bomba de calor o tÉrmica

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BOMBA DE CALOR O TÉRMICA (CONVERTIDOR DE CALOR) Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura es la bomba de calor, mostrada en forma esquemática en la figura 07. Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo ciclo, aunque difieren en objetivos. El del refrigerador es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura quitándole calor. La descarga de este calor a un medio de mayor temperatura es tan solo una parte de de la operación, no el propósito. El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura. Lo cual consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el agua de un pozo o el frio aire exterior del invierno, y suministrarlo a un medio de alta temperatura como una casa. Figura 08. Figura 07 . El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor Q H en un espacio más caliente.

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Page 1: BOMBA DE CALOR O TÉRMICA

BOMBA DE CALOR O TÉRMICA (CONVERTIDOR DE CALOR)

Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta

temperatura es la bomba de calor, mostrada en forma esquemática en la figura 07.

Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo ciclo, aunque

difieren en objetivos. El del refrigerador es mantener el espacio refrigerado a baja

temperatura quitándole calor. La descarga de este calor a un medio de mayor

temperatura es tan solo una parte de de la operación, no el propósito. El objetivo

de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura. Lo

cual consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el

agua de un pozo o el frio aire exterior del invierno, y suministrarlo a un medio de

alta temperatura como una casa. Figura 08.

Figura 07. El objetivo de una bomba de calor es

suministrar calor QH en un espacio más caliente.

Figura 08. El trabajo suministrado a una bomba de

calor se emplea para extraer energía del exterior y

llevarla al interior caliente.

Un refrigerador que se pone en la ventana de una casa con su puerta abierta

hacia el aire frio del exterior del invierno, funcionara como un bomba de calor,

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puesto que tratará de enfriar el exterior absorbiendo el calor de él y liberando este

calor hacia dentro de la casa a través del serpentín que esta detrás de él. Figura

09.

Figura 09. Cuando se instala a la inversa, un acondicionador de aire funcionará como una bomba de calor.

La bomba de calor, una máquina térmica invertida, es un dispositivo para el

calentamiento de casas y edificios comerciales durante el invierno y enfriamiento

durante el verano. En invierno opera de modo tal que absorbe calor del ambiente y

lo expulsa hacia el edificio. El refrigerante es evaporado en serpentines colocados

bajo tierra o en el aire exterior, y el vapor es comprimido para su condensación

mediante aire o agua, usados para calentar el edificio, a temperaturas sobre el

nivel de calentamiento requerido. El costo de operación de la instalación

corresponde al costo de energía eléctrica necesaria para que trabaje el

compresor. Si la unidad tiene un coeficiente de desempeño │QC│/w = 4, el calor

disponible para calentar la casa │QH│ es igual a cinco veces el consumo de

energía del compresor.

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Cualquier ventaja económica de la bomba de calor como dispositivo de

calentamiento depende del costo de la electricidad, en comparación con el costo

de combustibles tales como petróleo y gas natural.

La bomba de calor sirve también para el acondicionamiento de aire en verano. El

flujo del refrigerante es simplemente invertido, y el calor se absorbe del edificio y

se expulsa a través de los serpentines subterráneos o hacia el aire exterior

La capacidad de un convertidor térmico, la potencia del motor del compresor, así

como la cantidad de refrigerante, deben evaluarse considerando ambas

modalidades de operación. La de mayor demanda determinara la capacidad del

sistema.

CRIOGENIA Y LICUEFACCION DE GASES

Los procesos de refrigeración que tienen por objetivo la producción de

temperaturas muy bajas, reciben el nombre de criogénicos1. El limite exacto a

partir del cual se considera una temperatura como criogénica no se encuentra

rigurosamente definida; sin embargo, diversas autoridades establecen que

temperaturas entre 173 K y 123 K pueden denominarse criogénicas. Para obtener

tales temperaturas se utilizan frigoríficos en cascada, como los analizados

anteriormente. No explicáremos aquí los detalles de un sistema tal, sino solo sus

generalidades. En el sistema de cascada se emplean distintos refrigerantes en

cada etapa. De manera que la temperatura del evaporador en el paso de la

temperatura mas baja será la adecuada al propósito deseado; por ejemplo, para la

licuación o licuefacción de un gas. Se usan distintos refrigerante, y la presión a la

entrada del compresor se mantiene siempre arriba de la presión atmosférica; esto

evita la infiltración del aire externo, y significa también que el volumen especifico

1 La tecnología respectiva se denomina Criogenia.

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en la entrada no será lo suficientemente grande que ocasione un aumento

importante en el trabajo necesario para llevar a cabo la compresión.

Los gases en la región criogénica, a la temperatura y la presión ambientes, los

gases se encuentran muy sobrecalentados, lo cual explica por qué podemos

utilizar la ecuación de estado del gas ideal. Un fenómeno termodinámico

importante, el efecto de Joule y Thompson, se emplea con frecuencia en

operaciones criogénicas o de licuefacción de gases.

Un proceso de estrangulación no produce cambio de entalpia, y por tanto, en el

caso de un gas ideal, la temperatura permanece constante:

h = u + pv = cvT + RT

Sin embargo, en los gases reales el proceso de estrangulación produce un cambio

de temperatura, ascendente o descendente. El coeficiente de Joule-Thompson, µ,

se define como:

µ = ƌ T

ƌ p h

Un valor positivo de µ indica que la temperatura disminuye conforme desciende la

presión, y de esta manera se observa un efecto de enfriamiento.

La utilización del coeficiente de Joules-Thompson en la licuefacción de gases fue

perfeccionada por Linde y Hampson, en forma independiente. Advertiremos que si

el gas se encuentra a una temperatura suficientemente baja y a presión alta, el

proceso de estrangulación llevaría al gas a la región de mezcla saturada. En ella,

el vapor y el líquido podrían ser separados. Dicho sistema de Linde y Hampson se

ilustra esquemáticamente en la figura 10, parte (a), y su respectivo diagrama T-s

en la parte (b).

El gas se comprime de manera isotérmica en dos etapas, de B.P. y A.P. (desde 7

hasta 1); luego se purifica y se enfría a presión constante en un eficaz cambiador

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de calor a contracorriente (desde el 1 hasta 2); el gas es estrangulado en la

válvula (de 2 hasta 3), y en una parte del mismo se licua debido al enfriamiento

adicional por el efecto de Joules-Thompson. El resto, un vapor saturado en el

estado 4, pasa al cambiador de calor a cortacorriente hasta el estado 5; en 6 se

agrega gas de repuesto, y la mezcla entra al compresor de B.P. en el estado 7.

Existen otras variantes del ciclo de licuefacción y de refrigeración en general. Sin

embargo, el método de análisis, principalmente según la primera ley de la

termodinámica, es el mismo en todos los casos. Los sistemas de refrigeración

reales, con sus respectivos sistemas de control, se encuentran fuera del alcance

de nuestro texto.

Figura 10. (a) Esquema que ilustra la licuefacción de un gas. (b) Diagrama T-s para procesos de licuefacción.

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