bombas de calor trabajo.docx

ESCUELA DE INGENIERÍA MINERA E INDUSTRIAL DE ALMADÉN.

UNIVERSIDAD DE CASTILLA- LA MANCHA.

BOMBAS DE CALOR. TERMODINÁMICA TÉCNICA. E.I.M.I.A. U.C.L.M.

ASIGNATURA:

TERMODINÁMICA TÉCNICA.

BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ

MIGUEL ÁNGEL LOZOYA MARTÍNEZ

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BEATRIZ ARTERO LAPARRA.VÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ.

MIGUEL ÁNGEL LOZOYA MARTÍNEZ.

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................3

2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES, PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS Y CICLOS TERMODINÁMICOS QUE RIGEN EL FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE CALOR..........................................................................................................4

2.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES..................................................................4

2.2. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS Y CICLOS TERMODINÁMICOS..5

2.2.1. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS CERRADOS..............................................................................................5

2.2.2. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA..........................6

2.2.4. CICLOS ESTANDAR DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR....................................................................................................................10

2.2.5. CICLO DE REFIGERACIÓN POR ABSORCIÓN...............................14

3. TIPOS DE BOMBA DE CALOR.............................................................................16

3.1. TIPO DE INSTALACIÓN..................................................................................16

3.2. TIPO DE ENERGÍA.............................................................................................17

3.3. TIPO DE CICLO QUE SIGUEN......................................................................19

3.4. TIPO DE MORFOLOGÍA DE LA BOMBA...................................................19

3.5. TIPO DE ELEMENTOS.....................................................................................20

3.5.1. BOMBAS DE CALOR AIRE-AGUA.......................................................20

3.5.2. BOMBAS DE CALOR AIRE-AIRE.........................................................20

3.5.3. BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA.....................................................21

3.5.4. BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA.....................................................21

4. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS COMPONENTES DE LA BOMBA DE CALOR....................................................................................................................................22

4.1. COMPRESOR........................................................................................................22

4.1.1. CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES......................................22

4.1.2. ELEMENTOS AUXILIARES DEL COMPRESOR..............................25

4.2. CONDENSADORES............................................................................................28

4.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS CONDENSADORES...............................28

4.3. TORRE DE REFRIGERACIÓN........................................................................29BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


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4.4. DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN....................................................................31

4.4.1. TIPOS DE DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN....................................31

4.5. EVAPORADORES...............................................................................................32

4.6. OTROS DISPOSITIVOS...................................................................................34

5. ASOCIACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR..................................................35

5.1. ENERGÍA SOLAR + BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA........................35

5.2. SUELO RADIANTE + BOMBA DE CALOR...............................................36

6. FLUIDOS REFRIGERANTES..................................................................................37

6.1. PROPIEDADES FISICAS DE LOS REFRIGERANTES...........................37

6.2. PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LOS REFRIGERANTES...38

6.3. PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS REFRIGERANTES......................48

7. APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE CALOR..............................................60

7.1. SECTOR RESIDENCIAL...................................................................................60

7.2. SECTOR TERCIARIO.........................................................................................63

7.3. CLIMATIZACIÓN DE PISCINAS...................................................................65

7.4. SECTOR INDUSTRIAL.....................................................................................65

8. EFICACIA DE LAS BOMBAS DE CALOR Y LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO..........................................................................................................69

8.1 LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO................................................................71

9. REGULACIÓN DE LA POTENCIA........................................................................73

9.1. REGULACIÓN POR TIEMPO..........................................................................73

9.2. REGULACIÓN POR TEMPERATURA DEL CALOPORTADOR..........74

9.3. REGULACIÓN POR CAUDAL.........................................................................75

10. NORMATIVA Y REGLAMENTACIÓN.............................................................76

11. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................85



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1. INTRODUCCIÓN.

Este trabajo se va a centrar en el estudio termodinámico de las bombas de

calor, que no son más que un equipo cuyo funcionamiento se basa en los

principios de la termodinámica, ya que son sistemas termodinámicos

cerrados. Su objetivo es transportar energía calorífica de un ambiente a

otro.

Siguiendo el segundo principio de la termodinámica, los motores térmicos

consumen energía térmica y producen energía mecánica, pero las

máquinas térmicas que realizan un ciclo inverso al de los motores térmicos

(máquinas refrigerantes o bombas de calor), es decir, consumen energía

mecánica y ceden calor.

Motor térmico Máquina frigorífica

Sin embargo, en ambos ciclos, la máquina es la misma aunque el objetivo

es diferente. Cuando la máquina la utilizamos para absorber calor de un

recinto se llama máquina frigorífica. Si, por el contrario, lo que hacemos es

ceder calor al recinto, la máquina se denomina bomba de calor. Y si se trata

de una máquina capaz de absorber calor en unas ocasiones y de ceder calor

en otras, se denomina bomba de calor reversible.



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2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES, PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS

Y CICLOS TERMODINÁMICOS QUE RIGEN EL FUNCIONAMIENTO DE

LAS BOMBAS DE CALOR.

2.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES.

No podemos definir bomba de calor como una máquina frigorífica que

funcione a la inversa, pero sí que el funcionamiento de la bomba de calor

sigue el mismo ciclo que una máquina frigorífica.

En este ciclo se producen intercambios de calor en los cuales intervienen los

calores latentes de evaporización y de condensación de los fluidos

utilizados. En la evaporación se sustrae energía del medio ambiente en

forma de calor que es absorbido por el fluido frigorífico, pasando del estado

líquido a estado vapor a presión constante.

En la condensación se libera energía al medio que se pretende aumentar de

temperatura mediante el paso de fluido refrigerante del estado vapor al

estado líquido a temperatura constante.

El calor cedido por el condensador será igual al calor absorbido por el

evaporador en el foco frío más el calor resultante de la transformación del

trabajo mecánico realizado por el compresor en forma de calor.

REFRIGERACIÓN: Se utiliza para mantener espacios que se quieren

acondicionar a temperatura constante.

El ciclo de Refrigeración tiene la función de

transferir calor de una fuente de baja temperatura

hacia una fuente de temperatura superior. En una

máquina térmica, el calor q1 es absorbido del foco

caliente y pasa al foco frío como q2, cediendo un

trabajo W=q1+q2. El proceso inverso no puede suceder por sí solo, ya que el

enunciado de Clausius del Segundo Principio fue:



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“No puede existir una máquina térmica de funcionamiento cíclico

que pase calor de un manantial calorífico a baja temperatura a otro

manantial calorífico a alta temperatura sin absorber un trabajo del

ambiente.”

2.2. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS Y CICLOS TERMODINÁMICOS

2.2.1. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA PARA

SISTEMAS CERRADOS

El Primer Principio de la Termodinámica es la aplicación del Principio de la

Conservación de la Energía a la energía térmica.

Consideremos un sistema cerrado que realiza un determinado proceso

durante el cual para ir desde el estado inicial 1 hasta el estado final 2

intercambia una determinada cantidad de calor con el ambiente e

intercambia, asimismo, un determinado trabajo.

El Primer Principio de la Termodinámica establece que:

“La diferencia entre el calor y el trabajo intercambiados con el

ambiente por el sistema es igual a la variación de la energía interna

sufrida por el sistema.”

du=δq−δW

∆u=q−W

Aplicando el primer principio a cada uno de los procesos, obtenemos:

PROCESOS ADIABÁTICO

En todo proceso adiabático un sistema intercambia trabajo a costa de una

variación de la energía interna del sistema.

q=0 ∆u=−W

PROCESOS CÍCLICOS

En todo proceso cíclico el trabajo intercambiado por el sistema es igual a la

cantidad de calor intercambiado por el sistema con el ambiente.

∆u=0 Q=W



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PROCESOS ISÓCOROS E ISÓBAROS

Por aplicación del Primer Principio de la Termodinámica nos queda que:

δq−δw=du δq=δw+du=du+ pdv

Si sabemos que: h=u+ pv

Por tanto, podemos expresar el primer principio como: dh=δq+vdp

2.2.2. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Hemos definido la bomba de calor como una máquina que sigue el mismo

ciclo termodinámico que una máquina frigorífica, por tanto cumple el

segundo principio de la termodinámica, tanto el enunciado de Planck como

el de Clausius:

“Toda máquina térmica de funcionamiento cíclico que esté

trabajando entre dos manantiales de calor, intercambiará una

determinada cantidad de calor con uno de los focos, intercambiará

otra determinada cantidad de calor con el otro foco e intercambiará

un trabajo útil con el ambiente que será igual a la diferencia entre

los calores intercambiados.”

Si consideramos la bomba de calor reversible, tendremos con el mismo

sistema dos ciclos que realizar, según las necesidades en cada momento.

En el caso de que lo que queramos sea ceder calor al ambiente, haremos

que la bomba siga el ciclo de un motor térmico. Si lo que queremos es

absorber el calor del ambiente, haremos que trabaje como una máquina

frigorífica:



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Por tanto la bomba de calor reversible debe cumplir el segundo principio de

la termodinámica, cuyo enunciado, se basa en la conclusión establecida

entre el enunciado de Planck y el de Clausius:

“No puede existir ninguna máquina térmica de funcionamiento

cíclico que funcione tomando calor del foco frío pase calor al foco

caliente y realice un trabajo útil.”

Por tanto, el enunciado del SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TEMRODINÁMICA

estable:

“Toda máquina térmica de funcionamiento cíclico que trabaje entre

un foco de calor caliente de temperatura T1 y otro foco de calor frío

de temperatura T2 (T1>T2), tomará una determinada cantidad de

calor del foco caliente, cederá una determinada cantidad de calor al

foco frío y realizará un trabajo útil igual a la diferencia entre el

calor absorbido del foco caliente y el cedido al foco frío.”

Toda máquina frigorífica sigue el ciclo de Carnot, pero en este caso lo hace

en sentido inverso o antihorario. Es decir, sigue el ciclo inverso al motor o

máquina térmica.



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Si hemos definido bomba de calor como una máquina cuyo ciclo

termodinámico de funcionamiento es similar al de las máquinas frigoríficas,

podemos decir, que las bombas de calor trabajan siguiendo el CICLO INVESO

DE CARNOT.

2.2.3.CICLO DE CARNOT INVERSO.



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1 – 4: Compresión adiabática reversible. (Compresor)

4 – 3: Cesión reversible de calor. (Condensador)

3 – 2: Expansión adiabática reversible. (Turbina)

2 – 1: Absorción reversible de Calor. (Evaporador)

Como el ciclo de Carnot en máquinas térmicas, en este caso también

existen problemas en su utilización:

No existe ninguna máquina compresora capaz de comprimir fluido en

estado de mezcla.

Se limita el estado termodinámico del fluido a la entrada del

compresor a vapor saturado. Produce que el proceso de rechazo de

calor ocurra a temperatura variable, por tanto es un proceso

irreversible.

No se justifica el uso de una máquina de expansión para la

disminución de la presión del fluido, ya que produciría una cantidad

de trabajo muy pequeña.

Se reemplaza la turbina por una válvula de expansión.

Se utiliza un Compresor reciproco.

Como este ciclo tiene problemas, para mejorarlos se utiliza el ciclo de

compresión.



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2.2.4. CICLOS ESTANDAR DE REFRIGERACION POR

COMPRESION DE VAPOR.

1 – 2 Compresión adiabática reversible.

2 – 3 Rechazo de Calor a Presión Constante.

3 – 4 Expansión del fluido a entalpía constante.BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


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4 – 1 Absorción de Calor a Presión Constante.

La admisión del compresor será vapor saturado seco.

T4 y T1 < Tamb

La entrada a la válvula de expansión será líquido saturado

T3 y T2 > Tamb

El coeficiente de utilización es una relación que permite conocer la

eficiencia de una Bomba de Calor.

β=|Q1||W n|

=|Q1|

|Q1+Q2|= 1

1−Q2

Q1

1≤β ≤∞

Por tanto, bomba de calor siempre tendrá ≥ 1 por tanto en el peor de los

casos funcionara como un calentador de resistencia.

2.2.4.1. MEJORAS DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR

COMPRESIÓN DE VAPOR

La temperatura a la que se cede calor debe ser lo más baja posible, de esta

manera el coeficiente de utilización será alto.

Esto lo limita la temperatura del medio ambiente.

La temperatura a la que se absorbe calor debe ser la más alta posible, para

obtener coeficientes de utilización mayores.

La temperatura nunca puede ser mayor que la del medio a refrigerar.

Mejoras en el ciclo:



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Subenfriamiento del

Condensador

β=|Q2||W n|

Si el rendimiento es contante y el

Calor del foco frío aumenta, el

coeficiente de utilización aumenta.

Compresión por Etapas.

