bomba de calor

FUNCIONAMIENTO, APLICACIONES, ESTADO DE LA TECNOLOGA E INTRODUCCIN EN EL MERCADO.

NDICE DE CONTENIDOS.

1.-CONCEPTOS BSICOS.1.1.-INTRODUCCIN...............................PG. 3 1.2.-CLASIFICACIN...............................PG. 4 1.3.-FUNCIONAMIENTO...........................PG. 6 1.4.-FOCOS...........................................PG. 9 1.5.-ELEMENTOS COMPONENTES.............PG. 12 1.6.-REFRIGERANTES.............................PG. 17 1.7.-COEFICIENTES DE PRESTACIN........PG. 18

5.-SITUACIN DEL MERCADO.5.1.-OBJETIVOS......................PG. 41 5.2.-SITUACION DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR ELCTRICA...PG. 41 5.3.-SITUACIN DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR A GAS..........PG. 49

6.-CASOS DE ESTUDIO.6.1.-PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA Y CLIMATIZACIN DE HOTEL CON ENERGA SOLAR...............PG. 51 6.2.-FERMENTACIN DEL PAN...PG. 51 6.3.-CLIMATIZACIN DEL PALACIO DE JUSTICIA (VITORIA).................PG. 52 6.4.-CLIMATIZACIN DE UNA PISCINA CUBIERTA...............................PG. 53 6.5.-CLIMATIZ. DE OFICINAS....PG. 53 6.6.-SECADERO DE MADERA.....PG. 54

2.-APLICACIONES.2.1.-SECTOR RESIDENCIAL....................PG. 20 2.2.-SECTOR TERCIARIO........................PG. 22 2.3.-SECTOR INDUSTRIAL......................PG. 24

3.-ESTADO DE LA TECNOLOGA.3.1.-REFRIGERANTES............................PG. 27 3.2.-CICLOS.........................................PG. 30 3.3.-COMPONENTES..............................PG. 31 3.4.-ALGUNOS PROYECTOS DE I+D DESARROLLADOS.........................................PG. 32

6.7.-CLIMATIZACIN DE RESTARURANTE.......................PG. 55 6.8.-RECOMPRESIN MECNICA DE VAPOR PARA LA CONCENTRACIN DE ZUMO DE FRUTA......................PG. 56 6.9.-APROVECHAMIENTO DE ENERGA GEOTRMICA MEDIANTE BOMBA DE CALOR EN HOTEL.....................PG. 56 6.10.-CLIMATIZACIN EN EDIFICIO DE VIVIENDAS.............................PG. 57 6.11.-CLIMATIZACIN DEL TEATRO REAL......................................PG. 57

4.-BOMBAS DE CALOR Y MEDIO AMBIENTE.

4.1.- VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES: REDUCCIN DE EMISIONES DE CO2.................PG. 34 4.2.-PROBLEMTICA RELACIONADA CON REFRIGERANTES...........................................PG. 37

7.-BIBLIOGRAFA.................PG. 58

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Calor y Fro Industrial II. 5 ETSII - UNED.

1.- CONCEPTOS BSICOS.1.1.- INTRODUCCIN.El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de forzar el flujo de calor en la direccin contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequea. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco fro), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calefactar, o bien para emplearlo en procesos que precisan calor en la edificacin o la industria. Es posible, asmismo, aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco fro, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema. Las Bombas de Calor tambin pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicacin que requiere fro al entorno que se encuentra a temperatura superior. En algunas ocasiones, el calor extrado en el enfriamiento es utilizado para cubrir una demanda simultnea de calor. Para transportar calor desde la fuente calorfica al sumidero calorifugado, se requiere aportar un trabajo. Tericamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extrado de la fuente de calor ms el trabajo externo aportado. El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor no es reciente. Sus orgenes provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepcin terica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evolucionaba cclicamente, era comprimido y posteriormente expansionado, obteniendo fro y calor. El desarrollo de los equipos de refrigeracin tuvo un rpido progreso, en aplicaciones como la conservacin de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente trmica, el calor o el fro y calor simultneamente no se aprovecharon. Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnolgicas que presentaba la construccin de la Bomba de Calor y por otra al alto precio de este tipo de energa, que haca que no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefaccin a base de carbn, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relacin con sus costes. Por ejemplo, en 1965, en Estados Unidos, slo las Bombas de Calor con un COP superior a 5 conseguan acercarse a los costes del combustible ms caro, que en esos aos era el gas ciudad. (Luego se hablar del COP). A finales de los aos cincuenta se inici la expansin de la Bomba de Calor en Estados Unidos y su produccin en serie, con la siguiente evolucin en el nmero de ventas: 1954 (2.000 unidades), 1957 (10.000 unidades), 1963 (76.000 unidades). En Europa no se inicia su comercializacin hasta 1970. As, en 1973 se vendieron en Francia 600 Bombas de Calor de tipo domstico y 7.000 unidades en 1977. En Espaa en 1980, del orden de 2.500 unidades. En 1968 se realiz la primera instalacin con Bomba de Calor a gas en Europa, en una pista polideportiva holandesa. La crisis del petrleo y el alza de los precios de los combustibles a partir de 1973, impuls las investigaciones en nuevos equipos de alta eficiencia, adems de cambiar el posicionamiento de los costes de calefaccin, situacin que benefici el desarrollo de la Bomba de Calor.

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Jos Manuel Gmez Vega.

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A lo largo de estos aos adems de los cambios coyunturales que han propiciado el aumento de las ventas, las Bombas de Calor han tenido una evolucin positiva desde el punto de vista tecnolgico. En un principio, el desarrollo se centr en equipos reversibles aire-aire. El fin principal de estas bombas era la refrigeracin, en consecuencia el diseo estaba orientado a las condiciones del ciclo para obtener fro en verano. Por esta razn existan una serie de defectos de la mquina al funcionar para dar calefaccin, que hoy en da se encuentran superados gracias al desarrollo de los compresores y a la introduccin de la electrnica para el control de desescarche. Estos defectos eran: Fallos del compresor por golpes de lquido, falta de engrase o sobrecarga del motor de accionamiento. Formacin de hielo en el evaporador. Potencia calorfica baja. Costes de explotacin superiores a los previstos. En el momento actual la utilizacin de Bombas de Calor se justifica, adems de por el ahorro energtico que suponen, por su contribucin a la reduccin de las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energa primaria que los medios tradicionales de calefaccin. Sin embargo a nadie se le escapa que el efecto sobre el medio ambiente de las Bombas de Calor depende mucho de cmo se genere la energa elctrica. Si la energa elctrica proviene de fuentes como la hidroelctrica elica, es clara la reduccin de las emisiones, pero incluso cuando la electricidad que alimenta las bombas es generada mediante centrales trmicas de combustibles fsiles, se demuestra que la reduccin total de emisiones es importante.

1.2.- CLASIFICACIN.Las Bombas de Calor se pueden clasificar segn diferentes criterios. A continuacin se muestran algunos de los ms utilizados. Segn el Tipo de Proceso. Bombas de Calor, cuyo compresor est impulsado mecnicamente por un motor elctrico de gas, diesel, o de otro tipo. Bombas de Calor de accionamiento trmico (Bombas de Calor de absorcin), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas. Bombas de Calor electrotrmicas, que funcionan segn el efecto Peltier. En las Bombas de Calor de compresin, la elevacin de presin y temperatura entre evaporador y condensador se logra mediante compresin mecnica del vapor. En el ciclo de absorcin este efecto se logra mediante un circuito de absorcin. Por otra parte la compresin mecnica se puede realizar mediante un compresor accionado por un motor elctrico en las bombas con motor elctrico, o bien por un compresor accionado por un motor de combustin de gas, en las Bombas de Calor de motor de gas.

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Segn el medio de origen y destino de la energa. Esta clasificacin es la ms utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco fro) y la segunda al medio receptor (foco caliente)Medio del que extrae la Medio al que se cede energa (Foco Fro) energa (Foco Caliente) AIRE AIRE Segn medio de origen y de destino de la energa AGUA AGUA TIERRA TIERRA AIRE AGUA AIRE AGUA AIRE AGUA

Bombas de climatizacin.

calor

aire-aire:

Son

las

ms

utilizadas,

principalmente

en

Bombas de calor aire-agua: Se utilizan para producir agua fra para refrigeracin o agua caliente para calefaccin y agua sanitaria. Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energa contenida en el agua de los ros, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energticos mejores que las que utilizan aire exterior, debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua a lo largo del ao. Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los emisores son radiadores a baja temperatura, fan-coils o suelo radiante. Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son instalaciones poco habituales, debido a su coste y a la necesidad de disponer de grandes superficies de terreno. Segn construccin. Por la forma de construir la mquina, sta puede ser: Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de una misma carcasa. Split o partidas: Estn constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el compresor y la vlvula de expansin y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior del local. Multi-split: Estn constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores.

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Segn funcionamiento. Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefaccin como en ciclo de refrigeracin invirtiendo el sentido de flujo del fluido frigorfico gracias a una vlvula de 4 vas. No reversibles: nicamente funcionan en ciclo de calefaccin. Termofrigobombas: Producen simultneamente fro y calor.

1.3.- FUNCIONAMIENTO.1.3.1.- Bomba de Calor de Compresin Mecnica. La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresin de un fluido condensable. Sus principales componentes son: -Compresor -Vlvula de expansin -Condensador -Evaporador Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido refrigerante.

