TIPOS Y FUNCIONAMIENTO
El sistema de bomba de calor puede transmitir el calor del entorno hacia las dependencias que se pretenden calefactar. El calor generado puede utilizarse para calefacción y agua caliente sanitaria.
El principio de funcionamiento es el mismo que usa un aparato frigorífico. Un refrigerador consigue enfriar un recinto ya que quita energía del aire interior, a baja temperatura, y la cede al aire exterior, a mayor temperatura, calentándolo.
Si invertimos el funcionamiento de un refrigerador, enfriando el aire
exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de calor. Por
esta razón la mayoría de estos aparatos son reversibles y permiten
refrigerar en verano y calefactar en invierno.La bomba de calor se suele clasificar según el medio de origen y destino de la energía de tal forma que se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio que absorbe calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). A continuación de describen algunos de estos tipos.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE: Son las más utilizadas, principalmente en climatización.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE
En este sistema, tanto la calefacción como la refrigeración del espacio acondicionado se consiguen mediante la inversión del flujo del fluido frigorífico (refrigerante con el que se carga el sistema de refrigeración) entre las baterías o intercambiadores denominados clásicamente evaporador y condensador. La inversión de este flujo se consigue mediante una válvula de 4 vías accionada mediante un termostato situado en el ambiente acondicionado.
Las baterías intercambiadoras dejan de denominarse evaporador y condensador, debido a que actúan tanto una como la otra efectuando la doble función de evaporador y condensador, dependiendo de que el equipo esté trabajando en ciclo de calor o de frío. En un equipo bomba de calor aire-aire estas baterías se denominan:
- Batería exterior: la que está efectuando las funciones de condensador en ciclo de frío y de evaporador en ciclo de calor. Está situada en el exterior del espacio acondicionado y de ahí viene su denominación.
- Batería interior: situada en el interior del espacio acondicionado actúa como evaporador en ciclo de refrigeración y como condensador en ciclo de calor.
Ambas baterías son de tubo de aleta ya que se trata de
intercambiadores aire-refrigerante debido a que el calor siempre se toma
y se cede al aire (situado dentro y fuera del espacio acondicionado),
de ahí el nombre de bomba de calor aire-aire.
Actualmente los equipos bomba de calor aire-aire son del tipo compacto
(package) o partidos (split). Sus capacidades oscilan entre las 4.500 y
20.000 frig/h y sus características fundamentales son:
- La bomba de calor de este tipo cumple la doble función de calefactar
y enfriar. En consecuencia con un solo equipo se pueden conseguir las
condiciones de confort durante todo el año.
- Las unidades tanto de calor como de frío para acondicionar un
espacio determinado se consiguen mediante una sola fuente de energía
(normalmente la eléctrica).
- El calor suministrado por el equipo en el ciclo de calor es de dos o
tres veces superior al absorbido por el equipo para su funcionamiento.
- No se precisan chimeneas ni tomas de aire para que el equipo
funcione. En consecuencia se reducen los costos de instalación.
BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE
ESFUERZOS Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Por lo general, una bomba de calor tiene tres zonas de funcionamiento dentro de las cuales los componentes de la misma están sometidos a esfuerzos importantes. Estas zonas están definidas por las condiciones ARI de 7ºC y -7ºC. El material de las bombas no solamente debe estar concebido para su trabajo en estos puntos, sino que también debe estarlo para condiciones anormales, tales como:
- Arranque en épocas muy frías.
- Tensiones de alimentación extremas.
- Averías de algún componente.
- Contaminación del refrigerante en mayor o menor grado.
Compresor El compresor es la parte fundamental de una bomba de calor. Su misión es bombear los vapores producidos en el evaporador a baja presión, y comprimirlos a alta presión. En consecuencia, la presión de alta (P.A.) y la presión de baja (P.B.) se producirán en función del sistema, de las temperaturas y de las posibles anormalidades que tengan lugar en el equipo.