Recordando los procesos Politrópicos. P .V n=cte

Primer principio de la termodinámica: du=Tds−Pdv

dh=du+Pdv+vdP

dh=vdP=δw

w=∫ vdP

El trabajo será el área proyectada sobre el eje de presiones.

Los compresores deben trabajar isotérmicamente para que tenga máxima

eficiencia (Consuman menos Potencia).

La compresión isotérmica no se puede lograr, la aproximamos realizando

la compresión por etapas y colocando intercambiadores de calor entre cada

etapa.

La presión intermedia para obtener máxima eficiencia será:

P∫¿=(Pent Psal)1 /2¿



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Subenfriamiento del Condensador Si

mantenemos contante el calor que

absorbemos el foco frío, y el calor que

cedemos al foco caliente es menor, la

máquina

necesita

menor

trabajo para realizar dicho proceso. Esto

queda demostrado siguiendo las

ecuaciones que se establecen para el

segundo principio de la termodinámica:

Q2=cte. y Q1 disminuye W=Q1-Q2 (disminuye)

β=|Q2||W n|

(Aumenta)

Expansión en etapas múltiples.

Se realiza la expansión en varias etapas

condensando el refrigerante en cada

expansión intermedia de manera de

aumentar QL .De esta manera se

incrementa el coeficiente de utilización.

Q2=aumenta y Q1=cte. W=Q1-Q2 (disminuye) β=|Q2||W n|

(Aumenta)

Ciclo mejorado



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Aplicando el primer principio de la termodinámica:

∑ me he+Q=∑ mshs+W

h7+(1−fm1)h3=h4+ (1−fm1 )h8W c=2W c2

Q1= ˙Qcond+ ˙Qi .c .

2.2.5. CICLO DE REFIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

La refrigeración por absorción es un medio de producir frío aprovechando la

variación de entalpía asociada al cambio de fase L↔V



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El ciclo se basa físicamente en:

Cambio de solubilidad con la temperatura: por ejemplo agua-NH3 (el

NH3 es el soluto).

La capacidad de algunas sustancias, como el bromuro de litio de

absorber otra sustancia –agua - en fase de vapor.

2.2.5.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE POR ABSORCIÓN: NH3-

AGUA

GENERADOR: La solución NH3‐H2O se lleva ebullición, por aporte calorífico

externo. El fluido refrigerante-NH3 se vaporiza y se separa del agua (presión

unos 20 bares).

CONDENSADOR: el vapor de NH3 condensa por enfriamiento con aire

ambiente exterior.

EVAPORADOR: NH3 líquido se evapora a baja presión (unos 4 bares)

absorbiendo calor del circuito de utilización (T próxima 3 ° C).

ABSORBEDOR: El vapor de NH3 es absorbido por el agua proveniente de la

separación amoniaco agua que se produjo en el generador



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El fluido que se mueve e intercambia calor es el NH3.

El agua es la sustancia absorbedora

Los ciclos termodinámicos son los inversos de Rankine o Joule

Precisa de una bomba para llevar la disolución concentrada al

evaporador

2.2.5.2. CICLO DE REFRIGERACION POR ABSORCION: BrLi‐H2O

El bromuro de litio es una sal higroscópica cuya salmuera tiene gran

afinidad por el vapor de agua que lo absorbe del aire húmedo.

Es un ciclo similar al de NH3‐AGUA, aunque en este caso el fluido que

describe el ciclo refrigerante es el agua. El ciclo básico consta de los mismos

cuatro procesos básicos: absorción de vapor de agua, evaporación de vapor

de agua, regeneración y condensación de vapor de agua.

VENTAJAS:

El absorbente es no volátil por lo que no acompaña al vapor y no se

necesita rectificador.

INCONVENIENTES:

El absorbente, no es del todo soluble en el agua para todos los

valores de presión y temperatura que pueden darse en el sistema

(precauciones para evitar la cristalización del Bromuro de Li).

Por ser el agua el refrigerante, las presiones de operación son sub‐atmosféricas.

El bromuro de litio es corrosivo.



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3. TIPOS DE BOMBA DE CALOR.

Una de las ventajas de las bombas de calor es que se pueden estratificar de

diferentes maneras dependiendo de las necesidades para las cuales van a

ser instaladas. Esta propiedad nos permite clasificarlas el tipo de

instalación, por la energía que mueve el sistema, ciclo termodinámico que

siguen y los elementos que intervienen.

3.1. TIPO DE INSTALACIÓN.

NO REVERSIBLES: Son bombas de calor de tipo refrigerante o

calefactor, es decir, solo funcionan en un ciclo. Si queremos cambiar

la selección de aire, caliente o frío, que debe salir de la bomba según

las necesidades, habrá que realizar un cambio de posición de

compuertas.

REVERSIBLES: Son bombas de calor capaces de refrigerar o calefactar

dependiendo las necesidades. En este último caso el proceso es el

mismo pero en diferentes sentidos, el refrigerante cederá o absorberá

calor dependiendo el sentido que el mismo recorra dentro del sistema

definido por la bomba de calor, esto se logra por medio de las

denominadas válvulas de 4 vías, las cuales son capaces de

redireccionar el fluido refrigerante, absorbiendo calor al interior y

cediéndolo al exterior o viceversa.

TERMOFRIGOBOMBAS: Son aquellas capaces de producir calor o frío

simultáneamente.



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3.2. TIPO DE ENERGÍA.

El tipo de energía que el sistema consume genera variables entre los tipos

de bombas de calor. Por ello podemos encontrar diferentes bombas:

BOMBAS DE CALOR MOVIDAS A GAS: En este caso, el trabajo

mecánico es generado por la implementación de gas natural.

BOMBAS DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA ACCIONADA POR

MOTOR ELÉCTRICO: Ahora es la energía eléctrica convencional la que

mueve nuestro sistema.

BOMBAS DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA SOLAR: Las bombas se mueven a través de un motor eléctrico alimentado de baterías, las cuales se cargan mediante energía solar. En el caso de no disponer de la carga suficiente generalmente las mismas recurren a la energía eléctrica como solución alternativa.



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3.3. TIPO DE CICLO QUE SIGUEN.

Las aplicaciones industriales de las bombas de calor hacen que podamos

diferenciarlas según el ciclo termodinámico de compresión que siguen.

CICLO DE COMPRESIÓN CERRADO: En este caso las bombas manejan

el fluido circulante en su interior, el cual es responsable de la

liberación o entrega de calor a temperaturas de 120º C.

CICLO DE COMPRESIÓN ABIERTO: Estas bombas de calor no requieren

calentar el fluido para lograr que mismo cambie de estado, ceda o

absorba calor, sino que el mismo es manipulado a nivel de su presión,

haciendo que a mayor presión se caliente por sí mismo

evolucionando en lo que los técnicos denominan ciclo de compresión

abierto o MVR.

3.4. TIPO DE MORFOLOGÍA DE LA BOMBA

COMPACTAS: Son aquellas en las que todos los componentes están

en la misma unidad.

SPLIT: Los componentes se separan en una unidad interior y otra

exterior, para evitar el ruido del compresor en el interior del local.

MULTISPLIT: En el interior hay varias unidades para aclimatar

diferentes locales, es decir, consta de diferentes unidades interiores.



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3.5. TIPO DE ELEMENTOS.

Por ultimo podremos estratificar las bombas de calor dependiendo los

elementos que intervienen en el intercambio calórico:

3.5.1. BOMBAS DE CALOR AIRE-AGUA.

Absorben el aire del ambiente y generan un intercambio entre el mismo y el

agua, restando calor al ambiente y entregándoselo al líquido.

El funcionamiento se basa en la absorción de calor del ambiente y cederlo al

agua. El aire es absorbido hacia la bomba por medio de sistemas de succión

y trasladado al interior de la misma, allí el sistema implementado por la

bomba de calor absorberá el calor entregándolo al agua que también

circula por la misma. En el interior de la bomba el refrigerante cambiara de

estado mediante un evaporador y un condensador, mientras su presión

varía y se mantiene constante, controlando la liberación o entrega de calor

al agua circulante.

3.5.2. BOMBAS DE CALOR AIRE-AIRE.

Puede aprovechar el intercambio entre dos elementos iguales generando la

cesión o absorción de calor entre un recinto cerrado y el exterior.

Normalmente son las que encontramos como equipos de climatización.

Esta bomba dispone dentro de su sistema de un conjunto de implementos

que manipulan el refrigerante, haciendo que el mismo varié de estado

absorbiendo o cediendo calor del ambiente según sea convenido por el

usuario.

El sistema permite disponer de un evaporador y un condensador,

responsables de la variación del estado del refrigerante, la presión por otra

parte es ejercida por un compresor de manera controlada entrega el

refrigerante a la presión determinada.



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Todo este sistema en contacto con el ambiente genera el intercambio con el

mismo modificando y aclimatando los espacios.

3.5.3. BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA.

En estos casos es necesaria la existencia de aguas subterráneas con

temperaturas entre 7 º C y 12 º C todo el año. El funcionamiento de la

bomba es intercambiar calor entre el agua subterránea y la red de agua de

la casa.

La bomba de calor agua-agua tiene un refrigerante en su interior, el cual

sufre cambios en presión y temperatura, lo que permite al refrigerante en

cada estado absorber o ceder calor. El refrigerante absorbe calor del agua

de manantial, rio o arroyo y cederá calor al interior del sistema de agua que

debe calentar. En este punto no se hace una unión de masas, sino que se

produce un intercambio de calor.

3.5.4. BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA.

Absorben el calor contenido en el subsuelo cediéndolo al ambiente que se

quiera climatizar. Estos equipos requieren de grandes dimensiones y una

compleja instalación, sin embargo generan mayor rentabilidad que

cualquier a cambio de un precio mucho mayor y unas condiciones más

restrictivas.

La bombas de calor tierra aire o tierra agua, aprovechan el calor generado

durante el día y acumulado en el suelo, absorbiendo el calor por medio de

un circuito de agua con glicol, esta sustancia cuentan con un elevado punto

de ebullición y un bajísimo punto de fusión -12 °C, lo que convierte a esta

sustancia en ideal para los sistemas de refrigeración como la automotriz

donde es empleado como anticongelante



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Este es un medio efectivo algunas exigencias la convierten en inviable para

ya que necesitan un rango de acción de grandes dimensiones ya que la

bomba absorbe calor de la tierra en varios punto, y son utilizadas cuando

las temperaturas en el exterior son extremas y las bombas aire-aire o aire-

agua son ineficientes.

El funcionamiento, una vez absorbido el calor, es similar al de otras bombas,

intercambiando calor entre un elemento y otro por medio de la

manipulación refrigerantes que absorben y ceden calor.

4. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS COMPONENTES DE LA BOMBA

DE CALOR.

Dentro de los equipos que forman las bombas de calor, encontramos:

4.1. COMPRESOR

En las bombas de calor, el equipo más importante es el compresor. Este

equipo genera un consumo energético elevado y en sí mismo es el más

costoso.

El condensador es el cambiador de calor en donde el refrigerante cede calor

al ambiente, desprendiéndose de la entropía que absorbió de la carga fría

más toda la generada en su circuito. La solución más simple de cambiador

fluido-aire es poco eficiente porque el aire tiene muy poca transmitancia

térmica, y aumentarla forzando el flujo de aire es costoso y genera ruido.

La compresión requiere energía mecánica, por lo que es necesario el

consumo energético. El equipo debe ser estanco al aire para evitar que haya

un intercambio entre el aire en condiciones ambientales y el fluido que

circula por el compresor. Dicho fluido refrigerante no es el mismo para todos

los equipos, sino que dependiendo del compresor a instalar, habrá que

elegir en refrigerante que sea apto para el mismo.



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Dentro de los compresores existen multitud de clasificaciones, debiendo

elegir aquel equipo que más se ajuste a las necesidades de la instalación.

4.1.1. CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES

POR EL MODO DE ACCIONAMIENTO

o Eléctricos (habitual)

o Gas (compañías de

gas)

o Motor diesel

o Turbina …

POR LA SEPARACIÓN ENTRE COMPRESOR Y ACCIONAMIENTO

o Herméticos (eléctricos, pequeña potencia)

o Semiherméticos

o Abiertos (sin interacción de averías)

POR EL MODO DE COMPRESIÓN

o ALTERNATIVOS (reciprocantes)

La presión se ajusta.

Vibraciones.

2 válvulas.

Flujo pulsante.

Comportamiento conocido.

La capacidad se puede regular

descargando algún cilindro.



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o ALTERNATIVOS LINEALES (con dos cámaras)

o ALTERNATIVOS DE PISTONES RADIALES

Con una única entrada/salida por pistón

o ROTATIVOS

De paletas.

Silenciosos.

Sin válvula de admisión.

Sensibles golpe de líquido.

Débil estanqueidad (bajas relaciones de compresión).

