Bomba de calor y ciclo de refrigeración - Heat pump and refrigeration cycle

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
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Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabaja Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\ Displaystyle c =}$ ${\ Displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ parcial S}$ ${\ Displaystyle N}$ ${\ Displaystyle \ T parcial}$ Compresibilidad  ${\ Displaystyle \ beta = -}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ parcial p}$ Expansión térmica  ${\ Displaystyle \ alpha =}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ T parcial}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre
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Científicos Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson Van der Waals Waterston
Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
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Los ciclos de bomba de calor termodinámicos 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 permite la transmisión de calor de un lugar (la "fuente") a una temperatura más baja a otro lugar (el "disipador" o "disipador de calor") a una temperatura más alta. Por lo tanto, se puede pensar en 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 "enfriador" si el objetivo es para enfriar la fuente de calor (como en el funcionamiento normal de un congelador). En cualquier caso, los principios operativos son cercanos. El calor se traslada de un lugar frío a otro cálido.

Ciclos termodinámicos

Según la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente de un lugar más frío a un área más caliente; se requiere trabajo para lograr esto. Un acondicionador de aire requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, moviendo 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 la máquina térmica ideal fue descrito matemáticamente utilizando el ciclo de Carnot por Sadi Carnot en 1824. Una refrigeración ideal o un sistema de bomba de calor puede considerarse como una máquina térmica ideal que funciona en un ciclo de Carnot inverso.

La bomba de refrigeración y los ciclos de calor pueden ser clasificados como de compresión de vapor , absorción de vapor , gas de ciclo , o ciclo de Stirling tipos.

Ciclo de vapor-compresión

Refrigeración por compresión de vapor

A modo de comparación, un diagrama estilizado simple del ciclo de refrigeración por compresión de vapor de una bomba de calor : 1)  condensador , 2)  válvula de expansión , 3)  evaporador , 4)  compresor

Diagrama de temperatura-entropía del ciclo de compresión de vapor.

El ciclo de compresión de vapor se utiliza en muchas aplicaciones de refrigeración, aire acondicionado y otras aplicaciones de refrigeración y también dentro de la bomba de calor para aplicaciones de calefacción. Hay dos intercambiadores de calor, uno es el condensador que está más caliente y libera calor y el otro es el evaporador que está más frío y acepta calor. Para aplicaciones que necesitan funcionar tanto en modo de calefacción como de refrigeración, se utiliza una válvula de inversión para cambiar las funciones de estos dos intercambiadores de calor.

Al inicio del ciclo termodinámico , el refrigerante ingresa al compresor como un vapor de baja presión y baja temperatura donde la presión aumenta y sale como un gas sobrecalentado de mayor temperatura y mayor presión . Este gas presurizado caliente luego pasa a través del condensador donde libera calor a los alrededores a medida que se enfría y se condensa por completo. El líquido de alta presión más frío pasa a continuación a través de la válvula de expansión (válvula de mariposa) que reduce la presión abruptamente y hace que la temperatura baje drásticamente. La mezcla fría de líquido y vapor de baja presión luego viaja a través del evaporador donde se vaporiza completamente a medida que acepta el calor del entorno antes de regresar al compresor como gas de baja presión y baja temperatura para iniciar el ciclo nuevamente.

Algunas aplicaciones más sencillas con temperaturas de funcionamiento fijas, como un frigorífico doméstico , pueden utilizar un compresor de velocidad fija y una válvula de expansión de apertura fija. Las aplicaciones que necesitan operar a 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 interna de calor varían considerablemente a lo largo de las estaciones, generalmente usan un compresor inverter de velocidad variable y una válvula de expansión ajustable para controlar las presiones del ciclo con mayor precisión.

La discusión anterior se basa en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor y no tiene en cuenta los 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 de un gas no ideal ( Si alguna).

Ciclo de absorción de vapor

En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor utilizando sistemas de agua-amoníaco 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 uno quinto de la del ciclo de compresión de vapor). Hoy en día, el ciclo de absorción de vapor se usa solo donde el calor está más disponible que la electricidad, como el calor residual industrial , la energía solar térmica por colectores solares o la refrigeración fuera de la red en vehículos recreativos .

El ciclo de absorción es similar al ciclo de compresión, excepto por el método de elevar la presión del vapor refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor se reemplaza por un absorbedor y un generador. El absorbedor disuelve el refrigerante en un líquido adecuado (solución diluida) y, por lo tanto, la solución diluida se convierte en una solución fuerte. Luego, una bomba de líquido movería la solución fuerte del absorbedor a un generador donde, al agregar calor, la temperatura y la presión aumentan. Luego, el vapor de refrigerante se libera de la solución fuerte, que se convierte en la solución diluida y es devuelta al absorbedor por la bomba de líquido. La bomba de líquido requiere algo de trabajo pero, para una determinada cantidad de refrigerante, es mucho menor que el que necesita el compresor en el ciclo de compresión de vapor. Sin embargo, el generador requiere una fuente de calor, que consumiría energía de calefacción a menos que se use calor residual. En un frigorífico 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 con energías fósiles (es decir, carbón , petróleo , gas natural , etc.) o energías renovables (es decir, recuperación de calor residual , biomasa , energía solar ).