FIGURA 1.1 BOMBA DE CALOR DE COMPRESIN MECNICA ACCIONADA POR MOTOR ELCTRICO

El ciclo se desarrolla en las siguientes etapas: 1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco fro), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporacin de ste. 2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presin y temperatura. 3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensacin al medio. 4. Finalmente, el lquido a alta presin obtenido a la salida del condensador se expande mediante la vlvula de expansin hasta alcanzar la presin y temperatura del

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evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador. El compresor puede ser accionado por un motor elctrico o por un motor trmico.Bombas de calor elctricas: En este tipo de bombas el compresor es accionado por un motor elctrico. (Fig.1.1) Bomba de calor con motor trmico: El compresor es accionado mediante un motor de combustin, alimentado con gas o con un combustible lquido. Las ms extendidas son las Bombas de Calor con motor de gas. (Fig.1.2)

FIGURA 1.2 BOMBA DE CALOR CON MOTOR DE GAS

Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefaccin y refrigeracin. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una vlvula de 4 vas que permite la inversin de circulacin del fluido frigorfico. De esta forma: Se bombea calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefaccin. Se bombea calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeracin. En la figura 1.3 se esquematizan los ciclos de calefaccin y refrigeracin. El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente: Ciclo de calefaccin: El compresor eleva la presin y temperatura del fluido frigorfico. (1) En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calefactar, el fluido cede al aire del recinto el calor de su condensacin. (2) El fluido en estado lquido y a alta presin y temperatura se expande en la vlvula de expansin reduciendo su presin y temperatura, evaporndose en parte. (3) En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporacin absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a travs de una vlvula de cuatro vas. (5)

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FIGURA 1.3 CICLOS DE CALEFACCIN Y REFRIGERACIN

Ciclo de refrigeracin: El compresor eleva la presin y temperatura del fluido frigorfico (1) siguiendo su camino a travs de la vlvula de 4 vas (5). En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior. (4) El fluido en estado lquido y alta presin se expande en la vlvula de expansin reduciendo su presin y evaporndose en parte. (3) En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorfico completa su evaporacin absorbiendo calor del medio interior. 1.3.2.- Bomba de Calor de Absorcin. Las Bombas de Calor de absorcin son accionadas trmicamente, esto quiere decir que la energa aportada al ciclo es trmica en vez de mecnica como en el caso del ciclo de compresin. El sistema de absorcin se basa en la capacidad de ciertas sales y lquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos ms utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinacin con bromuro de litio como absorbente, o bien el amonaco como refrigerante utilizando agua como absorbente.

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FIGURA 1.4 BOMBA DE CALOR DE ABSORCIN

Los ciclos de absorcin son anlogos a los de compresin, nicamente se sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma funcin que ste, es decir, eleva la presin y temperatura del fluido frigorfico en estado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en la figura 1.4, consiste en un absorbedor, una bomba que impulsa la disolucin, un generador y una vlvula de expansin. El vapor a baja presin procedente del evaporador es absorbido por el fluido absorbente en el absorbedor. El proceso de absorcin genera calor. La disolucin es bombeada a mayor presin accediendo al generador, donde el fluido refrigerante entra en ebullicin gracias a un calor que se aporta desde el exterior. El refrigerante es entonces condensado, separndose del absorbedor. El refrigerante pasa a travs del condensador mientras que el absorbente es conducido al absorbedor. Se obtiene energa trmica a media temperatura en el condensador y en el absorbedor. En el generador se consume energa trmica a alta temperatura, y en la bomba energa mecnica.

1.4.- FOCOS.La Bomba de Calor extrae energa de un medio. Mediante el trabajo externo aportado, esta energa es cedida a otro. El medio del que se extrae la energa se llama foco fro y el medio al que se cede se llama foco caliente. A continuacin se analizan algunos medios susceptibles de ser utilizados como focos fros o calientes para Bombas de Calor. En el siguiente esquema se presentan algunos focos entre los que se puede bombear calor.

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1.4.1.- Focos Fros Un foco fro ideal es aqul que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo de la estacin en que es necesario calefactar, est disponible en abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinmicas favorables, y no requiere costes elevados de inversin o mantenimiento. En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de las fuentes de calor normalmente utilizadas:Fuente de calor o foco fro Aire ambiente Aire de extraccin Agua subterrnea Agua de lagos o ros Agua de mar Suelos Subsuelo Aguas residuales y de procesos Rango de temperaturas (C) -10 / 15 15 / 25 4 / 10 0 / 10 3/8 0/5 0 / 10 >10

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Aire Atmosfrico. Su utilizacin presenta problemas de formacin de escarcha. Este problema se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeos periodos, lo que supone un gasto adicional de energa. La temperatura debe ser superior a -5C para que el COP resulte interesante. Para temperaturas por encima de 5C no es necesario el desescarche. Aire de extraccin. Esta es una fuente de calor comn en edificios residenciales y comerciales. La Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilacin y proporciona calefaccin. Existen sistemas diseados para trabajar con una combinacin de aire natural y de aire de extraccin en funcin de las necesidades. Aguas naturales. Se pueden utilizar como focos fros las aguas de ros, lagos, aguas subterrneas o del mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8C) e independiente de cambios climticos en el exterior, adems la congelacin no tiene lugar hasta -1 -2C. Cuando se utiliza agua del mar hay que prever problemas de corrosin y de proliferacin de algas en la superficie del intercambiador. Energa solar. Consiste en la captacin de energa solar mediante paneles solares, en combinacin con la Bomba de Calor. Energa geotrmica del suelo y subsuelo. Estas bombas se suelen utilizar en climas fros donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco fro el aire exterior. Para aprovechar la energa del suelo es necesario un sistema de tuberas. Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una gran superficie de terreno. Energas residuales y procedentes de procesos Como foco fro se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria o de los condensadores de produccin de energa elctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del ao. Los principales problemas para su utilizacin son: La distancia al usuario, la variabilidad del caudal y en el caso de aguas residuales la corrosin y obstruccin del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas. 1.4.2.- Focos calientes Aire El calor obtenido del foco fro se cede al aire que pasa directamente a la habitacin por la unidad interior o es forzado a travs de un sistema de conductos.

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Agua Apropiados para la produccin de agua para calefaccin o agua caliente sanitaria y procesos industriales. A travs de un sistema de tuberas se distribuye a radiadores especialmente diseados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils, que funcionan a temperaturas de 4555C. En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de distribucin de agua y aire para las diferentes aplicaciones de calefaccin:Aplicacin Distribucin de aire para calefaccin Temperatura de distribucin (C) 30-50

Distribucin de agua para calefaccin: - Calefaccin a travs del suelo - Fan-coils - Radiadores convencionales 30-45 45-55 60-90

Calefaccin de distrito: - Agua caliente - Agua caliente-vapor 70-100 100-180

1.5.- ELEMENTOS COMPONENTES.Para que el fluido refrigerante evolucione segn los ciclos anteriormente expuestos son necesarios los elementos que a continuacin se explican 1.5.1.- Compresor Su misin es elevar la presin del vapor refrigerante desde una presin de aspiracin a una presin de descarga ms alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumtricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrfugos. En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser: Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurndose la estanqueidad en el paso del eje. Semihermticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos. Hermticos: El motor y el compresor, adems de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperacin del calor generada en el motor es mayor. En las Bombas de Calor elctricas se utilizan compresores hermticos para potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente Bombas de Calor aire-agua) se utilizan compresores semihermticos.

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nicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie. En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagntico que permite la regulacin de la potencia en funcin de la demanda trmica. Las Bombas de Calor con motor de gas disponibles actualmente en el mercado suelen disponer de un motor de 4 tiempos que acciona un compresor alternativo abierto. Alternativos. Los alternativos hmedos estn compuestos por un nmero variable de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido. Los cilindros se suelen disponer en posicin radial. El fluido entra y sale de ellos por vlvulas accionadas por la presin diferencial entre ellos. Disponen de un sistema de lubricacin mediante aceite a presin. Este circuito de aceite acta tambin como refrigerante. La refrigeracin mediante aceite presenta problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior del cilindro. La presin mxima de aspiracin est limitada en estas mquinas a 7 kg/cm2 y consigue presiones a la salida del compresor de 20 kg/cm2 como mximo. Los compresores alternativos se emplean para potencias trmicas generadas entre 0,1 kW y 100 kW. Los alternativos secos consiguen presiones de salida ms elevadas que en los anteriores, ya que la compresin tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor generado en la compresin mediante circuitos de agua en las etapas entre compresiones. La estanqueidad entre cilindro y pistn se logra mediante segmentos muy resistentes que no requieren refrigeracin, a base de materiales como el politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un costo ms elevado y desarrollan mayores potencias.

FIGURA 1.5 COMPRESOR ALTERNATIVO

Rotativos. El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y otro hembra que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el espacio entre ellos primero aumenta, generando una depresin mediante la que se aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no existir contacto entre los rotores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo s es necesaria una refrigeracin auxiliar. En el caso del compresor de tornillo hmedo se inyecta aceite a presin entre los rotores para conseguir lubricacin y refrigeracin. Los compresores de tornillo se utilizan en generacin de potencias trmicas elevadas a partir de 500 kW.

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Los compresores de tornillo se utilizan para grandes potencias, de 100 a 200 kW, y suelen ser semihermticos.