De rodillo.

Silenciosos

Sin válvula de admisión

Sensibles golpe de líquido

Débil estanqueidad (bajas relaciones de

compresión).

Swing.

De tornillo.



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De doble tornillo.

Macho-hembra

Sellado con aceite

Sin válvulas

Relación de compresión fija

Regulación de capacidad

Inyección de vapor frío

De tornillo simple (triple tornillo)

Tornillo y dos satélites

Control de capacidad (anillo)

Scroll (I):

Dos volutas en forma de espiral

Varias cámaras enfrentadas

Flujo continuo

Sin válvulas

Relación de compresión fija

Regulación de capacidad con varias lumbreras de descarga

Necesita válvula anti retorno

El sellado no soporta toda la diferencia de presión

Resistente a la entrada de líquido

Engranajes:

Dos engranajes, uno accionado

Axiales:

Baja relación de compresión

Grandes volúmenes

Centrífugos:

Baja relación de compresión

Grandes volúmenes



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4.1.2. ELEMENTOS AUXILIARES DEL COMPRESOR

REFRIGERACIÓN DEL COMPRESOR

Con la aspiración.

Dos etapas.

Refrigeración externa.

P∫¿=√Pmax x Pmin¿

LUBRICACIÓN DEL COMPRESOR

Carcasa es el cárter, visor.

Mezcla aceite-refrigerante.

Resistencia eléctrica.

Pendientes descendentes.

Sifones.

Filtros y separadores.

Botella antigolpe de líquido.

VIBRACIONES Y RUIDOS

Dispositivos internos.

Dispositivos externos.

Silenciadores.

Uniones flexibles.

Amortiguadores.

Bancadas.



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SISTEMAS DE SEGURIDAD

Presostato de máxima.

Presostato de mínima.

Válvula de seguridad interna.

Válvula de seguridad externa.

Fusible (de presión).

Presostato de aceite.

Nivel de aceite.

Protector térmico.

CONTROL DE LA CAPACIDAD DEL COMPRESOR (ajustar la producción

del compresor a las necesidades)

o Control todo-nada.

o Capacidad regulable: en escalones o en continuo.

Se puede utilizar cuando existen varias instalaciones o cuando en la misma

instalación se producen varias solicitaciones a lo largo del día. Una de las

ventajeas es que facilita la puesta en marcha al reducir la carga de

arranque.

o En los multicilíndrico se puede descargar uno o más cilindros,

desplazando la válvula de aspiración.

o En los compresores de tornillo y los scroll, la regulación en

continuo, (10%-100%), variando el punto donde comienza la

compresión.

o Un modo adaptable es accionar con un motor de velocidad

variable.

o Un modo en escalones es utilizando varios compresores en

paralelo (tándem), aumenta la fiabilidad.

CENTRALES FRIGORÍFICAS:



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Instalación de varios compresores en paralelo:

o Aumenta la fiabilidad.

o Disminuye la potencia instalada. (factor simultaneidad).

Preferible combinar equipos de distintas capacidades (1-2-4-8, etc.).

Hay que tener especial cuidado con el aceite de lubricación, ya que el

retorno no se reparte por igual, requiere de tubería de equilibrado.

SELECCIÓN DE LOS COMPRESORES

o Estudiar el número y tamaño idóneos de las unidades compresoras.

(la parcialización de la carga de un compresor siempre supone

pérdida de C.O.P)

o Selección de equipos de alto rendimiento, haciéndoles funcionar en

su punto óptimo o próximo a este, estudiando las cargas parciales.

o En cada régimen de trabajo estudiar la relación de compresión.

Cuanto menor sea más eficientemente es el sistema.

o La combinación de equipos de diferente tecnología puede producir

unos rendimientos energéticos muy altos.

4.2. CONDENSADORES

Son los intercambiadores de calor, donde el refrigerante, vapor a alta

presión y temperatura, se licua liberando calor a un medio exterior más frío

(aire o agua). Este proceso se hace sin pérdida de presión teórica y con un

tamaño suficiente.



30


Para el funcionamiento del condensador sea el adecuado, es necesario que

esté limpio, para ello se colocan filtros de aire o agua para impedir que se

ensucie. Tanto la temperatura

del aire como la del agua deben

ser lo más bajas posibles.

Se suele colocar el condensador

junto al compresor, para

aprovechar la refrigeración del

condensador para refrigerar

también el compresor.

Subenfriamiento: asegurar la completa condensación del refrigerante

(mejora la etapa de expansión, evita ruidos y desgastes).

Si es excesivo disminuye el aprovechamiento del condensador. (Calor

latente > calor sensible).

4.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS CONDENSADORES

SEGÚN EL MEDIO QUE ABSORBE EL CALOR DEL REFRIGERANTE

o CONDENSADORES DE AIRE:

Tubo, aletas, ventilador en flujo cruzado

Compacto (tamaño)

Varios en paralelo (limitar pérdidas de carga)

Transposición (idénticas condiciones a la salida)

o CONDENSADOR DE AGUA, EL TAMAÑO NECESITADO ES MENOR

Intercambiador (en contracorriente, válvula presostática)

De inmersión (acumulador)

Evaporativo (pulverizar agua)

o CONDENSADOR MIXTO (COMBINANDO LOS DOS ANTERIORES)



31


Menor consumo de agua

Aire o agua en función de la demanda

Tras la condensación, con el agua calentada se puede almacenar para

utilizarla posteriormente, utilizarla directamente o verterla a la red (agua

perdida). Por último, existe la posibilidad de dejarla enfriar en una torre de

refrigeración para su posterior uso.

P < 300 kW es recomendable condensación por aire

P > 300 kW es recomendable condensación por agua

4.3. TORRE DE REFRIGERACIÓN

Las torres de refrigeración son sistemas mecánicos destinados a enfriar

masas de agua en procesos que requieren una disipación de calor.

El principio de enfriamiento de estos equipos se basa en la evaporación, el

equipo produce una nube de gotas de agua bien por pulverización, bien por

caída libre que se pone en contacto con una corriente de aire. La

evaporación superficial de una pequeña parte del agua inducida por el

contacto con el aire, da lugar al enfriamiento del resto del agua que cae en

la balsa a una temperatura inferior a la de pulverización.

TORRES DE REFRIGERACIÓN ABIERTAS



32


TORRES DE REFRIGERACIÓN CERRADAS

TORRES DE REFRIGERACIÓN HÍBRIDAS (parte

seca y otra evaporativa)

4.4. DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN



33


Asegurar la alimentación de refrigerante al evaporador en las condiciones

de temperatura y presión apropiadas, de modo que se aproveche la

totalidad del evaporador (recalentamiento justo).

Produce una gran pérdida de presión una evaporación de parte del

líquido

No existe intercambio térmico (no hay área) Descenso de

temperatura

4.4.1. TIPOS DE DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

VÁLVULA DE EXPANSIÓN FIJA:

o Son un orificio de tamaño fijo

o Sin posibilidad de regulación

o Pequeñas instalaciones de funcionamiento conocido

VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICA:

o Son un orificio (regulable) que separa dos cámaras

o Tienen un juego de presiones en una membrana entre un

muelle y la presión

de mínima.

o Logran una presión

de mínima cte.

Patmosférica+P fija=Pregulable+Pmínima

VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA

Añaden un bulbo, que realimenta en presión la

temperatura de salida del evaporador

(recalentamiento).



34


Pueden tener varias salidas (evaporadores de aire en paralelo)

Compensador de presiones (grandes evaporadores)

Punto de funcionamiento: corte de la válvula con el evaporador (evitar

inestabilidades)

VÁLVULA DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICAS:

Sensores de p y T: de pulsos o modulantes

TUBOS CAPILARES:

o Longi

tud

de

0,5 a

5 m

o f de

0,6 a

2,3

mm

o Selección con experiencia y prueba y error

o Pequeñas máquinas de funcionamiento fijo y conocido

o Bajo coste

o No cierran en las paradas

4.5. EVAPORADORES

El evaporador es un cambiador de calor donde el refrigerante entra en

estado de vapor, recibe el calor de del refrigerante, y debe salir

completamente seco (sin parte líquida) o incluso un poco sobrecalentado

para asegurarse de que en ningún caso entrara en fase líquida en el

compresor (que podrían dañarlo por erosión e incluso por sobrepresión

debido a los pequeños espacios muertos en los de émbolo)

Debe tener tamaño suficiente y provocar la mínima pérdida de presión

posible.



35


Siendo extenso el campo de aplicaciones del frío existen multitud de tipos

de evaporadores, variando por su forma, construcción y aplicación.

Las aplicaciones de los evaporadores son:

Enfriamiento de aire: tubo con aletas

Enfriamiento de agua: intercambiador de placas o de tubos (peligro

de congelación)

Serpentín sumergido en un tanque

Para formación de hielo (placa sobre la que se rocía agua, y luego se

desprende)

Asegurar la completa evaporación del refrigerante: Recalentamiento

(evita líquido en el compresor)

Si es excesivo aumenta el consumo del compresor: aumenta el

volumen del vapor y trabaja con fases isoentrópicas con menor

pendiente.

4.5.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS SISTEMAS DE

FUNCIONAMIENTO DEL EVAPORADOR

A. SISTEMA HÚMEDO O INUNDADO: el evaporador casi totalmente lleno

de líquido

B. SISTEMA SECO: contiene la cantidad de refrigerante liquido

absolutamente necesaria, reduciendo al mínimo la cantidad de refrigerante

en el sistema, es el sistema más empleado

C. SISTEMA SEMI-INUNDADO: una variante del seco, son tubos

conectados en paralelo a unos colectores distribuidores.



36


4.6. OTROS DISPOSITIVOS

VÁLVULAS

La válvula es simplemente un estrangulamiento en el circuito del

refrigerante que permite mantener la diferencia de presión entre el

condensador y el evaporador, aunque a ella van ligados los dispositivos de

autorregulación necesarios para mantener la densidad a la entrada del

compresor constante frente a las variaciones del flujo de calor de la carga.

o VÁLVULAS DE 4 VÍAS

Se encarga de invertir el flujo del refrigerante. Las conexiones de las

tuberías:

Superior: descarga

Enfrentada: aspiración

Otras: las dos unidades

Pilotada eléctricamente: Se acciona por la presión del refrigerante.

TERMOSTATOS

Control de encendido y apagado por temperatura (banda de regulación,

histéresis)



37


o Tª. diferencial

o Tª. ambiente

o Tª. Ambiente con desescarche semiautomático

o Tª. Anticongelación

5. ASOCIACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR.

Estas máquinas son combinables con diferentes sistemas de generación de

calor como calderas y captadores solares.

Sistemas de hibridación:

Gas + bomba de calor aire-agua

Gasoil + bomba de calor aire-agua

Bomba de calor aire-agua, tierra-agua + solar térmica

5.1. ENERGÍA SOLAR + BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA

Los captadores solares calientan el acumulador de inercia, donde la parte

superior está destinada a almacenamiento de agua caliente. El módulo de

agua caliente la utiliza para generar ACS. El resto de la energía que queda

en el acumulador se utiliza para calentar el edificio.

El calentamiento a través de la bomba de calor se realiza cuando no queda

más energía solar en el acumulador para cubrir la demanda del edificio. La

bomba de calor proporciona solo la energía necesaria. La generación de

energía se hace a través de la tecnología punta de compresor modulante.



38


La energía para descongelación es principalmente renovable y gratuita,

tomada del acumulador solar.

5.2. SUELO RADIANTE + BOMBA DE CALOR

La bomba de calor tipo aire-agua es el aparato ideal para una instalación de

suelo radiante ya que permite la integración de la calefacción y la

refrigeración en un mismo aparato.

La bomba de calor aire-agua, es una máquina cuyo propósito es el de

refrigerar y/o calentar un líquido, generalmente agua, mediante el cual se

climatiza una instalación.

Este sistema permite disponer de temperaturas independientes en cada uno

de los locales climatizados y con ello obtener el mayor confort a la vez de

conseguir el consumo más ajustado.



39


6. FLUIDOS REFRIGERANTES.

Existen un gran número de refrigerantes, cada uno de los cuales se

empleará en función de sus características para distintas aplicaciones. Con

la preocupación creciente hacia el mantenimiento del medio ambiente,

algunos fluidos refrigerantes han sido prohibidos y otros tienen un plazo

determinado para dejar de ser utilizados. Todos ellos tienen o tendrán un

sustituto de prestaciones similares.

A la hora de elegir un refrigerante no sólo se debe pensar en su capacidad

de realizar con alta eficiencia el ciclo termodinámico correspondiente,

sino que hay que tener en cuenta las consecuencias que para el medio

ambiente pueda tener. En otras ocasiones resulta fundamental prever las

consecuencias que pueda tener el poner en contacto el refrigerante

con el producto que se refrigera.