Ciclo de gas

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 gas . El aire es más a menudo este fluido de trabajo. Como no hay condensación y evaporación previstas 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 Brayton inverso en lugar del ciclo 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 y el aumento de temperatura del gas en el lado de baja temperatura. Por lo tanto, para la misma carga de enfriamiento, las máquinas de ciclo de refrigeración a gas requieren un caudal másico mayor, lo que a su vez aumenta su tamaño.

Debido a su menor eficiencia y mayor volumen, los enfriadores de ciclo de aire no se aplican a menudo en la refrigeración terrestre. La máquina de ciclo de aire es muy común, sin embargo, en turbinas de gas Accionado aviones a reacción ya que el aire comprimido es fácilmente disponible a partir de secciones de compresor de los motores. Las unidades de refrigeración y ventilación de estos aviones a reacción también sirven para calentar y presurizar la cabina del avión .

motor Stirling

El motor térmico de ciclo Stirling se puede accionar en reversa, utilizando una entrada de energía mecánica para impulsar la transferencia de calor en una dirección inversa (es decir, una bomba de calor o un refrigerador). Hay varias configuraciones de diseño para estos dispositivos que se pueden construir. Varias de estas configuraciones requieren sellos giratorios o deslizantes, que pueden introducir compensaciones difíciles entre pérdidas por fricción y fugas de refrigerante.

Ciclo de Carnot invertido

El ciclo de Carnot es un ciclo reversible por lo que los cuatro procesos que lo componen, dos isotérmicos y dos isentrópicos, también se pueden revertir. Cuando un ciclo de Carnot se ejecuta al revés, se denomina ciclo de Carnot al revés . Un refrigerador o bomba de calor que actúa sobre el ciclo de Carnot inverso se llama refrigerador Carnot o bomba de calor Carnot, respectivamente. En la primera etapa de este ciclo, el refrigerante de calor absorbe isotérmicamente a partir de una fuente de baja temperatura, T _L , en la cantidad Q _L . A continuación, el refrigerante se comprime isoentrópicamente y su temperatura se eleva a la de la fuente de alta temperatura, T _H . Luego, a esta alta temperatura, los rechazos refrigerante de calor isotérmicamente en la cantidad Q _H . También durante esta etapa, el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado en el condensador. Por último, el refrigerante se expande isoentrópicamente hasta que su temperatura cae a la de la fuente de baja temperatura, T _L .

Coeficiente de rendimiento

La eficiencia de un refrigerador o bomba de calor viene dada por un parámetro llamado coeficiente de rendimiento (COP).

La ecuación es:

${\ Displaystyle {\ rm {COP}} = {\ frac {Q} {W}}}$

dónde

• ${\ displaystyle Q}$es el calor útil suministrado o eliminado por el sistema considerado.
• ${\ Displaystyle W}$es el trabajo requerido por el sistema considerado.

El COP detallado de un refrigerador viene dado por la siguiente ecuación:

${\ displaystyle {\ rm {COP_ {R}}} = {\ frac {\ text {(Salida deseada)}} {\ text {(Entrada requerida)}}} = {\ frac {\ text {(Efecto de enfriamiento) }} {\ text {(Entrada de trabajo)}}} = {\ frac {Q_ {L}} {W _ {\ text {net, in}}}}}$

El COP de una bomba de calor (a veces denominado coeficiente de amplificación COA), dado por la siguiente ecuación, donde Q _H = Q _L + W _{neto, en} :

${\ displaystyle {\ rm {COP_ {HP}}} = {\ frac {\ text {(Salida deseada)}} {\ text {(Entrada requerida)}}} = {\ frac {\ text {(Efecto de calentamiento) }} {\ text {(Entrada de trabajo)}}} = {\ frac {Q_ {H}} {W _ {\ text {net, in}}}} = 1 + {\ frac {Q_ {L}} {W_ {\ text {net, in}}}}}$

Tanto el COP de un frigorífico como de una bomba de calor pueden ser superiores a uno. La combinación de estas dos ecuaciones da como resultado:

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {HP}}} = {\ rm {COP_ {R}}} + 1}$para valores fijos de Q _H y Q _L .

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, algo 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. Por tanto, el sistema que se utiliza para calentar las casas utiliza combustible.

Para los refrigeradores y bombas de calor Carnot, el COP se puede expresar en términos de temperaturas:

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {R, Carnot}}} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}} = {\ frac {1} {(T_ {H} / T_ {L}) - 1}}}$

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {HP, Carnot}}} = {\ frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {L}}} = {\ frac {1} {1- (T_ { L} / T_ {H})}}}$

Referencias

Notas

• Turns, Stephen (2006). Termodinámica: conceptos y aplicaciones . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 756. ISBN 0-521-85042-8.
• Dincer, Ibrahim (2003). Sistemas y aplicaciones de refrigeración . John Wiley e hijos. pag. 598. ISBN 0-471-62351-2.
• Whitman, Bill (2008). Tecnología de Refrigeración y Aire Acondicionado . Delmar.

enlaces externos

• "El ciclo básico de refrigeración"