FIGURA 1.6 COMPRESOR ROTATIVO

Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias trmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se comprime por la variacin del volumen causada por una espiral giratoria. Son hermticos y permiten la aspiracin y descarga simultnea del refrigerante sin necesidad de una vlvula. La reduccin de partes mviles mejora el desgaste y en consecuencia la duracin de estos equipos.

FIGURA 1.7 COMPRESOR DE ESPIRAL O SCROLL

Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia trmica (hasta 6 kW). Son rotativos hermticos y consiguen la variacin del volumen mediante un pistn rodante. Centrfugos. Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de presin y se destinan a equipos de gran potencia.

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1.5.2.- Condensador Se pueden clasificar en: Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire. Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisin de calor. Adicionalmente estas bateras disponen de ventiladores que inducen la circulacin del aire a calentar entre las aletas del condensador. Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua. Pueden ser: Cambiadores de doble tubo en contracorriente: El fluido refrigerante circula por el espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricacin de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de potencia trmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por la dificultad de la limpieza. Multitubulares horizontales: El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero con tapas de fundicin. Debido a las caractersticas del agua puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de aleacin de nquel. 1.5.3.- Evaporador. Segn el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador estos se clasifican en: De expansin seca: El vapor que se introduce en el compresor est ligeramente sobrecalentado y hay ausencia total de lquido. Estos evaporadores se emplean con compresores centrfugos donde dada la elevada velocidad, la presencia de gotas de lquido daara los labes. Inundados: El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puede incluso contener gotas de lquido. Segn el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser: Evaporadores de aire: Las bateras evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos ventiladores pueden ser axiales o centrfugos. Los centrfugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de roco del aire se produce el fenmeno de la condensacin y si se reduce an ms la temperatura el escarchado. El escarchado incide negativamente en los rendimientos por dos motivos: prdida en la superficie de intercambio, y prdida de carga en el flujo de aire a travs del conjunto de tubos. Por esta razn las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo.

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FIGURA 1.8 VENTILADOR AXIAL Y VENTILADOR CENTRIFUGO

Evaporadores de agua: Pueden ser coaxiales en contracorriente o bien multitubulares. 1.5.4.- Dispositivos de expansin. Son los dispositivos mediante los que se realiza la reduccin de presin isoentlpica desde la presin de condensacin hasta la de evaporacin. Los elementos utilizados son: Tubo capilar para mquinas de potencia reducida y constante. Vlvula de expansin: Las vlvulas de expansin tienen una seccin variable. Esta seccin puede ser variada automticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporacin se mantenga constante y no accedan gotas de lquido al compresor. En este caso la vlvula recibe el nombre de termosttica.

FIGURA 1.9 VLVULA EXPANSIN

1.5.5.- Dispositivos de seguridad y control. Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se est trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son: Presostato de alta presin. Detiene el compresor cuando se alcanza una presin de condensacin elevada. Presostato de baja presin. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presin de aspiracin es demasiado baja. Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presin del aceite del circuito de refrigeracin y lubricacin de aceite.

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Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura de descarga es demasiado elevada. 1.5.6.- Dispositivos auxiliares Vlvulas de 4 vas: Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche. Vlvulas solenoides: Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde. A la salida del condensador y antes de la vlvula de expansin se sita un depsito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no dae el compresor.

1.6.- REFRIGERANTES.Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinmicas de tal manera que condensen y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor temperatura cuando se eleva su presin, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presin y los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas respectivamente. Por otra parte, los fluidos refrigerantes no deben ser txicos, ni inflamables, ni reaccionar con los materiales que constituyen la mquina. Los fluidos halogenados presentan las mejores propiedades ya que trabajan en las temperaturas y presiones adecuadas para esta aplicacin y no son txicos ni inflamables. No obstante, pueden contribuir a la destruccin de la capa de ozono. Si al final de su vida til se liberan en el ambiente, la incidencia de rayos ultravioleta sobre estas sustancias hace que se fotodisocien quedando libres radicales de cloro, que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyndolo. Por estas razones, la utilizacin de estos refrigerantes est restringida por ley. El desarrollo de la tecnologa frigorfica y de la Bomba de Calor ha estado siempre ligada a la investigacin en el campo de los refrigerantes. En el capitulo 3 se expone la problemtica asociada a la utilizacin de nuevos refrigerantes y las tendencias en este campo. Actualmente el fluido con el que funcionan la prctica totalidad de las Bombas de Calor en Espaa es el R-22, (HCFC-22) cuya frmula qumica es CHClF2. El R-22 nicamente tiene un tomo de cloro y por tanto resulta menos perjudicial para la capa de ozono que los CFCs. No obstante, y en virtud del reglamento de la Unin Europea 3093/94, se ha establecido un programa de reduccin progresiva de utilizacin de los HCFCs, de forma que la produccin de R-22 finalizar en el ao 2014. En cuanto a las temperaturas y presiones de funcionamiento en la aplicacin de Bomba de Calor del R-22 estas suelen ser:Temperaturas Evaporador +25C Condensador +70C Presiones (Kg/cm2 abs) Evaporador 10,5 Condensador 30,5

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1.7.- COEFICIENTES DE PRESTACIN.Se define el coeficiente de prestacin de una Bomba de Calor COP (Coefficient of perfomance) como el cociente entre la energa trmica cedida por el sistema y la energa de tipo convencional absorbida. COP terico. En un ciclo ideal de Carnot:

Siendo: T1: Temperatura absoluta del foco caliente. T2: Temperatura absoluta del foco fro. COP prctico

es un coeficiente de rendimiento que tiene en cuenta que el ciclo real no se desarrolla encondiciones perfectas de isoentropicidad, (los procesos son irreversibles y no perfectamente adiabticos). Este coeficiente oscila entre 0,3, en mquinas pequeas, hasta 0,65 en las de gran potencia. Tf2 y Tf1 son respectivamente las temperaturas absolutas de evaporacin y condensacin del fluido refrigerante. Para que la transmisin de calor entre el fluido refrigerante y un foco fro tenga lugar, es necesario que Tf2 sea inferior a T2. De la misma manera, para que el fluido refrigerante ceda calor al foco caliente, Tf1 debe ser superior a la temperatura del foco caliente T1 El COP prctico depende del coeficiente de rendimiento a y de las temperaturas del foco fro y caliente. En la figura 1.10 se representa esta dependencia. PER Se le denomina REP (Rendimiento de Energa Primaria) o PER (Primary Energy Ratio) en terminologa anglosajona. Este coeficiente, justifica la utilizacin de la Bomba de Calor frente a otras alternativas tradicionales.

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FIGURA 1.10 COP PRCTICO DE UNA BOMBA DE CALOR.

Bomba de calor elctrica COP PER 2,5-4 0,9-1,4

Bomba de calor con motor de combustin 0,8-2 0,8-2

Bomba de calor de absorcin de simple efecto 1-1,7 1-1,7

Bomba de calor de absorcin de doble efecto 1,8-2,4 1,8-2,4

El PER se define como la relacin entre la energa trmica y la energa primaria consumida en el proceso. En la tabla siguiente se muestran los valores habituales del COP y PER de distintas Bombas de Calor trabajando entre 0 y 50 C. COP medio estacional. Las condiciones del foco caliente y del fro van variando a lo largo del ao, y en consecuencia las temperaturas a las que debe trabajar el fluido tambin deben variar. Por esta razn es posible que haya que aportar al sistema energas adicionales a la del compresor en los momentos ms desfavorables. A la hora de estudiar la viabilidad e inters de una Bomba de Calor en una determinada aplicacin es necesario determinar el valor de este coeficiente.

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Siendo: Q1 : Calor total cedido para la calefaccin en el periodo considerado en valor absoluto. W : Trabajo realizado por el compresor sobre el fluido en el periodo considerado en valor absoluto. W : Resto de energas consumidas en el periodo considerado: prdidas en el motor elctrico, aportaciones externas de calor, etc.. Al coeficiente de prestacin estacional tambin se le denomina SPF (Seasonal Perfomance Factor) en terminologa anglosajona. Es con este factor con el que se deben de comparar los gastos de funcionamiento de las diferentes alternativas de calefaccin.

2.- APLICACIONES.2.1.- SECTOR RESIDENCIAL.Climatizacin de viviendas. Las Bombas de Calor utilizadas en estas aplicaciones son: Bombas de calor aire-aire: Es la aplicacin ms habitual. Se suelen utilizar unidades de baja potencia, que se destinan a la calefaccin y refrigeracin de viviendas. El equipo est en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae el calor y tambin con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor. Este ser distribuido mediante un red de conductos por todas las habitaciones. Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una sola unidad. La batera exterior ir en contacto con el ambiente exterior y la unidad interior estar 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 irn conectadas mediante tuberas aisladas, por las que circular el refrigerante. La unidad exterior ir colocada en el exterior de la vivienda, por ejemplo en la terraza, jardn, 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 travs de un circuito de agua a baja temperatura. Bombas de calor agua-agua: Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ros, lagos, etc. o agua subterrnea. La temperatura de estas fuentes es prcticamente constante durante toda la estacin de calefaccin, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada. Como en el caso anterior la distribucin se hace mediante sistemas a baja temperatura.