6.1. PROPIEDADES FISICAS DE LOS REFRIGERANTES



40


Debido a la amplia gama de condiciones de funcionamiento no existe el

refrigerante que cumpla todas las exigencias y su idoneidad dependerá del

grado en que sus propiedades se acerquen a las exigencias concretas de

utilización.

Las propiedades físicas más importantes que se deben tener en cuenta a la

hora de elegir un refrigerante para una determinada instalación son las

siguientes:

Tensión de vapor.

La curva de tensión de vapor refleja el equilibrio entre el fluido

frigorígeno en estado líquido y estado gaseoso. De esta curva se

obtendrán las presiones y las temperaturas de evaporación y de

condensación a las que tendrá que trabajar el fluido.

Relación de compresión.

Indica la relación entre la presión de salida y la de entrada de un compresor.

Muestra la capacidad de compresión que debe tener el compresor para

suministrar el fluido en las condiciones necesarias. Debe ser pequeña,

pues la eficacia volumétrica varía inversamente con la relación de

compresión.

Calor latente de vaporización.

Es recomendable un alto valor de calor latente, pues será mayor la cantidad

de calor absorbida por unidad de masa, es decir, será mayor la producción

frigorífica específica. Será menor el caudal másico de fluido en circulación

necesario y permitirá utilizar equipos más pequeños y compactos,

reduciendo la potencia consumida.

6.2. PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LOS REFRIGERANTES

6.2.1. PRESIÓNBEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


41


Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son

extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con

presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como

en el evaporador, deben ser superiores a la presión atmosférica. Si la

presión en el evaporador es negativa, es decir, que se esté trabajando en

vacío, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el

refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible,

pero ligeramente superior a la presión atmosférica.

Por otra parte, la presión de condensación debe ser lo suficientemente baja,

ya que esto determina la robustez del compresor y del condensador.

Mientras más alta sea la presión, se requiere un equipo más robusto, y por

lo tanto, más caro.

6.2.2. TEMPERATURA

Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que

deben ser consideradas al hacer la selección. Estas son: la de ebullición, la

crítica y la de congelación.

La temperatura de ebullición de un refrigerante, siempre es referida a la

presión atmosférica normal de 101.3 KPa. Se puede decir, que el

punto de ebullición de cualquier líquido, es la temperatura a la cual su

presión de vapor es igual a la atmosférica.

El punto de ebullición de un refrigerante debe ser bajo, para que aun

operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el

evaporador.

Como ya se sabe, existe una relación directa entre la temperatura de

ebullición y la presión; es decir, el punto de ebullición se modifica al cambiar

la presión. Si se selecciona una presión conocida, se llega a una

temperatura deseada.



42


Qué presión seleccionar, es lo que provoca que surjan muchos argumentos

entre los diseñadores de evaporadores y compresores. Para que opere

eficientemente un compresor (pero no necesariamente el sistema

completo), es deseable tener en el evaporador la presión más alta posible.

Para los diseñadores de evaporadores, lo más deseable es que operen a

la presión más baja posible, para aprovechar al máximo la unidad con

un mínimo de tamaño y costo. Así que, para ambos, la presión

adecuada para la ebullición del refrigerante, es un punto en el cual es

necesario transigir. Si el evaporador es muy grande, la temperatura estará

por encima de la normal y si el evaporador es muy pequeño, la

temperatura estará por debajo de la normal.

El evaporador debe tener una temperatura más baja que la que se desea

tener en el espacio refrigerado (se necesita una diferencia de

temperaturas para que exista el flujo de calor).

Otra temperatura a considerar cuando se selecciona un refrigerante, es

la temperatura crítica, sobre todo para el diseño del condensador, ya

que ningún vapor se condensa a una temperatura mayor de la crítica,

aunque la presión sea muy grande.

Por otra parte, la temperatura de congelación de un refrigerante, debe

ser más baja que la temperatura del evaporador. No se puede utilizar un

refrigerante que se congele a la temperatura de trabajo del evaporador.

Aunque esto no representa un problema, ya que la mayoría de los

refrigerantes tienen temperaturas de congelación muy bajas.

6.2.3. CURVA PRESIÓN – TEMPERATURA

Sabemos que el agua hierve a 100°C en un recipiente abierto, a la presión

atmosférica normal de 101.3 KPa. En un recipiente cerrado, donde se

puede controlar la presión, se puede cambiar el punto de ebullición. Si se

incrementa la presión en el recipiente, también se incrementa el punto de

ebullición. Si se disminuye la presión, se disminuye también la temperatura

de ebullición del agua. Este mismo principio se aplica a todos los

líquidos.BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


43


El trabajo de refrigeración se tiene que tratar con refrigerantes en sistemas

cerrados, a presiones variables. Si se controlan estas presiones, se

controlan las temperaturas del refrigerante en diferentes puntos del

sistema. Por lo tanto, se puede lograr que hierva el refrigerante a baja

temperatura en un punto (disminuyendo su presión), y que después, se

condense a alta temperatura en otro punto (aumentando su presión).

Para cualquier líquido, la temperatura a la que se lleva a cabo la ebullición,

se conoce como "temperatura de saturación", y su presión

correspondiente, se conoce como "presión de saturación".

Las relaciones de presión y temperatura, se pueden graficar en escalas

normales o en escalas logarítmicas. Estas últimas proporcionan una

lectura con razonable precisión, tanto en bajas como a altas presiones.

Al utilizar estas gráficas, es necesario tener presente varias cosas:

La temperatura del refrigerante en el evaporador, es

aproximadamente de 4 a 7°C más fría, que la del evaporador cuando

está trabajando el compresor.



44


Cuando el compresor no está trabajando, la temperatura del

refrigerante en el evaporador, es la misma que la del evaporador.

La temperatura del refrigerante en un condensador enfriado por

aire, está entre 17 y 19°C más caliente que la temperatura ambiente.

La temperatura del refrigerante en un condensador enfriado por

agua, es aproximadamente 10°C más caliente que el agua de la

salida.

La temperatura del refrigerante en el condensador, será

aproximadamente la misma que el medio de enfriamiento, en un

periodo de tiempo de 15 a 30 minutos posterior al apagado de la

unidad.

Las tablas de presión-temperatura son muy valiosas en lo que se refiere a

los puntos de saturación, pero tienen sus limitaciones: un líquido apartado

de su vapor puede enfriarse por debajo de su temperatura de saturación

(líquido subenfriado). Un vapor apartado de su líquido puede calentarse

por encima de su temperatura de saturación (vapor sobrecalentado).

Un líquido no puede sobrecalentarse, pues herviría; y un vapor no puede

subenfriarse, ya que se condensaría.

Estas correspondencias de presión-temperatura de saturación, sólo son

válidas cuando el líquido y el vapor están en contacto uno con otro. Esta

condición existe en el evaporador y en el condensador. También existe

en tanques de refrigerante que no están totalmente llenos de líquido. El

vapor está, entonces, sobre el líquido.

El refrigerante líquido en el tanque recibidor o en la línea de líquido, puede o

no estar subenfriado. El vapor de succión que entra al compresor debe estar

sobrecalentado, es decir, más caliente que en el evaporador. La

temperatura del gas en la descarga del compresor, está sobrecalentada, es

decir, más caliente que la temperatura de condensación.

6.2.4. VOLUMENBEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


45


Cuando se comparan densidades de gases, es común expresarlas en

volumen específico. El volumen específico de un refrigerante en fase vapor

es el volumen en metros cúbicos (m³) o en litros (l) que ocupará un

kilogramo de refrigerante a condiciones normales; esto es, a una

temperatura de 20°C y a la presión atmosférica de 101.3 KPa.

En una bomba de calor, al agregar calor al refrigerante, aumenta su

temperatura y su volumen específico, pero su presión permanece

constante; ya que, en el evaporador, en la línea de succión y en el

condensador, la temperatura de saturación es lo que controla la presión del

vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del

refrigerante, disminuye su volumen específico.

A excepción del R-170 y del R-717, los demás refrigerantes tienen un

volumen específico en fase líquida menor a 1.0 l/kg; aunque este valor no

tiene gran importancia. El valor que es de más utilidad en trabajos de

refrigeración, es el volumen específico en fase vapor. Este valor es el

volumen en litros que ocupa un kilogramo de refrigerante al pasar de

líquido a vapor. Este valor debe ser lo más bajo posible, ya que de este valor

dependerá el desplazamiento volumétrico del compresor.



46




47




48


FIGURA RELACION PRESIÓN-TEMPERATURA DE VARIOS REFRIGERANTES

6.2.5. ENTALPÍA

Es la propiedad que representa la cantidad total de energía térmica o

contenido de calor en un fluido. Sus unidades son kcal/kg. Para la mayoría

de los refrigerantes, se considera que su entalpía es cero a una temperatura

de saturación de -40°C. Entonces, el calor agregado o sustraído de un

refrigerante, desde ese punto, se considera que es su entalpía total. En la

mayoría de los trabajos de transferencia de calor, se manejan los cambios

de entalpía que ocurren durante un proceso.

6.2.5.1. Entalpía del Líquido Saturado (hf).

Este valor es la cantidad de kilocalorías por cada kilogramo de

refrigerante líquido saturado, es decir, el líquido que se encuentra a su

temperatura de saturación.

Este contenido de calor del líquido, es calor sensible basado en la

suposición de que el líquido saturado a - 40°C, no tiene calor sensible. Esto

no es cierto, aunque esta afirmación no es real, pues por debajo de esa

temperatura, el líquido sigue teniendo algo de calor.

6.2.5.2. Entalpía de Evaporación (hfg).



49


Esta es la cantidad de calor que requiere un kilogramo de líquido, para

cambiar a un kilogramo de vapor a temperatura constante. Este valor

también se le conoce como "calor latente de evaporación".

En los sistemas de refrigeración, este cambio de estado de líquido a vapor,

ocurre en el evaporador. El cambio de contenido de calor o entalpía

resultante, se puede considerar como el trabajo teórico que puede realizar

el refrigerante.

Es preferible que un refrigerante tenga un valor alto de calor latente de

evaporación, ya que esto es lo que hace posible la refrigeración. Mientras

mayor sea este valor, se requerirá circular menos cantidad de refrigerante.

El calor latente de evaporación es una propiedad muy importante de un

refrigerante, pero se vuelve más importante aun cuando se convierte en

"efecto de refrigeración". Este es el trabajo real producido por un

refrigerante dentro del sistema de refrigeración. Es el calor absorbido, que

da como resultado un enfriamiento útil. Puede determinarse conociendo la

entalpía del refrigerante líquido cuando entra al evaporador, y la entalpía

del vapor de refrigerante que sale del evaporador. La diferencia entre estos

dos valores, es el trabajo real producido o "efecto de refrigeración".

6.2.5.3. Entalpía del Vapor Saturado (hg).

Un líquido antes de hervir, tiene calor sensible. Cuando está en ebullición,

adquiere además, calor latente. Entonces, el calor total del vapor saturado,

debe ser igual a la suma del calor sensible del líquido, más el calor latente

de evaporación. Esto se expresa de la siguiente manera:

hg=h f+h fg



50


La entalpía del vapor saturado, equivale a la suma de la entalpía del

líquido más el calor latente. La entalpía del vapor saturado representa el

contenido total de calor del vapor saturado del refrigerante en un

evaporador, antes de ser sobrecalentado; es decir, antes de ser calentado

por encima de la temperatura del evaporador. Si en un sistema de

refrigeración la temperatura de evaporación es menor de -40°C, entonces,

los valores de entalpía del líquido deberán restarse del calor latente,

para poder obtener el valor del calor del vapor, ya que los valores del

líquido muestran un signo "menos" (-).

6.2.6. DENSIDAD

La densidad de un fluido, puede definirse como su peso por unidad de

volumen. Las unidades en que se expresa esta propiedad, son comúnmente

kg/m³ o puede utilizarse también kg/l.

La mayoría de los refrigerantes en estado líquido, tienen una densidad más

alta que el agua. La densidad de cada refrigerante varía con la temperatura.

Puesto que por regla general, los líquidos se expanden al calentarse, su

densidad a altas temperaturas es menor que a bajas temperaturas.

Los valores del volumen específico de un refrigerante (y en general de

cualquier fluido), son el valor inverso de los valores de la densidad.

Los valores de la densidad tienen algunas aplicaciones útiles para cálculos

de ingeniería, mayormente la densidad en fase líquida. La densidad en fase

vapor es útil en problemas que involucran al evaporador, la línea de succión

y el condensador. La densidad en fase líquida se utiliza, entre otras cosas,

para calcular la capacidad de cilindros o tanques recibidores.