Cuando las P.A. y P.B. son elevadas nos encontramos en una zona donde la potencia eléctrica consumida es importante, lo que implica que los esfuerzos mecánicos a que se someten los cojinetes, cigüeñal, válvulas, etc., son importantes.
Otra zona de esfuerzos importantes se produce con una P.A. elevada y una P.B. débil. Con esa relación de compresión, la temperatura de descarga aumenta y el caudal de fluido frigorífico es bajo. En consecuencia se produce una mala refrigeración del motor eléctrico del compresor, acelerando la destrucción del compresor por vía química.
Un equipo diseñado para funcionar solamente en ciclo de refrigeración, lo hace solamente en el exterior de las zonas de esfuerzos elevados.
Cuando acontecen situaciones anormales, tales como fuga de gas, filtros sucios, condensador sucio, falta de aire a través del evaporador o condensador, el punto de funcionamiento se sitúa entonces dentro de la zona de esfuerzos importantes y con el fin de proteger el compresor se montan las seguridades adecuadas (presostatos de alta, baja, etc.).
Compresor en ciclo de calor
Si en un equipo de refrigeración se procede a invertir el ciclo a fin de que trabaje proporcionando calor, se obtiene el siguiente diagrama de funcionamiento.
Puede verse que en este caso, el ciclo del sistema se sitúa en un punto más alejado que el tarado del presostato de baja del equipo concebido como refrigerador solamente. Las primeras bombas existentes en el mercado montaban un presostato de baja regulado para una presión mas baja que a su vez está ya situado en la zona de esfuerzos importantes (nótese que el punto ARI -7°C no está situado en la misma).
Además de los esfuerzos enumerados que solicitan a una bomba de calor, éstas están sometidas a otro esfuerzo adicional que se produce durante la formación de hielo y el ciclo de deshielo. Esta zona está situada alrededor de los 0°C. Por encima de + 7ºC no existe formación de hielo y por debajo de -7°C se deposita en muy pequeña cantidad.
Durante el ciclo de deshielo, el funcionamiento del equipo se sitúa en la zona marcada [DE]
Compruébese que tanto las zonas de formación de hielo sobre la batería exterior como la de deshielo no están situadas en lugares que se han denominado críticos. El esfuerzo que que solicita al compresor durante estos periodos es el derivado de las inversiones del ciclo y que viene motivado por variaciones de presión, temperatura y caudal de refrigerante. Por este motivo puede haber algún momento que el funcionamiento del compresor está situado en la zona de esfuerzos elevados.
En resumen, hemos encontrado tres zonas de esfuerzos.
1.º Los puntos ARI 7°C y -7°C que enmarcan perfectamente la zona de formación de hielo.
2.º Por encima de 7°C, es decir hacia los 13°C y más arriba se entra en una zona de temperaturas exteriores elevadas.
3.º Alrededor de los -15°C se encuentra la zona de temperaturas exteriores bajas.
En consecuencia una bomba de calor esta sometida a esfuerzos importantes en regiones que no quedan definidas por los puntos de medida 7ºC. y -7ºC. dentro de los cuales prácticamente todos los equipos de refrigeración funcionan correctamente. Debido a esto, es necesario que el compresor que se utilice en un equipo bomba de calor este diseñado de forma que:
- Los arrollamientos del motor están preparados para soportar temperaturas mas altas de lo habitual.
- Los elementos de protección de estos arrollamientos deben ser adecuados.
- El aceite utilizado para la lubricación del compresor debe ser adecuado para que soporte las elevadas temperaturas a que se vera sometido sin sufrir transformaciones químicas.
- La lubricación debe estar asegurada durante cualquier condición de funcionamiento asegurando la vida de todas las partes móviles y cojinetes, válvulas, válvula de inversión, válvulas de retención, etc.