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Bombas de calor agua-aire: Requieren tambin la disponibilidad de una fuente de calor, agua subterrnea, superficial, etc. La distribucin se calor se realiza mediante una red de conductos a todas las dependencias de la vivienda. Bombas de calor tierra-agua: Aprovechan la energa solar acumulada en el terreno como fuente de calor. Este calor es extrado por la Bomba de Calor a travs de un circuito de agua con glicol, enterrado. La complejidad de la instalacin y la necesidad de disponer de una superficie de terreno grande, hacen que la inversin sea elevada, por lo que esta aplicacin es ms propia de zonas con temperaturas exteriores rigurosas, donde los equipos condensados por aire no son adecuados. La utilizacin de la Bomba de Calor para proporcionar calefaccin, refrigeracin y agua caliente sanitaria en viviendas, es una aplicacin ampliamente difundida en Espaa. La casi totalidad de los equipos existentes en el mercado son reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos: de invierno, proporcionando calefaccin y de verano proporcionando refrigeracin. Por esta razn las Bombas de Calor estn especialmente indicadas para situaciones en las que se prevea demanda de calefaccin y refrigeracin, 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.

FIGURA 2.1 CICLOS DE FRIO Y CALOR DE UNA BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE

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

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Agua Caliente Sanitaria. La Bomba de Calor tambin puede utilizarse para la produccin de agua caliente sanitaria. Aqu el agua es el foco caliente o sumidero de calor. En primer lugar el COP estacional en este caso es superior al de la aplicacin para climatizacin, ya que su utilizacin tiene lugar durante todo el ao. En segundo lugar el COP prctico en verano es muy elevado, como consecuencia de las altas temperaturas del aire exterior. Por ltimo dado que el pico de demanda de agua caliente sanitaria tiene lugar a primeras horas de la maana resulta econmica la produccin y acumulacin de agua caliente sanitaria mediante Bomba de Calor durante la noche acogindonos a la tarifa nocturna.

2.2.- SECTOR TERCIARIO.Climatizacin. La climatizacin de pequeos locales de oficinas, comercios, restaurantes etc., es una aplicacin muy habitual en este sector. Los grandes edificios de oficinas se caracterizan por sus elevadas cargas internas de calor, originadas por la iluminacin, equipos ofimticos y grado de ocupacin. Por otra parte sus fachadas suelen tener orientaciones diferentes. As se presentan simultneamente zonas en que debido a la insolacin y las cargas internas necesitan ser refrigeradas, mientras que otras zonas del edificio demandan calefaccin. Algunos tipos de Bombas de Calor pueden producir simultneamente fro y calor resolviendo esta situacin, tanto de una forma centralizada como descentralizada. Otra solucin la ofrece la utilizacin de Bombas de Calor para transferencia del calor sobrante de unas zonas del edificio a otras con necesidades de calefaccin. Es el caso de edificios muy compartimentados. Las Bombas de Calor del tipo agua-aire, estn repartidas por los diferentes locales y conectadas entre si mediante un circuito de agua. Las Bombas de Calor situadas en locales con necesidades de calefaccin, toman el calor del circuito de agua y lo ceden al aire. En los locales con necesidades de refrigeracin las Bombas de Calor evacuan al circuito de agua el calor excedentario. El bucle de agua conserva globalmente una temperatura constante, generalmente entre 20 C y 30 C. Cuando una de las necesidades bien de calor o bien de fro, llegue a ser preponderante, el excedente de la otra produccin provoca un calentamiento o un enfriamiento del bucle de agua. Por esta razn se incorpora un dispositivo compensador como por ejemplo una caldera o un dispositivo de enfriamiento, haciendo intervenir uno u otro segn la necesidad. El circuito puede ser cerrado o abierto. Circuito cerrado de agua: Si existe un excedente de calor, este es evacuado mediante una torre de refrigeracin, mientras que si el edificio es deficitario en calor, la energa calorfica complementaria la aportar una caldera. Circuito abierto: Si se dispone de una fuente suplementaria de agua, superficial o subterrnea, sta puede ser utilizada en circuito abierto para aportar o evacuar el calor. En los sistemas centralizados el fro 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, tuberas de agua y tuberas de fludo refrigerante.

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FIGURA 2.2 SISTEMA CON CONDUCTOS DE AIRE

En los sistemas que utilizan tuberas de agua los elementos terminales ms usuales son los fan-coils. Estos sistemas pueden ser clasificados en:Sistemas a dos tubos: Por uno de ellos circula el agua caliente o fra, segn la Bomba de Calor funciona en ciclo de calefaccin de refrigeracin. Por el otro circula el agua de retorno procedente de la unidad terminal. Sistemas a cuatro tubos: En este caso hay dos tuberas de impulsin, una de agua fra y otra de agua caliente, y otras dos tuberas de retorno.

Por ltimo se puede transportar el fro o calor generado a las distintas zonas, mediante tuberas de fluido refrigerante. Uno de los sistemas utilizados es el sistema de caudal de refrigerante variable (VRV). En estos equipos se vara el caudal de refrigerante impulsado a las unidades interiores en funcin de las necesidades de cada una de las zonas o dependencias. De esta forma son capaces de incorporar hasta 16 unidades interiores y consiguen la mxima eficiencia energtica, ya que nicamente proporcionan la energa requerida en cada momento. El rendimiento energtico de este sistema disminuye cuando existe una gran diferencia de altura entre la unidad exterior y las interiores.

FIGURA 2.3 SISTEMA DE CAUDAL DE REFRIGERANTE VARIABLE.

Climatizacin de piscinas. En las piscinas climatizadas cubiertas, es necesario recurrir en invierno a un elevado nmero de renovaciones de aire para evitar un excesivo contenido de humedad en el ambiente, debido a la evaporacin del agua del vaso de la piscina, que dara lugar a que se formen condensaciones en los cerramientos. La Bomba de Calor permite reducir el caudal de

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ventilacin necesario, obteniendo un importante ahorro de energa. El aire hmedo de la piscina es enfriado en el evaporador de la Bomba de Calor. El enfriamiento produce condensacin del exceso de humedad acumulada en el aire. El aire fro 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. Tambin se utiliza para la calefaccin de los locales anexos como vestuarios, duchas, etc.

2.3.- SECTOR INDUSTRIAL.Una parte importante del consumo energtico en la industria se destina a procesos trmicos. Esta demanda trmica se encuentra cubierta mayoritariamente por sistemas convencionales. Hay procesos que requieren la aportacin de calor mientras que otros son excedentarios. Lo habitual en estos casos es que el calor sobrante sea evacuado a la atmsfera mediante torres de refrigeracin, con la consiguiente prdida de energa, mientras que por otro lado siguen existiendo necesidades de calor que se cubren, por ejemplo, con la utilizacin de calderas. En estas situaciones las Bombas de Calor proporcionan una gran oportunidad para ahorrar energa, 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 energas trmicas degradadas. Parte de efluentes trmicos no utilizables, y eleva el nivel de la energa trmica contenida en los mismos, en sustitucin 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 recuperacin, evaluando su viabilidad tanto desde el punto de vista energtico como econmico. Las lneas de fluidos con calor residual ms comunes en la industria son las procedentes de aguas de refrigeracin, efluentes o condensados. El problema que presentan estas fuentes es que su caudal flucta. Por esta razn y para aprovechar este calor residual son necesarios acumuladores de gran capacidad para conseguir una operacin estable de la Bomba de Calor. Tipos de Bomba de Calor para aplicaciones industriales. Los principales tipos son: Bombas de calor en ciclo de compresin cerrado: La temperatura mxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales est en torno a los 120 C. Este es el tipo de bombas ms extendido en la industria. Sistemas de recompresin mecnica del vapor (MVR): En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un ciclo abierto. Se clasifican en sistemas abiertos y semiabiertos. En un sistema abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido. Al elevar su presin se eleva su temperatura, y condensado en el mismo proceso cede su calor.

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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 pequeo por esta razn. La eficacia de utilizacin es elevada y se obtienen COPs de 10 a 30. Los sistemas actuales MVR trabajan con temperaturas de foco fro de 70 a 80 C y ceden el calor a temperaturas entre 110 y 150 C. En algunos casos pueden llegar a los 200 C. El agua es el fluido de trabajo ms usual, aunque tambin se pueden utilizar otros vapores de procesos. Bombas de calor de absorcin de simple efecto: En Suecia y Dinamarca se han utilizado para recuperar calor de incineradoras de Los sistemas actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de 100C y un salto trmico de hasta 65 C, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. generacin de Bombas de Calor de absorcin avanzadas alcanzarn temperaturas de 260 C y saltos trmicos superiores a los mencionados. Bombas de calor de absorcin de doble efecto: Tambin 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 utilizacin. 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 150 C, con un salto de temperatura de 50 C. Los COPs en estas condiciones estn comprendidos entre 0,45 y 0,48. Ciclo de Bryton inverso: Con este ciclo se recuperan las sustancias disueltas en gases en varios procesos. El aire saturado se comprime y expande. El aire se enfra en la expansin, y las sustancias disueltas se condensan y son recuperadas. La expansin tiene lugar en una turbina que acciona un compresor. Aplicaciones. La principal justificacin de la utilizacin de la Bomba de Calor en la industria es la recuperacin de calor. La Bomba de Calor hace utilizables flujos de calor, que de otro modo seran disipados sin aprovechamiento. El calor obtenido en el condensador de la Bomba de Calor puede ser utilizado entre otras aplicaciones para: -Calefaccin, climatizacin y agua caliente sanitaria: Estas aplicaciones son similares a las estudiadas en los sectores residencial y terciario. Suministran agua por ejemplo a fan-coils, para la calefaccin de locales y naves. -Calentamiento de agua: En la industria se presentan en muchas ocasiones, necesidades simultneas de agua fra y caliente, en el rango de temperaturas de 40 C a 90 C, para lavandera, limpieza y desinfeccin. Esta demanda puede ser cubierta por Bombas de Calor. Las bombas instaladas en este campo son principalmente de compresin con motor elctrico. -Secado de productos: Las Bombas de Calor se usan extensivamente en la deshumidificacin industrial y secado a temperaturas bajas y moderadas. Esta es una aplicacin muy desarrollada en Espaa. Para secar un producto se utiliza la propiedad que tiene el aire para cargarse de humedad. La cantidad de humedad absorbida por el aire es mayor, cuanto ms alta sea la temperatura. El proceso consiste en impulsar al local aire caliente y seco, que robar humedad al producto a secar. Posteriormente este aire hmedo pasa por el evaporador de la Bomba de Calor, en el que se enfra y deshumidifica. La Bomba de Calor est especialmente indicada para aquellos procesos que requieren un secado lento y sensible a altas temperaturas. residuos. salida de La nueva de salida