La densidad del vapor de cada refrigerante también varía con la

temperatura. Sin embargo, hay una diferencia importante: la densidad

del vapor saturado aumenta al subir la temperatura, mientras que la

densidad del líquido, disminuye al aumentar la temperatura.



51


Esta es la razón principal por la que un sistema de refrigeración tiene

mayor capacidad con un evaporador a 4°C, que con un evaporador a -18°C.

El vapor saturado a 4°C está más del doble denso que el vapor saturado a -

18°C; por lo que en un cilindro de compresor el vapor a 4°C pesa más del

doble que a -18°C. Consecuentemente, en el compresor circula más del

doble de refrigerante, resultando más del doble de capacidad.

6.2.7. ENTROPIA

La entropía puede ser la magnitud física termodinámica que permite medir

la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. Esto quiere

decir que dicha parte de la energía no puede usarse para producir un

trabajo.

La entropía es un término aplicado generalmente al proceso de compresión.

Un proceso de compresión ideal, seguiría una línea de entropía constante en

el diagrama de presión-entalpía (diagrama de Mollier).

Al igual que las otras propiedades termodinámicas de los refrigerantes,

también se tienen en la tabla valores para el líquido y para el vapor a

intervalos de temperaturas. Al igual que para la entalpía, el valor de

entropía de un refrigerante líquido a -40°C, es 0, y los valores que

realmente importan, son los cambios de entropía desde una temperatura de

saturación a otra.

El cambio de entropía es una medida de la energía no disponible, que

resulta del cambio de propiedades de un refrigerante.

El cambio de entropía, es la suma de todos los incrementos diferenciales de

calor (kcal/kg), divididos por la temperatura absoluta en K existente, en el

momento que cada incremento diferencial se haya añadido o sustraído, de

aquí que sus unidades son Kcal/(kg)(K).



52


No tenemos que entender la entropía para utilizarla. En la mayoría de los

compresores de alta velocidad, no hay un cambio de entropía apreciable

durante la compresión. Así pues, si se conoce la entropía al inicio de la

compresión, y si se conoce la presión de descarga, se pueden encontrar las

propiedades del vapor de la descarga en las tablas de propiedades del

vapor sobrecalentado.

La entropía, es pues, una relación que describe la energía relativa en el

refrigerante, y se determina dividiendo la cantidad de calor en el líquido

o en el vapor, por su temperatura absoluta.

La entropía no se utiliza mucho en trabajos en el campo, pero es muy útil en

combinación con el diagrama de Mollier para estimar la temperatura de

descarga del compresor.

PROPIEDADES TERMODINAMICAS GAS R-22 EN CONDICIONES DE SATURACIÓN

6.3. PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS REFRIGERANTES

No debe ser tóxico ni venenoso



53


Puesto que los refrigerantes son manejados por muchas personas, desde el

fabricante, al distribuidor hasta el usuario, no deben representar ningún

peligro. La mayoría de los refrigerantes sintéticos (hechos por el hombre, no

encontrados en la naturaleza) no son tóxicos, y el riesgo es muy leve o

prácticamente inexistente. Sin embargo, hay algunos refrigerantes que son

realmente dañinos al hombre, aún en pequeñas concentraciones. En altas

concentraciones en el aire, cualquier refrigerante puede causar asfixia,

debido a que desplazan el aire y crean insuficiencia de oxígeno. La

magnitud del daño depende de la concentración de refrigerante, su

naturaleza y del tiempo que se esté expuesto a él.

No debe ser explosivo ni inflamable

Los refrigerantes varían extremadamente en cuanto a su facultad para

arder o soportar la combustión.

Existe una clasificación de refrigerantes en tres grupos de acuerdo a su

grado de inflamabilidad o explosividad:

o Grupo Uno.

Los refrigerantes en este grupo pueden utilizarse en cantidades mayores

en cualquier instalación. Las cantidades permisibles son especificadas

por la American Standard Safety Code for Mechanical Refrigeration.

Estas cantidades son:

a. Hasta 9 Kg. en cocinas de hospitales.

b. Hasta 23 Kg. en concurrencias públicas.

c. Hasta 23 Kg. en uso residencial (si se toman

precauciones).

d. Hasta 9 Kg. en sistemas de aire acondicionado

residencial.

Algunos refrigerantes del Grupo Uno son:

R-11* Tricloromonofluorometano.



54


R-12* Diclorodifluorometano.

R-22 Monoclorodifluorometano.

R-500 Mezcla azeotrópica de R-12 (73.8 % ) y R-152ª (26.2%).

R-502 Mezcla azeotrópica de R-22 (48.8 %) y R-115 (51.2%).

R-503 Mezcla azeotrópica de R-23 (40.1 %) y R-13 (59.9%).

R- 744 Bióxido de carbono.

* El R-11 y el R-12, junto con otros clorofluorocarbonos (CFC's), están en

proceso de desaparición, ya que existe evidencia de que dañan la capa de

ozono estratosférica.

o Grupo Dos.

Los refrigerantes de este grupo pueden ser ligeramente inflamables,

independientemente de que sean o no tóxicos.

Algunos refrigerantes de este grupo son:

R-717 Amoníaco.

R-40 Cloruro de metilo.

R-764 Bióxido de azufre.

El amoníaco fue uno de los primeros refrigerantes utilizados, y en la

actualidad, se emplea solamente en grandes instalaciones industriales y en

algunos refrigeradores de absorción.

El R-40 y el R-764 ya no se usan en la actualidad. En un tiempo, el bióxido

de azufre era el refrigerante más utilizado en refrigeradores domésticos.

Aún existen algunas unidades trabajando cargadas con R-764 y R-40.

o Grupo Tres.

Los refrigerantes de este grupo forman mezclas combustibles, cuando se

combinan con el aire. Los más comunes son:

R-170 Etano.

R-290 Propano.

R-600 Butano.



55


Estos compuestos en la actualidad ya no se utilizan como refrigerantes; por

el contrario, debido a su alta inflamabilidad, algunos de estos

refrigerantes, como el R-170, arden tan bien y tan rápidamente, que se

usan como combustibles.

La diferencia entre un refrigerante muy inflamable (Grupo Tres) y uno

moderadamente inflamable (Grupo Dos), depende de la proporción

mezclada con el aire y el límite más bajo del rango. Un refrigerante del

Grupo Dos, puede ser tan riesgoso como uno del Grupo Tres, si es que hay

presente una cantidad suficiente.

Los refrigerantes del Grupo Tres arden fácilmente en una amplia proporción

de mezcla con el aire, y explotan violentamente si quedan encerrados

en un lugar.

o Clasificación combinada.

Una clasificación más actual de los refrigerantes, es la clasificación

combinada en grupos de seguridad, hecha por las organizaciones

American National Standards Institute (ANSI) y la American Society of

Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE),

conocida como la norma ANSI/ASHRAE 34-1992.

Esta clasificación combina la toxicidad con la inflamabilidad de los

refrigerantes, y surgió de la revisión hecha a la norma 34-1989, la cual se

hace cada cinco años, pero en esta ocasión se hizo a los tres años (1989-

1992).

La nueva clasificación de grupos de seguridad, es de acuerdo a los

siguientes criterios:

La clasificación deberá consistir de dos caracteres alfanuméricos.

La letra mayúscula indica la toxicidad, y el número arábigo denota la

inflamabilidad (por ejemplo, B2 o A1).



56


En la clasificación de toxicidad, se asigna a los refrigerantes una de

las dos clases - A o B - en base a la exposición permisible: la clase A,

incluye refrigerantes a los cuales, no se ha identificado su

toxicidad en concentraciones menores o iguales a 400 ppm

(ligeramente o nada ). La clase B, incluye refrigerantes para los

cuales, existe evidencia de toxicidad en concentraciones por debajo

de 400 ppm. (muy tóxicos).

En la clasificación de inflamabilidad, los refrigerantes se deberán

asignar a una de tres clases: 1, 2 ó 3. La clase 1, incluye a

refrigerantes que no muestran propagación de llama, al ser

probados en aire a 101 KPa y a 18°C. La clase 2, incluye a

refrigerantes que tienen un límite de inflamabilidad bajo, de más de

0.10 kg/m³ a 21°C y 101kPa, y un calor de combustión menor a

4,540 kcal/kg (19,000 kJ/kg). La clase 3, comprende los

refrigerantes que son sumamente inflamables, menos o igual a 0.10

kg/m³ a 21°C y 101kPa, o por medio de un calor de combustión

mayor o igual a 4,540 kcal/kg.

No debe tener efecto sobre otros materiales.



57


Los materiales empleados en la construcción de los equipos, generalmente

no son directamente de interés para el técnico de servicio, puesto que la

elección de esos materiales la hacen los fabricantes de equipo. Sin

embargo, a continuación se mencionarán los efectos de algunos

refrigerantes sobre varios materiales representativos, tales como metales,

plásticos y elastómeros.

o Compatibilidad con Metales.

Debe seleccionarse un refrigerante que no tenga ningún efecto sobre los

metales. Algunos refrigerantes, afortunadamente muy pocos, bajo ciertas

condiciones, tienen efectos corrosivos sobre algunos metales o producen

reacciones químicas que forman productos indeseables o contaminantes.

Los refrigerantes halogenados, bajo condiciones normales de operación,

pueden utilizarse satisfactoriamente con la mayoría de los metales que

comúnmente se usan en los sistemas de refrigeración, tales como: acero,

hierro fundido, bronce, cobre, estaño, plomo y aluminio. Sin embargo, en

condiciones severas de operación, como alta temperatura y en presencia de

humedad, se afectan sus propiedades y reaccionan con los metales. No

se recomienda utilizar refrigerantes halogenados con aluminio que

contenga más del 2% de magnesio o magnesio y zinc, aun cuando la

presencia de humedad sea muy pequeña.

El R-717 (amoníaco) no debe utilizarse con cobre o cualquier aleación

de cobre como bronce, estaño y zinc, ya que el amoníaco se combina rápida

y completamente con cualquier humedad presente, provocando la corrosión

de esos metales.

El R-40 (cloruro de metilo) no debe utilizarse con aluminio en cualquier

forma. Se forma un gas altamente inflamable, y es grande el riesgo de

explosión.



58


El R-764 (bióxido de azufre) en presencia de agua forma ácido sulfuroso, el

cual ataca rápidamente al acero, al fierro, y en menor grado, a otros

metales.

o Compatibilidad con Elastómeros.

Existe una variación considerable, en cuanto a los efectos producidos por

los refrigerantes en los elastómeros tales como juntas, sellados, etc. Esto

se debe a que los elastómeros contienen, además del polímero base,

plastificantes y otros productos.

o Compatibilidad con Plásticos.

La mayoría de los materiales plásticos no son afectados por los refrigerantes

halogenados, por lo que se pueden utilizar de forma satisfactoria en la

mayoría de las aplicaciones. Una excepción es el poliestireno, ya que

algunos refrigerantes como el R-11 y el R-22, lo disuelven.

En general, el efecto sobre los plásticos disminuye, a medida que

aumenta el contenido de flúor en la molécula de los refrigerantes. Antes de

utilizar algún material plástico con los refrigerantes, es conveniente

realizar un ensayo de compatibilidad para una aplicación específica.

Fácil de detectar cuando se fuga.

Todos los refrigerantes tienen una tendencia a fugarse, y cuando esto

sucede, el refrigerante seleccionado debe ser fácilmente detectable.

En la actualidad, esto ya no es una deficiencia en ningún refrigerante, ya

que se han desarrollado varios métodos para detectar fugas de cualquier

refrigerante. Existen varios factores que determinan la tendencia de los

refrigerantes a fugarse. Presión, viscosidad y densidad, son algunos de

ellos. Cuando estas características son las mismas para diferentes

refrigerantes, el que tiene más tendencia a fugarse, es el de menor peso

molecular.



59


El razonamiento de por qué sucede esto, es simple. El refrigerante con

mayor peso molecular, tiene moléculas más grandes. Esto significa que por

una grieta de cierto tamaño, se fugaría más fácilmente un refrigerante de

bajo peso molecular, que uno de mayor peso molecular.

Un ligero olor en los refrigerantes puede ser una ventaja, ya que cualquier

fuga, por muy pequeña, podría ser notada de inmediato y efectuarse

la corrección de la misma, antes de perder todo el refrigerante o se haya

ocasionado un daño mayor.

Algunas veces se añaden a estos compuestos algún olor irritante, como

medida de precaución.

o Detección de Fugas.

La detección de fugas es un problema continuo, principalmente con los

refrigerantes que no tienen olor apreciable, como los halogenados, pero en

la actualidad se han mejorado los métodos que facilitan su detección.

Existen varias razones para detectar fugas, como son: conservación de

los refrigerantes, protección de equipos costosos, reducción de emisiones a

la atmósfera y protección de las personas.

