua. Algunos de los fluidos de trabajo naturales son inflamables o tóxicos. Las implicaciones de seguridad del uso de dichos fluidos pueden requerir el diseño de un sistema específico y unas rutinas de operación y mantenimiento adecuadas.

- El amoniaco (NH3)

es en muchos países el fluido de trabajo principal en refrigeración media y alta y en plantas de almacenamiento en frío. Han sido desarrollados códigos, regulaciones y leyes principalmente para tratar con las características tóxicas, y de alguna manera con las características inflamables del amoniaco.
El amoniaco podría ser también considerado en sistemas pequeños, mayoritarios en el mercado de las Bombas de Calor. En sistemas pequeños, los aspectos de seguridad pueden ser tratados usando equipos con baja carga de fluido de trabajo y medidas tales como sistemas de distribución indirecta (con salmuera), alojamientos o revestimientos a prueba de gas, y ventilación a prueba de fallos. El cobre no es compatible con el amoniaco, con lo que todos los componentes deben ser de acero.
El amoniaco no se usa todavía en Bombas de Calor industriales de alta temperatura, pues normalmente no hay compresores adecuados de alta presión disponibles (40 bares máximo). Si se desarrollan compresores eficientes de alta presión, el amoniaco será un excelente fluido de trabajo a alta temperatura.

- Los hidrocarburos (HC’s)

son fluidos de trabajo inflamables, con propiedades termodinámicas conocidas y compatibilidad de material. Están formados por propano, butano y sus mezclas. Son utilizados en gran medida en la industria del petróleo, esporádicamente aplicados en la refrigeración del transporte, refrigeradores/congeladores domésticos, y Bombas de Calor recientes (Alemania).
Debido a su alta inflamabilidad, los hidrocarburos únicamente deberían ser utilizados para llenado de circuitos existentes o aplicados en sistemas con baja carga de fluido de trabajo. Para garantizar la seguridad necesaria durante la operación y el servicio, deberían tomarse precauciones como sistemas de ventilación a prueba de fallos, adición de gas odorizante al fluido de trabajo, uso de detectores de gas etc.

- El agua

es un excelente fluido de trabajo para las Bombas de Calor industriales de alta temperatura debido a sus propiedades termodinámicas favorables y al hecho de que no es ni inflamable ni tóxico. El agua ha sido usada principalmente como fluido de trabajo en sistemas MVR abiertos y semi-abiertos, pero también existen algunas Bombas de Calor de ciclo de compresión cerrado que usan agua como fluido de trabajo.
La mayor desventaja del agua como fluido de trabajo es su baja capacidad de calor volumétrico. Esto hace que se requieran compresores grandes y caros, especialmente a bajas temperaturas.

Ciclos


Los desarrollos recientes en los ciclos de compresión tradicional se encuentran relacionados con el uso de nuevos refrigerantes. Los ciclos y sistemas son optimizados termodinámica y termofísicamente para adaptarse a su comportamiento.
La utilización de códigos de simulación de comportamiento de refrigerantes es una herramienta muy útil para la optimización de los mismos.
Los sistemas de mezclas zeotrópicas requieren una atención especial ya que, ofrecen la posibilidad de mejoras en la eficiencia, pero pueden plantear muchos problemas; con un diseño inadecuado, se pueden presentar cambios en la composición de la mezcla si el sistema tiene componentes con volúmenes inactivos donde el refrigerante líquido se puede acumular.
Una de las pérdidas tradicionales en el ciclo real tiene lugar en la expansión. Para reducir esta pérdida se están realizando investigaciones sustituyendo las válvulas de expansión tradicionales por dispositivos de expansión de Lysholm de tornillo. Para aplicaciones en las que el fluido refrigerante presenta un gran intervalo de deslizamiento en el sumidero de calor es posible diseñar sistemas con una gran eficiencia ajustando el ciclo a este cambio de temperatura.

Para superar los problemas planteados por los refrigerantes organoclorados se están realizando esfuerzos importantes en la investigación de ciclos distintos de los tradicionales.

- Ciclos de aire

: Se utilizan en la actualidad en aplicaciones especiales como el acondicionamiento de aviones.

- Ciclos de absorción:

Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos - Ciclos de absorción: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos modalidades, simple efecto y doble efecto. Como consecuencia de estos esfuerzos investigadores los coeficientes de prestación se han incrementado considerablemente.

- Ciclos de cascada:

Con combinación de varios ciclos se consiguen mayores temperaturas en el condensador.