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Algunos ejemplos son: a) Secado y curado de embutidos: En el caso del secado y curado de embutidos el proceso se realiza en dos fases: Estufaje: Con una duracin de entre 30 y 75 horas. Primero se busca una desecacin inicial rpida con aire seco a unos 28C. Despus se baja la temperatura a 22-24C y se incrementa la humedad relativa. Curado: Con una duracin en torno a 20 das se mantienen temperaturas bajas de 12 a 15 C con humedades relativas en torno al 75 %. b) Secado de tabaco: En la figura se observa el esquema del proceso de secado de tabaco.

FIGURA 2.4. PROCESO DEL SECADO TABACO.

c) Secado de lodos de plantas depuradoras de aguas residuales: Tambin se utilizan en el secado de lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales, como se observa en la figura, que corresponde a un esquema de principio de un tnel de deshidratacin de lodos mediante Bomba de Calor. Otros ejemplos de aplicaciones de secado, con su rango de temperaturas, son: secado de cuero y pieles, secado de ladrillos, secado de maderas, secado de la malta de cerveza, secado de lana y fibras textiles. -Destilacin y obtencin de concentrados: An a pesar de que la evaporacin y la destilacin son procesos intensivos de energa, la Bomba de Calor se utiliza con este fin en la industria qumica y alimentaria. En la destilacin se est produciendo una evaporacin que requiere calor y una condensacin donde sobra calor. La Bomba de Calor puede funcionar cediendo calor en su condensador y absorbindolo en el evaporador. En los procesos de concentracin se aplican sistemas MVR abiertos o semiabiertos, aunque tambin se utilizan bombas de ciclo de compresin. La utilizacin es muy efectiva con COP's entre 6 y 30, cuando son necesarios pequeos saltos de temperatura. Una aplicacin es la concentracin en la industria alimentaria (lcteos, zumos...). -Calefaccin de invernaderos: En los invernaderos las plantas absorben humedad y nutrientes por sus races, devolviendo parte de la humedad al aire ambiente a travs 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.

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-Calentamiento y enfriamiento de agua en Piscifactoras: En las piscifactoras es necesaria la produccin de agua caliente y fra de forma simultnea, pues las condiciones de temperatura requeridas para la cra y engorde son distintas a las necesidades para la fecundacin de huevos y el crecimiento de los alevines. El principal inconveniente es que normalmente la demanda de fro y calor no coincide. En la figura se muestra un esquema de esta aplicacin. -Fermentacin del pan: En este procesos los azcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y anhdrido carbnico. Este proceso debe desarrollarse a una temperatura en el entorno de los 22/30C. Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadera 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 aplicacin son de compresin mecnica aire-aire reversibles. En la figura se presenta un esquema de utilizacin de la Bomba de Calor en este proceso. Otras sectores industriales donde la Bomba de Calor es de aplicacin son: Sector vincola: Enfriamiento del vino y produccin de agua caliente para el lavado de botellas. Industria textil: Calefaccin de los baos de tinte. Industrias del papel y de la pulpa de madera: proceso de evaporacin, calefaccin y secado. Industrias plsticas: Diversos procesos como refrigeracin de las cabezas de extrusin e inyeccin, con recuperacin del calor para la calefaccin de locales. Industria del caucho: Calefaccin de las soluciones de separacin. Sector Lcteo: Pasteurizacin de los productos lcteos, evaporacin, concentracin y esterilizacin, y procesos de limpieza. Industria alimentaria: Procesos de coccin en el sector de conservas, charcuteras, azucareras, etc. Industrias siderometalrgicas: Desengrase, lavado, galvanizado, preparacin de pinturas y secado. Industria cermica: Secado.

3.-ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGA.3.1.- REFRIGERANTES.La evolucin de la Bomba de Calor en los prximos aos depender en gran medida de la evolucin de los fluidos refrigerantes. Los refrigerantes organoclorados, alrededor de los cuales se haban desarrollado todos los componentes de las Bombas de Calor, estn condenados a desaparecer debido a su efecto pernicioso sobre la capa de ozono y el efecto invernadero. Para que la Bomba de Calor contine siendo una alternativa atractiva desde el punto de vista del ahorro energtico, la sustitucin de los refrigerantes por otros debe mantener o superar las eficiencias de los ciclos. Se presentan a continuacin las diversas alternativas para la sustitucin planteando ventajas e inconvenientes. 3.1.1.- HCFC's El primer paso para evitar la destruccin de la capa de ozono fue la sustitucin de los fluoro carbonados con dos tomos de cloro (CFC) por fluorocarbonados con un tomo de cloro y otro de hidrgeno (HCFC). Estos refrigerantes contribuyen en menor medida a la destruccin de la capa de ozono por su mayor estabilidad, pero influyen en el calentamiento global en mayor medida que stos. Sin embargo en la ltima revisin del protocolo de Montreal los HCFC fueron tambin incluidos en la lista de sustancias controladas, y se decidi su parada de fabricacin en el ao 2020 con la completa desaparicin en el ao 2030. Alemania ha acelerado la desaparicin del R-22 debiendo completarse sta a comienzos del siglo XXI. Estados Unidos est considerando tomar medidas de este tipo.

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El R-22 es una solucin intermedia y se usa para remplazar el R-12, R-500 y R-502 en algunas aplicaciones. Para reemplazar el R-114 en procesos industriales a alta temperatura se recurre la los siguientes HCFC's: R-124, R-123 y R-141b. 3.1.2.- HCF'S Los HFC's son fluidos refrigerantes sin cloro, y por tanto sin efecto sobre la reduccin de la capa de ozono, pero algunos de ellos tienen un efecto importante sobre el efecto invernadero. Se utilizan en la Bomba de Calor el R-134a, R-152a, R-32, R-125 y R-143a. El R-134a es bastante similar al R-12 en lo que se refiere a sus propiedades termodinmicas, y se contempla como un buen sustituto de este, tanto para la fabricacin de nuevas bombas como para el llenado de circuitos de bombas existentes. Con la sustitucin de refrigerante se pierde eficacia pero el COP no se reduce significativamente. Adems el R-134a debe ser utilizado con lubricantes de poliol-ester debido a que es muy higroscpico. Adems cuando se utilice para llenar circuitos existentes se deben extremar las precauciones en la limpieza de los mismos. El R-152a se emplea principalmente en mezclas. Se puede utilizar slo en pequeas bombas con poca carga de refrigerante debido a su inflamabilidad. El R-32 sera un buen sustituto del R-22. No contribuye al efecto invernadero, pero es inflamable, por esta razn slo se utiliza mezclado en la actualidad. El R-125 y el R-143 tienen propiedades bastante similares a las del R-502 y R-22. Son principalmente utilizados como componentes en mezclas ternarias reemplazando al R-502 y al R-22. Sin embargo su accin sobre el efecto invernadero parece ser tres veces superior al del R-143a El R-227 es una alternativa al R-114, mientras que el R-254ca y R-356 son considerados como sustitutos para el R-11 en enfriadoras y del R-114 en Bombas de Calor de alta temperatura. 3.1.3.- Mezclas Las mezclas constituyen una importante posibilidad para la sustitucin de los CFC's, tanto para su utilizacin en Bombas de Calor nuevas como en las ya existentes. Una mezcla est constituida por dos o ms fluidos refrigerantes y puede ser:Zeotrpica Azeotrpica Cuasi-zeotrpica

Las mezclas azeotrpicas evaporan y condensan a temperatura constante, mientras que las otras lo hacen en un rango de temperatura (deslizamiento). El deslizamiento puede ser utilizado para mejorar la eficiencia pero requiere la modificacin del equipo. La ventaja de las mezclas es que pueden variar sus propiedades en funcin de las necesidades de cada aplicacin variando la proporcin entre los componentes. Las mezclas no azeotrpicas presentan problemas por diferente volatilidad de sus componentes. En caso de fugas no se puede saber que cantidad de cada uno de los refrigerantes que componen la mezcla se ha perdido por lo que es necesario llenar el circuito de nuevo con la carga total de refrigerante. En la actualidad ya estn disponibles en el mercado mezclas para reemplazar el R-12 y el R502. Todas ellas contienen R-22 o algn otro HCFC como el R-124 o el R-142b, y por tanto se consideran como fluidos de transicin. La nueva generacin de mezclas para reemplazar

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al R-502 y R-22 no tienen cloro y estn hechas principalmente de HFC's e hidrocarburos. Cabe destacar:R-407-c: Con un 40% de R-134-a requiere poliolester aunque con un polivinilester es menos higroscpico y resiste mejor el cloro residual en el llenado de circuitos existentes. Es una mezcla de tres componentes y no es azeotrpica. Presenta 7 grados de deslizamiento, lo cual es aprovechable en el ciclo de fro pero no es adecuado para su funcionamiento en ciclo de calefaccin. R-410: No lleva R-134-a y por lo tanto no es demasiado higroscpica. No es azeotrpico. El problema que plantea es que trabaja al doble de presin en el condensador que el R-22 lo cual implica la necesidad de compresores ms robustos y una hermeticidad superior en el circuito. Por esta razn no sirve para rellenar circuitos existentes. Con un nuevo diseo de la bomba puede dar eficiencias altas.