El método para detectar fugas varía con el refrigerante utilizado. Sin

embargo, todos los métodos tienen un procedimiento común: aplicar

presión al sistema con nitrógeno o bióxido de carbono.

Como precaución cabe indicar que nunca se ha de utilizar oxígeno o

acetileno para elevar la presión de un sistema para la detección de fugas,

pues el oxígeno explota en presencia de aceite y el acetileno se

descompone y explota, si se presuriza por encima de unos valores de 210 a

310 KPa.



60


Con la precaución debida, se pueden utilizar el nitrógeno y el bióxido de

carbono con seguridad, cuando se presurice un sistema para detectar fugas.

Cuando se presurice un sistema con Nitrógeno o Bióxido de azufre, siempre

ha de usarse un dispositivo reductor de presión que posea regulador y

válvula de seguridad.

Si se acumulara excesiva presión dentro de un sistema de bomba de calor,

éste podría llegar a explotar. Muchos accidentes han sido causados por usar

un exceso de presión en la prueba de detección de fugas.

Todos los sistemas tienen una placa donde se recomienda la presión de

prueba. Antes de presurizar el sistema con nitrógeno o bióxido de carbono,

se ha de buscar dicha placa. Si no se conoce esa presión, nunca se ha de

sobrepasar los 1,30 KPa al realizar una prueba localizada o de todo el

conjunto.

Es necesario revisar que no existan fugas, antes de hacer vacío a la unidad.

La humedad puede entrar al sistema a través de una fuga, durante la

evacuación. Si se detectan una o varias fugas, es muy importante revisar de

nuevo toda la unidad completa, una vez hecha la reparación

respectiva. Esto sirve para probar la reparación, y al mismo tiempo,

detectar si hay fugas adicionales.

o Tipos de Detectores.

Las fugas en los sistemas de bomba de calor son normalmente muy

pequeñas, por lo tanto, los dispositivos detectores deben ser muy sensibles.

Los detectores de fugas pueden ubicarse en dos amplias categorías: los

que señalan fugas en puntos específicos y los monitores de área.



61


Algunos de los métodos y/o dispositivos comúnmente empleados son:

soluciones de burbujas (jabón), lámpara de haluro, detectores

electrónicos, tintes fluorescentes y tintes para refrigerantes. Cada método

tiene su ventaja. Antes de comprar cualquiera de ellos, deberán

considerarse varios criterios, incluyendo la sensibilidad, los límites de

detección y la selectividad.

Debe de ser miscible con aceite

La miscibilidad del aceite y el refrigerante, juega un papel muy importante

en el diseño de los sistemas de bombas de calor. La miscibilidad del

aceite con el refrigerante, se puede definir como la capacidad que tienen

estos para mezclarse.

Aunque la función del aceite es lubricar las partes móviles del compresor,

no se puede evitar que algo de aceite se filtre en el sistema junto con el

refrigerante, a pesar de contar con un separador de aceite. Existen dos

partes del sistema donde esta relación es de interés: el cárter del

compresor y el evaporador.

Esta miscibilidad tiene sus ventajas y desventajas. Las principales ventajas

son: la facilidad relativa para retornar el aceite al compresor, y la

lubricación de diferentes partes del sistema, como válvulas. Las desventajas

son: la dilución del aceite en el cárter del compresor, disminución de la

transferencia de calor en el evaporador, falta de lubricación y problemas de

control.

No debe reaccionar con la humedad



62


Todos los refrigerantes absorben humedad en cantidades variables. En un

sistema de refrigeración, esta cantidad debe mantenerse por debajo del

límite máximo permisible, para que pueda operar satisfactoriamente. Por

lo tanto, es imperativo que se elimine la humedad de los componentes del

sistema durante su fabricación, y que se tomen precauciones para evitar

que dicha humedad entre al sistema, durante las operaciones de

instalación o de servicio. Los refrigerantes y los aceites son abastecidos por

los fabricantes, con límites muy bajos de humedad. Se debe hacer un gran

esfuerzo por mantener la humedad fuera de los sistemas de refrigeración,

por dos principales razones:

El exceso de humedad, puede congelarse a bajas temperaturas y

restringir o detener el paso de refrigerante.

El exceso de agua puede reaccionar con el refrigerante formando

ácidos corrosivos, los cuales causarán deterioro del sistema.

En la mayoría de los demás refrigerantes, la solubilidad con el agua es baja,

especialmente a bajas temperaturas. Si en un refrigerante hay más agua de

la que puede tener en solución a temperaturas por debajo de 0°C, se

formará hielo y éste puede depositarse en las válvulas de expansión o tubos

capilares.

El agua por sí sola, puede causar corrosión de las partes metálicas de un

sistema de refrigeración, especialmente si está presente el aire. Se puede

formar moho e incrustaciones, y emigrar a partes del sistema donde su

presencia causará problemas. Cuando hay exceso de agua en un

sistema de amoníaco, se forma una base fuerte, la cual puede afectar el

aislamiento, las juntas, empaques y otras partes no metálicas del sistema.

Con los refrigerantes halogenados, el agua puede formar ácidos mediante

una reacción llamada hidrólisis, principalmente ácido clorhídrico. Estos

ácidos pueden corroer los metales y atacar el aislamiento del devanado del

moto- compresor. Normalmente, esta hidrólisis es muy lenta y se vuelve

más seria si hay presente agua suelta. También, las altas temperaturas de

operación aceleran la reacción.



63


Desde cualquier punto de vista, la presencia de agua en un sistema de

refrigeración es indeseable.

Debe ser un compuesto estable.

En sistemas normales que estén razonablemente limpios y secos, la

estabilidad del refrigerante no es un problema. La mayoría de los

refrigerantes tienen una estabilidad adecuada para las aplicaciones

donde se utilizan. Se supone que el cobre, el acero y el aceite lubricante

siempre están presentes en el sistema.

o Mezclas de refrigerantes.

Por muchos años ha habido interés por el uso de refrigerantes mezclados,

tanto en estudios de calorímetros como en pruebas en el campo. Cuando se

considera este tema, surgen una cantidad de preguntas. ¿Es seguro mezclar

refrigerantes? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas? ¿Cuándo pueden

usarse las mezclas? ¿Cómo se afecta el funcionamiento del

refrigerante? ¿Cómo cambiará la solubilidad del aceite? Estas y otras

preguntas similares, en términos generales, no pueden ser totalmente

contestadas. Cada mezcla propuesta debe ser examinada en detalle.

Los refrigerantes que se mezclan deben ser compatibles entre sí, es decir,

no deben tener efectos químicos uno sobre otro, ni inmediatamente ni por

un largo período. Con los refrigerantes halogenados, los cuales por su

naturaleza son todos similares, esto no es un problema.

Cuando se mezclan dos o más compuestos diferentes, los cuales se utilizan

individualmente como refrigerantes, se pueden formar dos tipos de

soluciones: una mezcla zeotrópica (o mezcla simple) o una mezcla

azeotrópica. Ambos tipos de mezclas pueden operar en bombas de calor,

aunque las mezclas azeotrópicas tienen ciertas ventajas.

Mezclas Zeotrópicas.



64


Se llama así a las mezclas formadas por dos o más componentes

(refrigerantes puros) de diferente volatilidad. Cuando estas mezclas se

evaporan o se condensan en un sistema de refrigeración, su composición y

su temperatura de saturación cambian. La palabra zeótropo se deriva de las

palabras griegas zein = hervir y tropos = cambiar.

Al hervir esta mezcla en un evaporador, la composición del líquido

remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el líquido, se evapora un

porcentaje más elevado del componente más volátil. Por lo tanto, conforme

continúa hirviendo la mezcla, el líquido remanente tiene menor

concentración del componente más volátil, y mayor concentración del

menos volátil.

El cambio de composición del líquido, da como resultado un cambio en el

punto de ebullición. La temperatura a la cual empieza a hervir el líquido

(líquido saturado), se le conoce punto de ebullición. La temperatura a la cual

se evapora la última gota de líquido (vapor saturado), se le llama punto de

rocío. A una misma presión, la temperatura del punto de ebullición es más

baja que la del punto de rocío para cualquier mezcla zeotrópica. A este

fenómeno se le conoce como "deslizamiento de temperatura".

Este deslizamiento de temperatura también ocurre en el condensador, pero

aquí, la temperatura de condensación disminuye en lugar de aumentar. El

inicio de la condensación es en su punto de rocío, cuando todo el vapor se

ha condensado, este es el punto de burbuja.

El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la mezcla,

desde 1°C ó 2°C hasta varias decenas de grados centígrados. Cuando una

mezcla tiene un deslizamiento menor, que no conduce a errores

consecuentes en el cálculo para una aplicación en un sistema, se le llama

"mezcla casi azeotrópica".

A las mezclas zeotrópicas comerciales, se les debe asignar un número de

identificación en la serie 400. Este número indica qué componentes se

encuentran en la mezcla, pero no el porcentaje de cada uno de ellos.

Mezclas Azeotrópicas. BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


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Se llama así a las mezclas de dos o más componentes de diferente

volatilidad, las cuales, al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, NO

cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el

evaporador, o se condensan a una presión constante.

La composición del líquido es la misma que la del vapor. Las mezclas

azeotrópicas pueden inclusive ser destiladas, sin que cambie su

composición. El prefijo "a" antes de la palabra zeótropo, es de raíz

latina, y significa una negación, por lo que la palabra azeótropo se

puede interpretar como que "no cambia al hervir".

Al combinar los componentes, la mezcla resultante se comporta en

muchas maneras, como si fuera un solo refrigerante puro, con una sola

temperatura de saturación correspondiente a una presión dada.

Generalmente el punto de ebullición resultante de una mezcla azeotrópica,

es menor o igual que el del componente con el más bajo punto de

ebullición.

A las mezclas azeotrópicas que se comercialicen, deberá asignárseles un

número de identificación progresiva de la serie 500.

o Ventajas de los Azeótropos como Refrigerantes.

Ambas mezclas, las zeotrópicas y las azeotrópicas, pueden usarse como

refrigerantes. En sistemas con evaporador tipo "seco" o de expansión

directa, la mezcla completa se evapora antes de salir del evaporador. La

composición permanece igual a través de todo el ciclo de refrigeración, y

ambas mezclas pueden utilizarse bajo estas condiciones. En sistemas con

evaporadores de tipo "inundado", una mezcla azeotrópica tendrá la ventaja

de composición constante durante la evaporación. Con las mezclas

zeotrópicas, es probable que el líquido en el evaporador sea mucho más rico

en el componente de más alto punto de ebullición.



66


Otra ventaja es el bajo punto de ebullición del azeótropo, lo que significa

temperaturas de evaporación más bajas y con frecuencia, mayor capacidad.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS REFRIGERANTES

Agua (R-718). Presenta como ventajas su bajo costo, no inflamable, no

tóxico y elevado calor latente. Su principal inconveniente consiste en

que requiere de presiones muy bajas para evaporar a bajas temperaturas.

Amoníaco (R-717). Es un fluido de alto calor latente, de bajo coste y de alta

presión de vapor. Por otra parte, es tóxico, inflamable y corrosivo.

CO2 (R-744). Es un gas inerte, no tóxico y no inflamable. Su principal

inconveniente consiste en que necesita presiones muy elevadas para

realizar el ciclo.

Compuestos halogenados del carbono. Los refrigerantes pertenecientes a

este grupo son los más utilizados. Son fluidos no tóxicos, no inflamables,

no corrosivos en ausencia de agua y no afectan al olor ni al sabor ni al

color de los productos refrigerados. Dentro de este grupo están:

Los CFC (Cloro-Fluoro-Carbonados). Pertenecen a este tipo los refrigerantes

R-11, R-12, R-13 y R- 502. Su principal inconveniente es que destruyen la

capa de ozono, por lo que su utilización está restringida según el protocolo

de Montreal.

Los HCFC (Hidro-Cloro-Fluoro-Carbonados). Pertenecen a este tipo los

refrigerantes R-22, R123 y R-124. Son menos estables que los CFC, por lo

que destruyen en menor medida la capa de ozono. Están siendo utilizados

para sustituir los anteriores hasta la aplicación de refrigerantes que no

afecten a la capa de ozono.

Los HFC (Hidro-Fluoro-Carbonados). Son los refrigerantes del futuro, el R-

134a, R-125, R-404a, R-152a y R-23. Su principal ventaja deriva del hecho

de no contener cloro, por lo que no destruyen la capa de ozono. Las

nuevas instalaciones deben llevar este tipo de refrigerantes.



67


7. APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE CALOR.

7.1. SECTOR RESIDENCIAL.

7.1.1. CLIMATIZACIÓN DE VIVIENDAS.

Las Bombas de Calor utilizadas en estas aplicaciones son:

Bombas de calor aire-aire.