El refrigerante debe mantenerse a su nivel adecuado tanto en ciclo de
verano como de invierno para evitar golpes de líquido al compresor.Actualmente, gracias a los ensayos efectuados sobre las condiciones de funcionamiento de una bomba de calor se puede disponer de compresores herméticos especialmente diseñados para trabajar en equipos bomba de calor. Se han tornado medidas tendentes a reforzar los cojinetes y dar mas superficie de paso a través de las válvulas. Los motores eléctricos disponen de un aislamiento mejor y la refrigeración del estator ha sido mejorada. Asimismo se utilizan en este tipo de compresores aceites de base mineral quo evitan una serie de problemas quo surgen cuando se utilizan aceites de refrigeración considerados estándar.
Consecuentemente, estas mejoras permiten ampliar la zona de funcionamiento del equipo.
Conclusión
La bomba de calor AIRE-AIRE es cada día mas fiable y en consecuencia cada vez mas sencilla (o viceversa).
Los compresores mas robustos precisan menos órganos de protección. Los nuevos compresores desarrollados para aplicaciones de bomba de calor son mas compactos, mas ligeros, de mantenimiento mas fácil, contienen menos aceite y refrigerante disuelto en él, son menos ruidosos, pueden funcionar dentro de unos límites de voltaje mas amplios, y resisten mejor la contaminación del circuito.
Por otro lado la tecnología electrónica permite disponer de paneles de mando de la bomba de calor donde los contáctores electromecánicos pueden reemplazarse por conmutadores electrónicos (triac) y toda la problemática del funcionamiento del equipo (protección contra funcionamiento en zonas de esfuerzos importantes tanto en alta como en baja, fallo de caudal a través de las baterías, filtros sucios, perdida de gas, temperaturas del refrigerante anormales, inicio y duración del deshielo solo cuando es realmente necesario, conexión automática del frío o el calor según necesidades del local acondicionado, puesta en funcionamiento de las resistencias complementarias cuando esta a una temperatura exterior inferior a la de equilibrio, etc.), queda resuelta de una forma sencilla y quo abarata costos de reparación.
BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA
La bomba de calor extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un circuito de agua a baja temperatura.
Es un sistema clásico de acondicionamiento de aire, que utiliza baterías frías y baterías calientes además de una "batería exterior" que se utiliza para eliminar o extraer el calor del exterior. En invierno, el evaporador de la maquina frigorífica se conecta a la batería exterior y el condensador a la batería caliente. El calor se extrae de una mezcla de aire exterior-aire de extracción que pasa por la batería y a través de la maquina eliminando sobre el aire que se introduce en el local por la batería caliente.
Este sistema se presta extremadamente bien a aplicaciones con maquinas centrifugas y a pistón. Cuando la temperatura exterior descienda por debajo de 4° C., el fluido que se hace circular a través de las baterías exteriores debe incorporar una solución anticongelante a fin de protegerlas. Asimismo debe instalarse un dispositivo de deshielo de la batería exterior.
Pueden efectuarse muchas variantes sin cambiar el principio básico de funcionamiento. Puede utilizarse una torre de agua para enfriar el agua de condensación en verano y concebirla además con baterías de aletas que puedan extraer el calor del aire exterior en invierno. Otra posibilidad es utilizar un enfriador de tipo evaporativo que funcione húmedo en verano y seco en invierno.
BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc.
BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA
Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada.
En este tipo, tanto la calefacción como la refrigeración se efectúan mediante la inversión de los circuitos de agua entre el evaporador y el condensador de una planta enfriadora de agua. Este sistema precisa de una reserva de agua que se utiliza en verano para la condensación y en invierno como fuente de calor. Puede utilizarse con estos fines agua de un grifo, de pozos, lagos, etcétera. Las maquinas de refrigeración centrifugas o a pistón son ideales para este tipo de sistema.
El cambio de la producción de frío a la de calor se efectúa gracias a un simple sistema de válvulas.
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