- Ciclo de stirling:

Utilizado para grandes saltos de temperatura. Existen algunas realizaciones experimentales para aplicaciones convencionales

Componentes



- Compresores



En el compresor de tornillo y en el scroll, así como en otros diseños de compresores rotativos existen posibilidades de integrar a media presión una entrada de tal manera que se mejora la eficiencia del ciclo reduciendo pérdidas. La investigación en el campo de los compresores está orientada al incremento de la eficiencia buscando isoentropicidad, reducción de ruido y vibraciones y mejora del engrase. La fiabilidad es otro objetivo en estos desarrollos.

- Intercambiadores de calor



Los intercambiadores de calor son componentes importantes en la eficiencia de las Bombas de Calor. Pequeñas diferencias de temperatura son decisivas para la eficiencia energética de un sistema.
Existen interesantes desarrollos de cambiadores en los últimos tiempos. Estos desarrollos están relacionados con el incremento de transferencia de calor en evaporador y condensador utilizando superficies de microestructura. Sin embargo las microestructuras plantean problemas de ensuciamiento por aceite.
Otro desarrollo es el intercambiador de aletas soldadas, que permite una disminución considerable de la carga de refrigerante. Este tipo de cambiadores ha hecho también posible la utilización de refrigerantes que requieren altas presiones en el condensador.
Las investigaciones en cambiadores están también orientadas a mejorar el intercambio que se ve afectado por los lubricantes que requieren los nuevos refrigerantes.

- Controles



El control de la Bomba de Calor está influenciado por el desarrollo de la electrónica.
El control de operación de las Bombas de Calor se realiza cada vez en mayor medida mediante programación gracias a la introducción de los microprocesadores en los esquemas de control. Esto permite que la Bomba de Calor opere satisfactoriamente en diversos modos:

- Refrigeración
- Calefacción
- Calefacción con fuente de calor de apoyo
- Con acumulación de calor en agua
- Desescarchando

Los microprocesadores hacen posible la autoadaptación de las máquinas a las distintas condiciones.
Con el control por microprocesador es también posible controlar el ciclo, reemplazando la tradicional válvula termostática o variando la velocidad del compresor mediante los denominados - inverters- . También se puede actuar mediante la variación de la velocidad de los ventiladores.
El control mediante microprocesador puede tener también efectos sobre el mantenimiento. Es posible mediante la incorporación de una tarjeta inteligente que registra las condiciones de funcionamiento, el ajuste de los parámetros a las nuevas condiciones o incluso el mantenimiento a distancia.

Proyectos de investigación y desarrollo.



Varias entidades españolas participan en proyectos de investigacion de carácter internacional. A continuación he extraido un proyecto realizado por miembros del ENEBC (Equipo Nacional Español de la Bomba de Calor).

Proyecto ROTEX



El ROTEX es un sistema innovador de aire acondicionado, calefacción y agua caliente sanitaria que funciona con un ciclo de absorción de doble efecto en el que se utiliza gas natural como combustible.
El origen del nombre Rotex viene del carácter rotativo del sistema, característica que permite intensificar el proceso de absorción debido al campo gravitatorio de alta intensidad generado por la fuerza centrífuga.
El refrigerante principal es agua, por lo que no se utiliza ninguno de los organoclorados que serán restringidos en futuro próximo, y sobre todo, su rendimiento en función de la energía primaria consumida es superior a los aparatos eléctricos de aire acondicionado que se comercializan en la actualidad.
El núcleo equivalente al compresor es un conjunto compacto que integra el generador, condensador, evaporado y el absorbedor que ha sido diseñado y desarrollado durante los últimos años en Inglaterra dentro de un programa Eureka, en el que han participado: British Gas, Caradon, Gas Natural, Lennox Industries, Fagor e Ikerlan.
Se están construyendo 9 prototipos que serán probados en diferentes localidades europeas. Se prevée su orientación tanto al sector residencial como al comercial.

PROYECTO ROTEX



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Eficiencia o rendimiento de una bomba de calor.



La ventaja fundamental de la bomba de calor consiste en que es capaz de suministrar más energía de la que consume. Esta aparente contradicción con uno de los principios más sólidos de la termodinámica, se explica por el hecho de que el equipo recupera energía “gratuita” del ambiente exterior.
Por ejemplo, una bomba de calor puede proporcionar a un local 2,5 kWh absorbiendo de la red tan solo 1 kWh. Los restantes 1,5 kWh se obtienen gratuitamente del aire exterior.