Es la aplicación más habitual. Se suelen utilizar unidades de baja potencia,

que se destinan a la calefacción y refrigeración de viviendas. El equipo está

en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae el calor y también

con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor. Este será

distribuido mediante una red de conductos por todas las habitaciones.

Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una

sola unidad. La batería exterior irá en contacto con el ambiente exterior y la

unidad interior estará conectada a la red de conductos, que distribuyen el

aire por el interior de la vivienda.

Si se utiliza un equipo partido, ambas unidades, la interior y la exterior irán

conectadas mediante tuberías aisladas, por las que circulará el refrigerante.

La unidad exterior irá colocada en el exterior de la vivienda, por ejemplo en

la terraza, jardín, etc. La unidad o unidades interiores pueden ser vistas o

bien ir situadas en el falso techo.

Bombas de calor aire-agua.

En este caso, 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.

Bombas 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 BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


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constante y elevado durante toda la temporada. Como en el caso anterior la

distribución se hace mediante sistemas a baja temperatura.

Bombas de calor agua-aire.

Requieren también la disponibilidad de una fuente de calor, agua

subterránea, superficial, etc. La distribución se calor se realiza mediante

una red de conductos a todas las dependencias de la vivienda.

Bombas de calor tierra-agua.

Aprovechan la energía solar acumulada en el terreno como fuente de calor.

Este calor es extraído por la Bomba de Calor a través de un circuito de agua

con glicol, enterrado. La complejidad de la instalación y la necesidad de

disponer de una superficie de terreno grande, hacen que la inversión sea

elevada, por lo que esta aplicación es más propia de zonas con

temperaturas exteriores rigurosas, donde los equipos condensados por aire

no son adecuados.

La utilización de la Bomba de Calor para proporcionar calefacción,

refrigeración y agua caliente sanitaria en viviendas, es una aplicación

ampliamente difundida en España. La casi totalidad de los equipos

existentes en el mercado son reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos:

de invierno, proporcionando calefacción y de verano proporcionando

refrigeración. Por esta razón las Bombas de Calor están especialmente

indicadas para situaciones en las que se prevea demanda de calefacción y

refrigeración, ya que con un incremento en el precio del equipo, se pueden

cubrir ambas necesidades con el mismo equipo. La gama de potencias

comercializada es lo suficientemente amplia como para cubrir las

necesidades de cualquier vivienda. En la figura se representa el

funcionamiento de ambos ciclos en una Bomba de Calor aire-aire.



69


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.

7.1.2. AGUA CALIENTE SANITARIA.

La Bomba de Calor también puede utilizarse para la producción de agua

caliente sanitaria. Aquí el agua es el foco caliente. 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



70


práctico en verano es muy elevado, como consecuencia de las altas

temperaturas del aire exterior.

7.2. SECTOR TERCIARIO.

7.2.1. 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 sí 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 evacuan 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.BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


71


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 sistemas: conductos de aire, tuberías

de agua y tuberías de fluido refrigerante.

En los sistemas que utilizan tuberías de agua los elementos terminales más

usuales son los fancoils. Estos sistemas pueden ser clasificados en:

o 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.

o 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



72


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.

7.3. 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.

7.4. 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 BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


73


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.

7.4.1. 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.

7.4.1.1. 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.BEATRIZ ARTERO LAPARRAVÍCTOR ENCIJO GONZÁLEZ


74


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 semiabiertos, 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 COPs 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.

7.4.2. BOMBAS DE CALOR DE ABSORCIÓN DE SIMPLE EFECTO.

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.

7.4.3. 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 COPs en estas condiciones están

comprendidos entre 0,45 y 0,48.



75


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:

Calefacción, climatización y agua caliente sanitaria.

Estas aplicaciones son similares a las estudiadas en los sectores residencial

y terciario. Suministran agua por ejemplo a fancoils, 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, cuanta 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.



76


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 COPs 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.



77


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 reversible. En la figura se

presenta un esquema de utilización de la Bomba de Calor en este proceso.



78


8. EFICACIA DE LAS BOMBAS DE CALOR Y LÍMITES DE

FUNCIONAMIENTO.

Hay principalmente dos factores que describen la eficiencia de las

bombas de calor:

COP (Coeficiente de rendimiento).

Se determina mediante condiciones de ensayo estándar para ciertos puntos

de operación y/o para varios puntos de operación típicos.

SPF (Factor de rendimiento estacional)

COP=QH

W

COP = QH

W =

QH

QH−QC

= T H

T H−TC

SPF=COPNOMINAL∗FP∗FC

Las bombas de calor deben considerarse como renovables siempre que su

SPF sea superior a 2,5.

Factor de ponderación, tiene en cuenta las diferentes zonas climáticas de

España que marca el CTE.

Factor de corrección, tiene en cuenta la diferencia entre la temperatura de

distribución de uso y la temperatura para la cual se ha obtenido el COP de

ensayo.



79


FACTOR DE PONDERACIÓN (FP) PARA SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Y/O

ACS CON BOMBAS DE CALOR

Factor de ponderación

(FP)

Fuente Energética de la Bomba de Calor A B C D E

Energía Aerotérmica. Equipos centralizados

0,8

7 0,8 0,8

0,7

5

0,7

5

Energía Aerotérmica. Equipos individuales y/o split

0,6

6

0,6

8

0,6

8

0,6

4

0,6

4

Energía hidrotérmica

0,9

9

0,9

6

0,9

2

0,8

6 0,8

Energía geotérmica de circuito cerrado

1,0

5

1,0

1

0,9

7 0,9

0,8

5

Intercambiadores verticales

1,2

4

1,2

3

1,1

8

1,1

1

1,0

3

Energía geotérmica de circuito abierto

1,3

1 1,3

1,2

3

1,1

7

1,0

9



80


FACTORES DE CORRECCIÓN (FC) EN FUNCIÓN DE LAS TEMPERATURAS DE

CONDENSACIÓN, SEGÚN LAS TEMPERTURAS DE ENSAYO COP

FACTOR DE CORRECCIÓN (FC)

Tª

DISTRIBUCIÓN FC FC FC FC FC FC

ºC

COP A

35ºC

COP A

40ºC

COP A

45ºC

COP A

50ºC

COP A

55ºC

COP A

60ºC

35 1,00

40 0,87 1,00

45 0,77 0,89 1,00

50 0,68 0,78 0,88 1,00

55 0,61 0,70 0,79 0,90 1,00

60 0,55 0,63 0,71 0,81 0,90 1,00



81


COP, factor utilizado para dar el rendimiento de una bomba de calor cuando

trabaja en un ciclo de calor su valor es:

COP¿ Potenica calor í ficaobtenida delcondensadorPotencia el é ctrica absorbida por el equipo

xKcal /h

860Kcal/Kw

Como ejemplo el COP de una Resistencia eléctrica pura es igual a 1, debido

a que por cada Kw absorbido de la red eléctrica obtenemos 860 Kcal.

COP =860Kcal /h

1Kwh

x 860Kcal /Kw = 1

En un equipo bomba de calor que trabaje en ciclo de calefacción pueden

obtenerse COP de hasta 3, lo que quiere decir, en este caso, que por cada

Kw consumido por el equipo podemos obtener una potencia calorífica tres

veces superior a la que se obtiene con una resistencia eléctrica pura que

absorbe la misma potencia eléctrica de la red.

Los valores del COP los proporciona el fabricante del equipo y varían en

función directa con la temperatura exterior. Cuanto más baja es la

temperatura exterior, más bajo es el COP que proporciona una bomba de

calor.

Existen dos tipos de COP:

COP instantáneo, es el proporcionado por el equipo para unas

condiciones de funcionamiento fijas.

COP estacional, es el real de la instalación durante un periodo de

tiempo determinado.

8.1 LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO.



82


Cuando se utiliza la bomba de calor con una temperatura exterior (e

interior) muy baja, el fluido de intercambio de calor, que normalmente se

encuentra en fase líquida y fase vapor, puede llegar a congelarse. Para

evitar esa situación, las bombas de calor disponen de un sistema de

calefacción que descongela dicho fluido. Generalmente el aparato indica esa

situación con una luz naranja en el frontal.

Pues bien, cuando sucede esto, el rendimiento de la bomba de calor cae en

picado, aparte de que se producen momentos en los que el funcionamiento

de la bomba de calor queda suspendido. Se consume electricidad en una

resistencia para calentar el fluido hasta que el fluido alcanza una

temperatura de funcionamiento mínima para poder funcionar

correctamente.

Si la temperatura exterior (e interior) es excesivamente baja, los tiempos de

parada de descongelación representarán una fracción importante del

tiempo total de funcionamiento, haciendo que el rendimiento sea muy bajo.

Para que el COP sea inferior a 1, el calor invertido en descongelar el fluido

debería perderse en el exterior, es decir, la temperatura exterior debería ser

inferior a la de congelación del fluido. Considerando que esa situación

imposibilitaría el funcionamiento del aparato, y teniendo en cuenta que las

bombas de calor disponen de múltiples sistemas de control, la respuesta es

que el propio aparato aborta su puesta en funcionamiento cuando las

condiciones de trabajo son cercanas a las que teóricamente producirían un

COP menor de 1.

Por lo tanto, con temperaturas muy bajas el COP cae a niveles de 2 o

inferiores. Y en caso de tener que trabajar con condiciones extremas, el

aparato directamente deja de funcionar.



83


La temperatura a la que esto sucede, en los aparatos que se venden en

España generalmente ocurre a temperaturas exteriores de -5ºC. La

temperatura interior también tiene su importancia, puesto que si ya

tenemos una temperatura elevada, contribuiremos a que la temperatura del

fluido se mantenga por encima de su temperatura de congelación, mientras

que si ponemos el aparato en marcha en una vivienda a 10ºC, lo que

estaremos haciendo es enfriar mucho el fluido, contribuyendo a que al pasar

a su etapa de expansión se congele.

.



84


9. REGULACIÓN DE LA POTENCIA.

El fin de la regulación de los sistemas de calefacción es proporcionar en

cada momento la potencia adecuada a las necesidades del edificio o local.

La potencia instalada en el sistema es la potencia máxima requerida en el

momento más frío de un año medio. El resto de la temporada de

calefacción, las temperaturas exteriores son más altas que la mínima y las

necesidades de calor son menores. Por esta razón hay que regular la

potencia de acuerdo con las necesidades en cada momento. A menor

temperatura exterior, mayor potencia se requiere, de modo que la potencia

necesaria no solo varía a lo largo de la temporada fría, sino también a lo

largo del día.

Hay tres medios para conseguirlo:

Por tiempo.

Por temperatura.

Por caudal.

En ciertas instalaciones hay varios tipos de regulación simultáneamente.

7.5. REGULACIÓN POR TIEMPO

Es el sistema más sencillo de regulación consiste en parar o poner en

marcha el sistema de calentamiento, de modo que, a lo largo de un cierto

tiempo, la potencia suministrada por el calentador sea la necesaria (a

menor potencia necesaria, menor tiempo de marcha). El sistema más

sencillo y efectivo es utilizar un termostato ambiente situado en un local

representativo (el estar o sala principal) que, cuando el local está a la

temperatura deseada, corta un circuito eléctrico que puede mandar la

bomba directamente.



85


7.6. REGULACIÓN POR TEMPERATURA DEL CALOPORTADOR

El sistema de regulación por temperatura del caloportador, o regulación

proporcional, es más complicado, consiste en un sistema electrónico que

recibe una señal indicando la temperatura del ambiente exterior del edificio,

enviada por una sonda exterior y en función de ella, regula la temperatura

del agua enviada a los emisores.

La potencia emitida por los emisores depende de la superficie de éstos y del

salto de temperaturas entre esa superficie y el ambiente. Como la superficie

es siempre la misma y, una vez fijada, la temperatura del ambiente también

es constante, la única variable es la temperatura del emisor o, lo que suele

ser lo mismo, la temperatura del caloportador.

Por otro lado, la necesidad de calor depende de las pérdidas de calor del

edificio y éstas, a su vez, dependen del aislamiento de sus elementos

constructivos que lo separan con el exterior, de las necesidades de

ventilación y de la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior.

Como en el caso anterior, la constitución de los elementos separadores es

fija, la ventilación se debe fijar y, como se ha dicho lo mismo ocurre con la

temperatura interior, luego la única variable es la temperatura exterior.

La misión de la centralita es relacionar esta temperatura exterior con la del

caloportador, de modo que a menor temperatura exterior, mayor

temperatura debe tener el caloportador en la impulsión.



86


ILUSTRACIÓN DE UNA VÁLVULA DE TRES VÍAS MEZCLANDO AGUA DE IDA (ROJO) CON AGUA

DE RETORNO (AZUL).