3.1.4.- Fluidos de trabajo naturales. Los fluidos de trabajo naturales son sustancias que existen en la biosfera de una forma natural. Generalmente tienen muy pocos inconvenientes en relacin al medio ambiente (los potenciales de destruccin de la capa de ozono y de calentamiento global son cero o aproximados a cero). Son, por lo tanto, alternativas a largo plazo a los CFCs. Ejemplos de fluidos de trabajo naturales son el amoniaco (NH3), hidrocarburos (ej. propano), dixido de carbono (CO2), aire y agua. Algunos de los fluidos de trabajo naturales son inflamables o txicos. Las implicaciones de seguridad del uso de dichos fluidos pueden requerir el diseo de un sistema especfico y unas rutinas de operacin y mantenimiento adecuadas. - El amoniaco (NH3) es en muchos pases el fluido de trabajo principal en refrigeracin media y alta y en plantas de almacenamiento en fro. Han sido desarrollados cdigos, regulaciones y leyes principalmente para tratar con las caractersticas txicas, y de alguna manera con las caractersticas inflamables del amoniaco. Termodinmica y econmicamente, el amoniaco es una alternativa excelente a los CFC's y al R-22 en los nuevos equipos de Bombas de Calor. Hasta ahora, nicamente ha sido empleado en grandes sistemas de Bombas de Calor. Con compresores de alta presin muy desarrollados han alcanzado la mxima temperaturas de condensacin entre 58 y 78C. El amoniaco podra ser tambin considerado en sistemas pequeos, mayoritarios en el mercado de las Bombas de Calor. En sistemas pequeos, los aspectos de seguridad pueden ser tratados usando equipos con baja carga de fluido de trabajo y medidas tales como sistemas de distribucin indirecta (con salmuera), alojamientos o revestimientos a prueba de gas, y ventilacin a prueba de fallos. El cobre no es compatible con el amoniaco, con lo que todos los componentes deben ser de acero. El amoniaco no se usa todava en Bombas de Calor industriales de alta temperatura, pues normalmente no hay compresores adecuados de alta presin disponibles (40 bares mximo). Si se desarrollan compresores eficientes de alta presin, el amoniaco ser un excelente fluido de trabajo a alta temperatura. - Los hidrocarburos (HC's) son fluidos de trabajo inflamables, con propiedades termodinmicas conocidas y compatibilidad de material. Estn formados por propano, butano y sus mezclas. Son utilizados en gran medida en la industria del petrleo, espordicamente aplicados en la refrigeracin del transporte, refrigeradores/congeladores domsticos, y Bombas de Calor recientes (Alemania). Debido a su alta inflamabilidad, los hidrocarburos nicamente deberan ser utilizados para llenado de circuitos existentes o aplicados en sistemas con baja carga de fluido de trabajo. Para garantizar la seguridad necesaria durante la operacin y el servicio, deberan tomarse

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precauciones como sistemas de ventilacin a prueba de fallos, adicin de gas odorizante al fluido de trabajo, uso de detectores de gas etc. - El agua es un excelente fluido de trabajo para las Bombas de Calor industriales de alta temperatura debido a sus propiedades termodinmicas favorables y al hecho de que no es ni inflamable ni txico. El agua ha sido usada principalmente como fluido de trabajo en sistemas MVR abiertos y semi-abiertos, pero tambin existen algunas Bombas de Calor de ciclo de compresin cerrado que usan agua como fluido de trabajo. Las temperaturas de operacin tpicas estn en el rango de 800C a 1500C. La temperatura de 3000C se alcanz en una planta piloto en Japn. Hay un creciente inters en utilizar el agua como fluido de trabajo, especialmente para aplicaciones de alta temperatura. La mayor desventaja del agua como fluido de trabajo es su baja capacidad de calor volumtrico. Esto hace que se requieran compresores grandes y caros, especialmente a bajas temperaturas.Efecto Capacidad Influencia Punto de Nmero Composicin destruccin Deslizade Nombre en efecto ebullicin Observaciones ASHRAE (en peso) capa de miento enfriamiento comercial invernadero normal Ozono (-5/+45C) R-22 R-407c R-410a R-410b R-507 R-717 CHCLF2 R32 : 23% R-125 : 25% R134a :52% R32 / R125 R-32: 45% R125: 55% R 125: 50% R 143a:50% NH3 0,05 0 0 0 0 0 0,35 0,29 0,41 0,41 0,98 0 0K 5 -7 K casi 0K casi 0K 0K 0K -40,8 -43,6 / -36, 8 -50,5 -51,3 / -51,2 -46,7 -33,6 100% 97% 141% 137% 96% 112% SUVA9000 KLEA66 AZ20 AZ20 SUVA9100 AZ50 Amoniaco HCFC Zeotrpico Cuasiazeotrpico Cuasiazeotrpico Azeotrpico Inflamable y txico

3.2.- CICLOS.Los desarrollos recientes en los ciclos de compresin tradicional se encuentran relacionados con el uso de nuevos refrigerantes. Los ciclos y sistemas son optimizados termodinmica y termofsicamente para adaptarse a su comportamiento. La utilizacin de cdigos de simulacin de comportamiento de refrigerantes es una herramienta muy til para la optimizacin de los mismos. Un ejemplo de estos cdigos es el NIST desarrollado a partir de una base de datos (REFPRO) que incluye todas las propiedades de los fluidos refrigerantes. Los sistemas de mezclas zeotrpicas requieren una atencin especial ya que, ofrecen la posibilidad de mejoras en la eficiencia, pero pueden plantear muchos problemas; con un diseo inadecuado, se pueden presentar cambios en la composicin de la mezcla si el sistema tiene componentes con volmenes inactivos donde el refrigerante lquido se puede acumular. Una de las prdidas tradicionales en el ciclo real tiene lugar en la expansin. Para reducir esta prdida se estn realizando investigaciones sustituyendo las vlvulas de expansin tradicionales por dispositivos de expansin de Lysholm de tornillo. Para aplicaciones en las que el fluido refrigerante presenta un gran intervalo de deslizamiento en el sumidero de calor es posible disear sistemas con una gran eficiencia ajustando el ciclo a este cambio de temperatura. Para superar los problemas planteados por los refrigerantes organoclorados se estn realizando esfuerzos importantes en la investigacin de ciclos distintos de los tradicionales.

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Ciclos

de

aire:

Se

utilizan

en

la

actualidad

en

aplicaciones

especiales

como

el

acondicionamiento de aviones. Ciclos de absorcin: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos - Ciclos de absorcin: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos modalidades, simple efecto y doble efecto. Como consecuencia de estos esfuerzos investigadores los coeficientes de prestacin se han incrementado considerablemente. Ciclos de cascada: Con combinacin de varios ciclos se consiguen mayores temperaturas en el condensador. Ciclo de Stirling: Utilizado para grandes saltos de temperatura. Existen algunas realizaciones experimentales para aplicaciones convencionales.

3.3.- COMPONENTES.3.3.1.- Compresores. En el compresor de tornillo y en el scroll, as como en otros diseos de compresores rotativos existen posibilidades de integrar a media presin una entrada de tal manera que se mejora la eficiencia del ciclo reduciendo prdidas. La investigacin en el campo de los compresores est orientada al incremento de la eficiencia buscando isoentropicidad, reduccin de ruido y vibraciones y mejora del engrase. La fiabilidad es otro objetivo en estos desarrollos. Algunos de los nuevos refrigerantes exigen presiones elevadas en la condensacin (R-32, R-410a y especialmente CO2). Esto se traducir en una reduccin de las dimensiones de los compresores y de los circuitos de tuberas, ya que los volmenes son inversamente proporcionales a las presiones. 3.3.2.- Intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor son componentes importantes en la eficiencia de las Bombas de Calor. Pequeas diferencias de temperatura son decisivas para la eficiencia energtica de un sistema. Existen interesantes desarrollos de cambiadores en los ltimos tiempos. Estos desarrollos estn relacionados con el incremento de transferencia de calor en evaporador y condensador utilizando superficies de microestructura. Sin embargo las microestructuras plantean problemas de ensuciamiento por aceite. Otro desarrollo es el intercambiador de aletas soldadas, que permite una disminucin considerable de la carga de refrigerante. Este tipo de cambiadores ha hecho tambin posible la utilizacin de refrigerantes que requieren altas presiones en el condensador. Las investigaciones en cambiadores estn tambin orientadas a mejorar el intercambio que se ve afectado por los lubricantes que requieren los nuevos refrigerantes. Obviamente, los nuevos refrigerantes tambin afectarn al diseo de los cambiadores; los fluidos de molculas ms ligeras sufren menor prdida de carga y operarn mejor con tubos largos que refrigerantes ms pesados como el R-12. 3.3.3.- Controles. El control de la Bomba de Calor est influenciado por el desarrollo de la electrnica. El control de operacin de las Bombas de Calor se realiza cada vez en mayor medida mediante programacin gracias a la introduccin de los microprocesadores en los esquemas de control. Esto permite que la Bomba de Calor opere satisfactoriamente en diversos modos:Refrigeracin Calefaccin