La figura representa un diagrama de bloques que ilustra la eficiencia, o en otras palabras el rendimiento, de una bomba de calor. Las cifras indicadas en la figura son:
1.    Energía total entregada por el condensador al local (2,5 kWh)
2.    Energía “no gratuita” tomada de la red eléctrica por el compresor (1 kWh)
3.    Energía “gratuita” tomada del aire exterior por el evaporador (1,5 kWh)


Eficiencia de una bomba de calor



La eficiencia de esta bomba de calor vendría expresada por el cociente entre la energía entregada al local (efecto útil) y la energía absorbida de la red eléctrica, es decir:

Eficiencia = 2,5

En consecuencia, la bomba de calor es potencialmente de gran interés para el usuario, dado que éste paga por una cantidad de energía menor que la aportada por el equipo para calentar el local.
Puede deducirse la conveniencia de utilizar equipos acondicionadores con bomba de calor, para su funcionamiento tanto en verano como en invierno. Además, un equipo con bomba de calor sólo supone, aproximadamente, un 20% de incremento, frente a la inversión necesaria para un acondicionador convencional exclusivamente para el verano.

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Algunas definiciones de términos importantes

-   A.C.S.:


Agua caliente sanitaria.


- Aparato acondicionador de aire:


Unidad que permite la refrigeración y eventualmente la calefacción de un espacio mediante su simple conexión a la red de energía eléctrica, sin requerir otras instalaciones adicionales o complementarias para su correcto funcionamiento.

- Bomba de calor:


máquina térmica que permite transferir calor de una fuente fría a otra más caliente.

-

Climatización:


Proceso de tratamiento de aire que se efectúa a lo largo de todo el año, controlando, en los espacios interiores, su temperatura, humedad, pureza y movimiento.

- Coeficiente de eficiencia energética de un aparato (CEE):


Cociente entre la potencia térmica total útil y la potencia total absorbida para unas condiciones de funcionamiento determinadas.

-

Coeficiente de prestación de un sistema (COP):


Relación entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida.

- Energía convencional:


Aquella energía tradicional, normalmente comercializada, que entra en el cómputo del producto interior bruto.


- Energía residual:


Energía que se puede obtener como subproducto de un proceso principal.

- Expansión directa:


Proceso de tratamiento de aire efectuado por evaporaciones del fluido frigorígeno en el circuito primario de una batería.

-

Instalación unitaria:


Son aquellas en las que cada elemento es un generador de frío o calor independiente.

-

Instalaciones individuales:


Son aquellas instalaciones no unitarias, en las que la producción de frío o calor es independiente para cada usuario.

- Instalaciones colectivas:


Son aquellas instalaciones centralizadas en las que la producción de frío o calor sirve a un conjunto de usuarios dentro de un mismo edificio.


- Instalaciones semicentralizadas:


Son aquellas instalaciones individuales realizadas con equipos autónomos dotados de una red de conductos de distribución de aire.


- Potencia calorífica útil de una Bomba de Calor:


Producto del caudal másico del fluido portador por el salto de entalpía a través del condensador, en las condiciones de funcionamiento que se especifiquen.


- Refrigeración:


Proceso de tratamiento de aire que controla, al menos, la temperatura máxima de un local.


- Sistemas agua-aire:


Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica a diversos locales se realiza mediante circuitos de agua y aire.


- Sistema centralizado:


Instalación en la que la producción de frío o calor se realiza centralmente distribuyéndose a diversos subsistemas o equipos terminales que actúan sobre las condiciones ambientales de locales o zonas diferentes.

- Sistema todo agua:


Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica se realiza exclusivamente mediante agua.

-

Sistema todo aire:


Técnica de acondicionamiento en la que la distribución de la energía térmica a diversos locales se realiza exclusivamente mediante aire.

-

Unidad compacta:


Equipo autónomo totalmente montado en fábrica.

Direcciones de Internet relacionadas con la bomba de calor.

www.enebc.org/bomba
http://bdd.unizar.es/pag3/PAG6-2/5.htm
www.hictesa.com
www.acson.es
www.fecsa.es
www.enher.es
www.ribernet.es/instalaciones/instala.htm
http://imartinez.etsin.upm.es/lab1/p5/Bomba de calor.html
http://www.imst.upv.es/bombaCalor.htm
http://www.bluprint.es/sanitaristas/hidro.html
http://www.ciberia.es/~egl/definibomba.htm
http://www.ediho.es/contenidos/f265.html
http://cipres.cec.uchile.cl/~mabello/taller2/1.html
http://www.martiter.com/

Autor:

Irina





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