La regulación de la temperatura del caloportador se hace mediante una

válvula multivía motorizada (de tres o cuatro vías) que mezcla el agua de la

caldera con agua del retorno (ya enfriada) para conseguir la temperatura

adecuada. La centralita conoce en cada momento la temperatura de

impulsión, mediante otra sonda situada en el conducto de ida (o impulsión)

y mueve el motor de la válvula en consecuencia.

Este sistema se llama regulación proporcional y se aplica obligatoriamente

en instalaciones centralizadas colectivas. También es la única que funciona

correctamente en el suelo radiante, en el que la temperatura de impulsión

siempre es más baja que la producida en la caldera.

En el caso de sistemas por aire la regulación por temperatura es la más

adecuada, sobre todo cuando la instalación también suministra el caudal de

ventilación, pues, aunque podría hacerse por caudal, hay un límite mínimo

que es el caudal obligatorio de ventilación, lo que impediría hacerlo

funcionar con necesidades pequeñas de calor. En este caso la regulación se

hace midiendo la temperatura del aire de retorno (de extracción) y en

función de ella se establece la temperatura del aire del impulsión (cuanto

menos temperatura tenga el aire de retorno, a mayor temperatura habrá

que impulsar).

7.7. REGULACIÓN POR CAUDAL



87

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dreiwegemischer.svg


La regulación por caudal consiste en variar el caudal del caloportador

conforme varían las necesidades de calor (a menor caudal, menor aporte de

calor). Se emplea a veces en los sistemas de reparto por aire, pero con el

inconveniente apuntado en el párrafo anterior. Pero donde es una

regulación muy adecuada es para los climatizadores, en los sistemas de

aire. Mediante una válvula de tres vías se deja pasar más o menos caudal

por la batería (intercambiador) de calor, devolviendo el resto al retorno por

la otra vía. El control de la válvula se hace mediante una sonda que mide la

temperatura del aire de retorno, de modo que sirve para la zona servida por

el climatizador y solo para ella.

10. NORMATIVA Y REGLAMENTACIÓN.

CERTIFICACIÓN EUROVENT

La certificación europea EUROVENT fue implantada por los fabricantes de

equipos de climatización para garantizar las prestaciones anunciadas en sus

catálogos. El programa de certificación EUROVENT se aplica a bombas de

calor, climatizadores, reversibles o no, fabricados y montados en fábrica,

destinados a calefacción o refrigeración de locales. No se incluyen los

climatizadores y las bombas de calor de una potencia frigorífica superior a

100 kW. La certificación EUROVENT se basa en:



88


o La norma ISO 5151 para la determinación de la eficiencia

térmica del equipo por el método de la cámara calorimétrica.

o Recomendaciones EUROVENT para el resto de pruebas

térmicas en cámara entálpica.

o Recomendaciones EUROVENT para pruebas acústicas, sólo se

utiliza el método de cámara reverberante.

MARCADO CE

Respecto a las bombas de calor, el marcado CE es una marca

autodeclarativa obligatoria que hace responsable al industrial sólo en

materia de seguridad de las personas. No informa en absoluto sobre la

eficiencia o la fiabilidad de la bomba de calor.

MARCA NF PAC

La marca "NFPAC" es una marca voluntaria expedida por la AFAQ-AFNOR

que permite verificar la conformidad de las bombas de calor con las

distintas normas vigentes, francesas, europeas e internacionales, así como

el cumplimiento de las prestaciones mínimas establecidas por la profesión

mediante un sistema de referencia. Afecta a las distintas bombas de calor

aerotérmicas y geotérmicas de potencia calorífica inferior o igual a 50 kW.

Certifica los siguientes parámetros:

o El coeficiente de rendimiento (COP) con un umbral mínimo en

los distintos puntos de funcionamiento.

o La potencia térmica, el nivel de potencia acústica.

NORMA NF EN 23741

Esta norma concierne a la determinación de los niveles de potencia acústica

emitidos por las fuentes de ruido. Prescribe métodos de laboratorio en salas

reverberantes para las fuentes sonoras de banda ancha.

NORMA NF EN 23742



89


Esta norma concierne a la determinación de los niveles de potencia acústica

emitidos por las fuentes de ruido. Prescribe métodos de laboratorio en salas

reverberantes para las fuentes sonoras que emiten ruidos con componentes

tonales y de banda estrecha.

DIRECTIVA 2009/28/EC

de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente

de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas

2001/77/CE y 2003/30/CE.

UNE EN 14825:2012

Acondicionadores de aire, enfriadoras de líquido y bombas de calor con

compresor accionado eléctricamente para la calefacción y la refrigeración

de locales. Ensayos y clasificación en condiciones de carga parcial y cálculo

del rendimiento estacional.

ORDEN FOM/1635/2013

de 10 de septiembre, por la que se actualiza el Documento Básico DB-HE

«Ahorro de Energía», del Código Técnico de la Edificación, aprobado por

Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo.

REAL DECRETO 1027/2007

de 20 de Julio, por el que se aprueba el Reglamento de Instalaciones

Térmicas en Edificios (RITE).

UNE-EN ISO 12570:2000/A1:2013

Prestaciones higrotérmicas de los productos y materiales para edificios.

Determinación del contenido de humedad mediante secado a elevadas

temperaturas. Modificación 1. (ISO 12570:2000/Amd 1:2013).



90


UNE-EN 14511-1:2012



de locales. Parte 1: Términos y definiciones.

UNE-EN 14511-2:2012



de locales. Parte 2: Condiciones de ensayo.

UNE-EN 14511-3:2012



de locales. Parte 3: Métodos de ensayo.

UNE-EN 14511-4:2012



de locales. Parte 4: Requisitos.

Esta norma europea especifica las condiciones de prueba para la

determinación de las características de eficiencia de las bombas de calor

aire/aire, agua/aire, aire/agua y agua/agua, con compresor accionado por

motor eléctrico cuando se utilizan para calefacción de locales. Para cada

uno de estos sistemas se definen puntos de ensayo nominales y de

aplicaciones. Para los sistemas aire/aire y aire/agua, el ensayo se realiza

para una temperatura exterior nominal de +7 °C. Para los sistemas

agua/agua, el ensayo se realiza para una temperatura de agua nominal de

10 °C; para los sistemas agua glicolada/agua, el ensayo se realiza para una

temperatura de agua nominal de 0 °C. Para el sistema de tipo suelo/suelo o



91

http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0049342&PDF=Si





suelo/agua no existe ninguna norma de ensayo, sólo protocolos admitidos

por la mayoría de industriales. Para estos productos, la temperatura nominal

del fluido en la entrada del evaporador es de -5 °C.

UNE-EN 12309-1:2000

Acondicionadores de aire y/o bombas de calor de absorción y adsorción que

utilizan combustibles gaseosos de consumo calorífico basado en el PCI

inferior o igual a 70 Kw Parte 1: Seguridad.

UNE-EN 12309-2:2000

Acondicionadores de aire y/o bombas de calor de absorción y adsorción que

utilizan combustibles gaseosos de consumo calorífico basado en el PCI

inferior o igual a 70 Kw Parte 2: Uso racional de la energía.

UNE-EN 60335-2-40:2005/A12:2005

Aparatos electrodomésticos y análogos. Seguridad. Parte 2-40: Requisitos

particulares para bombas de calor eléctricas, acondicionadores de aire y

deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005



deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005 CORR:2006



deshumidificadores.



92







UNE-EN 60335-2-40:2005 CORR:2010



deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005/A13:2012



deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005/A13:2012/AC:2013



deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005/A2:2009



deshumidificadores.

UNE-EN 60335-2-40:2005/A1:2007



deshumidificadores. (IEC 60335-2-40:2002/A1:2005, modificada).

UNE-EN 60335-2-40:2005/A11:2005





93








deshumificadores.

UNE-EN 16147:2011

Bombas de calor con compresor accionado eléctricamente. Ensayos y

requisitos para el marcado de equipos para agua caliente sanitaria.

UNE-EN 15879-1:2011

Ensayos y determinación de las características de las bombas de calor con

intercambio directo con el terreno con compresor accionado eléctricamente

eléctrico para calefacción y/o refrigeración de locales. Parte 1: Bombas de

calor de intercambio directo con el agua.

UNE-EN 14276-1:2007+A1:2011

Equipos a presión para sistemas de refrigeración y bombas de calor. Parte

1: Recipientes. Requisitos generales.

UNE-EN 14276-2:2008+A1:2011

Equipos a presión para sistemas de refrigeración y bombas de calor. Parte

2: Redes de tuberías. Requisitos generales.

CEN ISO/TS 16491:2012

Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air

conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests (ISO/TS

16491:2012).

UNE-EN 15450:2008

Sistemas de calefacción en edificios. Diseño de los sistemas de calefacción

con bomba de calor.



94








UNE-EN 16084:2011

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Clasificación de la estanquidad

de los componentes y las uniones.

UNE-EN 13313:2011

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Competencia del personal.

UNE-EN 13136:2002/A1:2005

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos de alivio de

presión y sus tuberías de conexión. Métodos de cálculo.

UNE-EN 13136:2002

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos de alivio de

presión y sus tuberías de conexión. Métodos de cálculo.

UNE-EN 12178:2004

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos indicadores de

nivel de líquido. Requisitos, ensayos y marcado.

UNE-EN 12263:1999

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Dispositivos interruptores de

seguridad para limitar la presión. Requisitos y ensayos.

UNE-EN 1736:2009

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Elementos flexibles de tubería,

aisladores de vibración, juntas de dilatación y tubos no metálicos.

Requisitos, diseño e instalación.



95









UNE-EN 12693:2009

Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Requisitos de seguridad y

medioambientales. Compresores volumétricos para fluidos refrigerantes.

UNE-EN 378-1:2008+A2:2012


medioambientales. Parte 1: Requisitos básicos, definiciones, clasificación y

criterios de elección.

UNE-EN 378-2:2008+A2:2012


medioambientales. Parte 2: Diseño, fabricación, ensayos, marcado y

documentación.

UNE-EN 378-3:2008+A1:2012


medioambientales. Parte 3: Instalación "in situ" y protección de las

personas.

UNE-EN 378-4:2008+A1:2012


medioambientales. Parte 4: Operación, mantenimiento, reparación y

recuperación.

UNE-EN 1861:1999

Sistemas frigoríficos y bombas de calor. Esquemas sinópticos para sistemas,

tuberías e instrumentación. Configuración y símbolos.

PROYECTOS DE NORMAS



96








Existe un proyecto de norma europea en fase de elaboración por el CEN/TC

228 Pr EN 12828 "Diseño e instalación de sistemas de calefacción de agua",

que abarca las distintas partes de la instalación: producción de calor,

distribución y emisión.

Establece los dispositivos de regulación y seguridad necesarios.



97


11. BIBLIOGRAFÍA.

WWW.BOMBASDECALOR.COM

BOLETIN OFICIAL DEL ESTADO.

WWW.AENOR.ES

UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHA. EIMIA. ASIGNATURA DE

TERMODINÁMICA TÉCNICA. AUTOR: MARIA LUISA RUBIO MESAS.

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA; ASIGNATURA MÁQUINAS Y MOTORES

TÉRMICOS. AUTOR: CARLOS J RENEDO.

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID. ESCUELA DE INGENIERÍAS

INDISTRIALES. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA Y

ECONÓMICA DE UN RECUPERADOR DE ENERGÍA PARA LA

CLIMATIZACIÓN PARA UNA PLANTA DE OFICINAS. AUTORES: VÍCTOR

REBOLLO PÉREZ, ADRIÁN VALLES ARROYO.

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA. FACULTAD DE NAÚTICA

DE BARCELONA. LOS REFRIGERANTES Y EL MEDIO AMBIENTE. AUTOR:

JUAN PABLO PLAZAS MONROY.

GUÍA DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CLIMATIZACIÓN. IDEA

(INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE ENERGÍA).

MINISTERIO DE INDUSTRIA, TURISMO Y COMERCIO.

TERMODINÁMICA BÁSICA Y APLICADA. AUTOR: L. MARTÍNEZ.

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO. FACULTAD DE

ESTUDIOS SUPERIORES DE ARAGÓN.LOS REFRIGERANTES COMO

CAUSANTES DE LA DESTRUCCIÓN DE LA CAPA DE OZONO Y EL

CALENTAMIENTO GLOBAL DE LA TIEERRA. AUTOR: RODOLFO

CERVANTES RÍOS.

BOMBAS DE CALOR Y ENERGÍAS RENOVABLES EN EDIFICIOS. ESCRITO

POR FRANCISCO JAVIER REY MARTÍNEZ Y ELOY VELASCO GÓMEZ



98

http://WWW.AENOR.ES/

bombas de calor trabajo.docx

Documents