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Calefaccin con fuente de calor de apoyo Con acumulacin de calor en agua Desescarchando

Los microprocesadores hacen posible la autoadaptacin de las mquinas a las distintas condiciones. Con el control por microprocesador es tambin posible controlar el ciclo, reemplazando la tradicional vlvula termosttica o variando la velocidad del compresor mediante los denominados "inverters". Tambin se puede actuar mediante la variacin de la velocidad de los ventiladores. El control mediante microprocesador puede tener tambin efectos sobre el mantenimiento. Es posible mediante la incorporacin de una tarjeta inteligente que registra las condiciones de funcionamiento, el ajuste de los parmetros a las nuevas condiciones o incluso el mantenimiento a distancia.

3.4.- PROYECTOS DE I+D REALIZADOS POR MIEMBROS DEL ENEBC.Varias entidades espaolas participan en proyectos de investigacin de carcter internacional. A continuacin se exponen tres proyectos que cuentan con la participacin de miembros del ENEBC (Equipo Nacional Espaol de la Bomba de Calor). Proyecto HEAHP El proyecto HEAHP (High Efficiency Air to Water Heat Pump) pretende adaptar una Bomba de Calor aire-agua reversible por compresin elctrica, que emplea R22 como refrigerante, a una nueva unidad que utilice propano en su lugar. Se est desarrollando un equipo de elevada eficiencia destinado a aplicaciones comerciales (20 kW trmicos) en el sur de Europa, modificando los elementos componentes de la Bomba (intercambiador de placas, batera de aire, compresor, vlvula de expansin y diseo) para adaptarlos al nuevo refrigerante natural. Se trata de un proyecto JOULE II cofinanciado por la DG XII de la Comisin Europea, (JOR3CT97-0077), que cuenta con un presupuesto cercano a los 270 millones de pesetas. En l participan grandes empresas industriales como CIATESA (Espaa) y AL-ARTEC (Italia), Universidades como la ETSI INDUSTRIALES de Valencia (Espaa) y la KTH de Suecia y entidades de investigacin como el ENEA en Italia o AEDIE (Asociacin para la Diagnosis e Investigacin de la Energa, Espaa) que acta adems como coordinador del proyecto. Tiene una duracin de dos aos y actualmente se encuentra en su ltima fase de desarrollo (Fecha prevista fin del proyecto Mayo 2.000). La utilizacin de propano como refrigerante ha mostrado caractersticas similares al R22 e incluso en ciertas condiciones mejores. El propano es un refrigerante natural que evita los efectos perniciosos sobre el medioambiente (efecto invernadero o reduccin de la capa de ozono). Su carcter inflamable ha obligado sin embargo, a tomar algunas medidas de seguridad adicionales que garantizan de forma completa su comportamiento controlado. Este refrigerante, que ya ha sido utilizado con plenas garantas en aplicaciones de inferior potencia en el norte y centro Europa (fundamentalmente Gran Bretaa, Dinamarca y Alemania), pretende ser empleado para mayores capacidades (alrededor de 20 kW trmicos), manteniendo los mismos parmetros de seguridad y rendimiento. A falta de los ltimos resultados, parece posible alcanzar mejoras de un 15 % en valor de COP sobre los valores dados por el R-22. En este caso es previsible su comercializacin una vez pasados los controles de certificacin oportunos.

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Proyecto ROTEX. El ROTEX es un sistema innovador de aire acondicionado, calefaccin y agua caliente sanitaria que funciona con un ciclo de absorcin de doble efecto en el que se utiliza gas natural como combustible. El origen del nombre Rotex viene del carcter rotativo del sistema, caracterstica que permite intensificar el proceso de absorcin debido al campo gravitatorio de alta intensidad generado por la fuerza centrfuga. El refrigerante principal es agua, por lo que no se utiliza ninguno de los organoclorados que sern restringidos en futuro prximo, y sobre todo, su rendimiento en funcin de la energa primaria consumida es superior a los aparatos elctricos de aire acondicionado que se comercializan en la actualidad. El ncleo equivalente al compresor es un conjunto compacto que integra el generador, condensador, evaporado y el absorbedor que ha sido diseado y desarrollado durante los ltimos aos en Inglaterra dentro de un programa Eureka, en el que han participado: British Gas, Caradon, Gas Natural, Lennox Industries, Fagor e Ikerlan. Se estn construyendo 9 prototipos que sern probados en diferentes localidades europeas. Se preve su orientacin tanto al sector residencial como al comercial.

FIGURA 3.1. PROYECTO ROTEX

Proyecto TECLA. La Universidad Rovira y Virgili de Tarragona y Gas Natural, ambos miembros del Equipo Nacional de la Bomba de Calor, han participado junto con el cole Nationale Suprieure d'Ingnieurs de Gnie Chimique de Toulouse (Francia) e Italgas en el proyecto TECLA. En este proyecto se desarrolla un nuevo ciclo de absorcin de doble efecto que incluye una etapa de compresin de la fase de vapor con el objeto de conseguir COP's superiores a 1 en el modo de refrigeracin. Se realiz un prototipo de pequea potencia que funcion con este principio utilizando metanol como refrigerante y PEGDM como absorbente. Dentro de este mismo proyecto se desarroll junto con la empresa holandesa Colibr bv, una Bomba de Calor de absorcin con el ciclo amoniaco/agua. Uno de los equipos construidos (250 kWf), se encuentra instalado en un edificio gubernamental en Maastricht, utilizando aqua de ro como fuente de calor a baja temperatura.

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4.- BOMBA DE CALOR Y MEDIO AMBIENTE.4.1.- VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES: REDUCCIN DE LAS EMISIONES DE CO2.4.1.1.- Introduccin. La radiacin solar que alcanza la superficie terrestre es parcialmente absorbida por ella, parcialmente reflejada y parcialmente rerradiada. Es decir emitida de nuevo por la propia superficie, pero con longitudes de onda mayores que las de las radiaciones incidentes. La superficie de la Tierra se convierte, en un emisor de radiaciones que deben atravesar la atmsfera en sentido contrario al de las radiaciones incidentes. En su camino hacia el espacio atraviesan primero la troposfera, donde se encuentran con una serie de gases que absorben gran cantidad de ellas, y despus la estratosfera donde el ozono absorbe otra parte de la radiacin infrarroja emitida. La radiacin proveniente del sol que alcanza la superficie terrestre eleva la temperatura de sta, mientras que la radiacin rerradiada que escapa de la atmsfera enfra la Tierra. La temperatura media de la superficie terrestre es el resultado de un equilibrio entre las ganancias y las prdidas de energa en forma de radiacin. Cuanta ms radiacin rerradiada sea retenida por la atmsfera, ms elevada ser la temperatura superficial de la Tierra. Es el mismo efecto de captacin que tiene lugar en un invernadero de plantas. Los gases que provocan el efecto invernadero, al absorber la radiacin infrarroja emitida por la superficie terrestre son el CO2, el vapor de agua, el ozono, los xidos de nitrgeno, los hidrocarburos y los derivados halogenados de los hidrocarburos saturados. As el CO2 es el principal responsable del efecto invernadero intensificado. Su produccin se debe esencialmente a los procesos de combustin, a la respiracin de los seres vivos y a la putrefaccin de los tejidos orgnicos muertos. Hay que distinguir entre efecto invernadero natural y efecto invernadero intensificado, causado por el hombre. Durante siglos la actividad humana no tuvo ningn efecto medible sobre la composicin media de la atmsfera A partir de las segunda guerra mundial, la combustin de ingentes cantidades de petrleo, y la desforestacin incontrolada han dado lugar a la elevacin de la concentracin media del CO2. En los aos 80 los cientficos que modelan el cambio climtico alertaron de las consecuencias del aumento de temperaturas en la Tierra, de no haber un esfuerzo por reducir las emisiones de gases de invernadero, consecuencia de las actividades humanas. Dado que una gran cantidad de las emisiones de CO2, se puede atribuir a la produccin y utilizacin de la energa elctrica, el uso de tecnologas eficientes como la Bomba de Calor contribuir a su disminucin. 4.1.2.- Estudio comparativo. Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relacin con el medio ambiente, si las comparamos con otros equipos de calefaccin convencional Internacional de la Energa (AIE), analizando el impacto medioambiental de las cinco opciones siguientes:Caldera convencional de gasleo Caldera convencional de gas Bomba de Calor elctrica, con electricidad obtenida en plantas de generacin elctrica convencional

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Bomba de Calor a gas Bomba de Calor elctrica, con electricidad obtenida a partir de energas renovables

Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia energtica de estos equipos y del tipo de combustible empleado. En las Bombas de Calor elctricas, la electricidad empleada para accionarlas, lleva implcita la emisin de CO2 en origen, es decir en las centrales de generacin elctrica, adems de las prdidas de transporte y distribucin de la energa elctrica. En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor elctrica como la de gas, emiten considerablemente menos CO2 que las calderas. Una Bomba de Calor elctrica que funcione con electricidad procedente de fuentes de energas renovables no desprende CO2.

FIGURA 4.1 EMISIN RELATIVA DE CO2 DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALEFACCIN

En conclusin, las Bombas de Calor ofrecen una evidente ventaja sobre los equipos de calefaccin convencionales, en cuanto a reduccin de emisiones de CO2. 4.1.3.- Emisiones de CO2 evitadas. En el estudio antes citado, las emisiones de CO2 evitadas en 1997, por el parque mundial de Bombas de Calor, han sido estimadas en un 0,5 % de las totales del globo, repartidas as:64 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial 54 millones de toneladas de CO2 en el sector comercial e industrial

Sin embargo, el potencial actual que tienen las Bombas de Calor para reducir las emisiones de CO2 del globo es muy superior a este 0,5%. Se estima en un 6%, lo que equivaldra a una reduccin de 1.200 millones de toneladas de CO2 al ao, repartidas as:1.000 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial y comercial. 200 millones de toneladas de CO2 en el sector industrial.

Este potencial de reduccin de emisiones de CO2 es uno de los mayores que puede ofrecer una nica tecnologa, con la ventaja de que se trata de una tecnologa que ya est disponible en el mercado. 4.1.4.- Perspectivas futuras. El actual potencial de reduccin de emisiones de CO2 por Bomba de Calor, estimado en un 6%, podra llegar en un futuro prximo hasta el 16%, segn la Agencia Internacional de la Energa. Se hara realidad, gracias a los desarrollos de la tecnologa, que permitiran que las

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Bombas de Calor y las centrales de produccin de energa elctrica obtuvieran un rendimiento superior, y tambin por el incremento de la energa elctrica obtenida a partir de energas renovables.

FIGURA 4.2 POTENCIAL DE EMISIONES DE CO2 EVITADAS POR BOMBA DE CALOR

Hoy da los COP medios de las Bombas de Calor estn entre el 2,5 y el 4. Para la prxima dcada se prevn nuevas mejoras que los incrementen. En consecuencia, las Bombas de Calor resultarn ms atractivas y ocuparn una cuota mayor del mercado. 4.1.5.- Situacin espaola. Las emisiones de CO2, como consecuencia de los procesos de calefaccin, climatizacin y agua caliente sanitaria en los sectores residencial y servicios, ascienden anualmente en nuestro pas a 28 millones de toneladas de CO2. Esto representa un 12 % de las emisiones nacionales de CO2. Si aceptamos, de acuerdo con los apartados anteriores, que el potencial de reduccin de emisiones de CO2 por Bomba de Calor puede llegar a ser del 6%, su realizacin en Espaa supondra evitar 1,68 millones de toneladas de CO2, lo que representara una reduccin del 0,7 % sobre el total de nuestras emisiones.

FIGURA 4.3 EMISIONES DE CO2 EN ESPAA

Decamos anteriormente que en las Bombas de Calor elctricas, mayoritarias en nuestro pas, la electricidad consumida para accionarlas, ya lleva implcita la emisin de CO2 en origen. Es decir la producida por las centrales de generacin elctrica y como consecuencia de las prdidas de transporte y distribucin. Pero su efecto sobre el medio ambiente

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depender de cmo se genere esta energa elctrica. Si es mediante energa hidroelctrica, nuclear o elica, es clara la reduccin de emisiones. En la tabla siguiente se muestran las cuotas de produccin de energa primaria para produccin elctrica y el rendimiento medio de las centrales de generacin para los diferentes combustibles.Rendimiento medio de la central de generacin (%) 36 36,5 35,7 32 30 32

Produccin de energa elctrica en Espaa FUEL-OIL FUEL-OIL CARBN (TURBA) CARBN (LIGNITO) BIOMASA NUCLEAR HIDROELCTRICA RENOVABLES AUTOPRODUCCIN

Cuota (%) 0,1 3,7 28,2 6,1 0,4 30,8 18,4 2,4 9,9

Se observa que de la cuota total un porcentaje del 51,6 % no entraa emisiones de CO2, lo que representa una situacin favorable para la Bomba de Calor. A esto hay que aadir que las energas renovables estn teniendo cada vez mayor importancia dentro del panorama energtico espaol, lo que beneficia la utilizacin de la Bomba de Calor, en relacin con este aspecto.

4.2.- PROBLEMTICA ASOCIADA A LOS REFRIGERANTES.4.2.1.- Introduccin. En el ao 1974, se public en Nature, el trabajo "Stratospheric sink for chlorofluoromethanes; chlorine atom catalysed destruction of ozone" de Sherwood Rowland y Mario Molina. En l, los autores, relacionaron la disminucin del espesor de la capa de ozono atmosfrico con la accin cataltica de las molculas de determinados compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados. La tierra recibe energa del sol en forma de radiaciones de distintas longitudes de onda. Antes de alcanzar la superficie del planeta, estas radiaciones deben atravesar la atmsfera. La capa de ozono sirve como filtro natural de los rayos ultravioleta del sol, actuando como un escudo protector. Cuando estos compuestos alcanzan la estratosfera, zona ms exterior de la atmsfera, quedan sometidos a las radiaciones solares ultravioletas, descomponindose y liberando tomos de cloro. Tras una serie de reacciones qumicas complejas, el cloro destruye las molculas de ozono. Por esta razn una mayor cantidad de radiacin ultravioleta corta alcanza la superficie de la tierra. Uno de los compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados causante de este efecto son los CFC's conocidos como clorofluorocarbonos. Los CFC's fueron desarrollados en 1930 como fluidos de trabajo para sistemas frigorficos de compresin mecnica, obtenidos sintticamente por halogenacin de hidrocarburos saturados. Aunque comenzaron como refrigerantes luego se emplearon en otros usos como sprays, aislamientos, industria qumica etc., por lo que su uso en aire acondicionado representa slo una parte de sus aplicaciones.

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Adems de los CFC's existen otros fluidos de trabajo derivados de los hidrocarburos saturados que se utilizan en instalaciones de aire acondicionado. Son los obtenidos por sustitucin de algunos tomos de hidrgeno por otros de flor y cloro, llamados hidroclorofluorocarbonos o HCFC's. El HCFC's ms conocido es el R-22. En Espaa la prctica totalidad de las Bombas de Calor que se comercializaban lo utilizaban. Se les denomina abreviadamente CFC's y HCF's iniciales de sus componentes (cloro-flor-carbonos) e (hidrocloro-flor-carbonos). El factor de destruccin de la capa de ozono depende directamente del contenido de cloro del refrigerante. Para evaluar la capacidad de destruccin de ozono en trminos cuantitativos se recurre a un ndice adimensional. Se llama ODP (Ozone Depleting Potencial) Potencial de Destruccin de Ozono. Expresa el grado mximo en que un gas dado puede provocar la disminucin de la capa de ozono. Por convencin se da el valor 1 a la capacidad del R-11 para destruir ozono. En el cuadro siguiente se hace una comparacin entre diferentes refrigerantes en relacin con el contenido de cloro, ODP y vida media estimada.CACTOR DESTRUCCIN OZONO (ODP) 1 0.95 0.05 0 VIDA MEDIA ESTIMADA (AOS) 60 130 15 16

REFRIGERANTE R-11 (CFC) R-12 (CFC) R-22 (HCFC) R-134-a (HFC)

CONTENIDO EN CLORO 77.4% 58.6% 41% 0

Los CFC's tienen una vida media atmosfrica muy larga lo que les permite conservar su estructura molecular intacta hasta que alcanzan la estratosfera al cabo de 3 a 5 aos despus de su emisin. Los HCFC's tienen una vida media atmosfrica ms corta que los CFC's, por lo que su capacidad de destruccin es menor. Slo una pequea parte de las molculas de HCFC's descargadas a la atmsfera alcanzan la estratosfera y contribuyen a la destruccin del ozono de la misma manera que lo hacen los CFC's. Los HCFC's tiene una incidencia 20 veces menor que el R-11. Al detectarse las implicaciones de estos productos como modificadores del medio ambiente, se decidi a nivel mundial eliminarlos y sustituirlos por otros de tipo HFC's (hidro-fluorcarbonos, sin cloro) semejantes en seguridad y prestaciones pero inocuos para la capa de ozono. En el ao 1980 el UNEP (United Nations Environmental Programme) Programa de las Naciones Unidas de Medio Ambiente inici los trabajos de preparacin de un convenio internacional para establecer las lneas generales para una accin internacional con vistas a la proteccin de la capa de ozono atmosfrico. En el ao 1985 se aprob el Convenio de Viena, para la proteccin de la Capa de Ozono. En l se establecieron una serie de mecanismos de investigacin y de cooperacin, as como la adopcin de medidas legislativas, todo ello tendente a proteger la salud humana y el medio ambiente de los efectos adversos resultantes de las modificaciones de la capa de ozono atmosfrico. Poco despus de la firma del Convenio de Viena se iniciaron los trabajos de preparacin de un protocolo que regulase las sustancias que, aparentemente podan influir sobre la capa de ozono. En 1987 se aprueba el texto llamado "Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Ca

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