Aire acondicionado – ¿Cómo funciona?
El término bomba de calor generalmente se reserva para un dispositivo que puede calentar una casa en invierno mediante el uso de un motor eléctrico que funciona W para llevar el calor Q frío desde el exterior a baja temperatura y entrega calor Q caliente al calentador dentro de la casa.
El principio de funcionamiento de los refrigeradores , aires acondicionados y bombas de calor es el mismo y es exactamente el reverso de un motor térmico . En general, una bomba de calor es un dispositivo que transfiere energía térmica de una fuente de calor a un ” disipador de calor “, pero en este caso la transferencia se produce en la dirección opuesta a la transferencia espontánea de calor mediante la absorción de calor de un espacio frío y su liberación a un uno más cálido. Como se muestra en la figura, al realizar un trabajo externo W, el calor se toma de una región de baja temperatura (fuente de calor) y una mayor cantidad de calor se extrae a una temperatura más alta (disipador de calor).
El ciclo o método termodinámico más utilizado para calefacción, aire acondicionado, refrigeradores y bombas de calor es el ciclo de compresión de vapor .
Ciclo de compresión de vapor – Refrigeración por compresión de vapor
La compresión de vapor utiliza un refrigerante líquido circulante como medio (generalmente R134a ) que absorbe y elimina el calor del espacio a enfriar y posteriormente rechaza ese calor en otros lugares. La figura representa un sistema típico de compresión de vapor de una etapa . El sistema típico de compresión de vapor consta de cuatro componentes:
- Compresor
- Condensador
- Válvula de expansión (también llamada válvula de mariposa)
- Evaporador
En un ciclo ideal de compresión de vapor, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: un proceso isoentrópico (adiabático reversible), un proceso de estrangulamiento alternado con dos procesos isobáricos:
- Compresión isentrópica (compresión en el compresor de pistón): un refrigerante circulante como R134a ingresa a un compresor como vapor de baja presión a la temperatura del interior del refrigerador o ligeramente por debajo de ella. El medio gaseoso se comprime adiabáticamente desde el estado 1 al estado 2 mediante un compresor de pistón (o mediante bombas centrífugas) a una presión y temperatura relativamente altas. Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna (temperatura) y comprimiéndolo (aumentando su presión). Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. El trabajo requerido para el compresor viene dado por W C = H 2 – H 1 .
- Rechazo de calor isobárico (en un condensador) : el vapor sobrecalentado viaja bajo presión a través de bobinas o tubos que forman el condensador. En esta fase, el refrigerante pasa a través del condensador, donde el refrigerante se condensa y hay transferencia de calor del refrigerante a los alrededores más fríos. El calor neto rechazado viene dado por Q re = H 3 – H 2 . A medida que el refrigerante sale del condensador, todavía está bajo presión, pero ahora solo está ligeramente por encima de la temperatura ambiente.
- Proceso Isenthalpic (expansión en una válvula de expansión): el refrigerante en el estado 3 ingresa a la válvula de expansión y se expande a la presión del evaporador. Este proceso generalmente se modela como un proceso de aceleración para el cual la entalpía permanece constante. H 4 = H 3 . La disminución repentina de la presión da como resultado la evaporación instantánea de una porción (típicamente aproximadamente la mitad) del líquido. El calor latente absorbido por esta evaporación instantánea se obtiene principalmente del refrigerante aún líquido adyacente, un fenómeno conocido como auto-refrigeración .
- Adición de calor isobárico ( en un evaporador ): el refrigerante frío y parcialmente vaporizado continúa a través de las bobinas o tubos de la unidad del evaporador. En esta fase (entre el estado 4 y el estado 1) hay una transferencia de calor a presión constante al medio líquido desde una fuente externa, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. A medida que el refrigerante pasa a través del evaporador, la transferencia de calor desde el espacio refrigerado da como resultado la vaporización del refrigerante. El calor neto agregado viene dado por Q add = H 1 – H 4
Durante un ciclo de compresión de vapor, las bombas realizan el trabajo en el fluido entre los estados 1 y 2 ( compresión isentrópica ). El fluido no realiza ningún trabajo, ya que entre las etapas 3 y 4 el proceso es isentálpico. El fluido de trabajo en un ciclo de compresión de vapor sigue un circuito cerrado y se reutiliza constantemente.
Bombas de calor reversibles
Las bombas de calor reversibles funcionan en cualquier dirección para proporcionar calefacción o aire acondicionado (enfriamiento) al espacio interno. Emplean una válvula de inversión para invertir el flujo de refrigerante desde el compresor a través del condensador y las bobinas de evaporación.
Calefacción y Aire Acondicionado
En el modo de calefacción , las bombas de calor son tres o cuatro veces más efectivas en el calentamiento (es decir, pueden tener COP = 4) que los calentadores de resistencia eléctrica simples que usan la misma cantidad de electricidad. El costo típicamente instalado para una bomba de calor es aproximadamente 20 veces mayor que para los calentadores de resistencia. En el modo de calefacción, la bobina exterior es un evaporador, mientras que la interior es un condensador.
En el modo de enfriamiento , el flujo se invierte y la bobina exterior es un condensador, mientras que la interior es un evaporador. En el modo de calefacción, la bobina exterior es un evaporador, mientras que la interior es un condensador. El COP para el modo de enfriamiento es menor que para el modo de calentamiento, porque el trabajo realizado por el compresor se utiliza solo durante el modo de calentamiento.
Coeficiente de rendimiento: bomba de calor, refrigerador, aire acondicionado
En general, la eficiencia térmica , η º , de cualquier motor térmico como la relación entre el trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q H .
La eficiencia térmica , η th , representa la fracción de calor , Q H , que se convierte en trabajo .
Pero en bombas de calor y refrigeradores , el trabajo no es una salida. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Desde un punto de vista económico, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que elimina la mayor cantidad de calor del interior del refrigerador (depósito frío) para el menor gasto de trabajo mecánico o energía eléctrica. La relación relevante es, por lo tanto, cuanto mayor sea esta relación, mejor será el refrigerador. Llamamos a esta relación el coeficiente de rendimiento , denotado por COP .
El coeficiente de rendimiento , COP, se define también para las bombas de calor, pero en este punto seguimos el calor neto agregado al depósito caliente. El COP generalmente excede 1, especialmente en bombas de calor, porque, en lugar de simplemente convertir el trabajo en calor, bombea calor adicional desde una fuente de calor hacia donde se requiere el calor.
En general, el COP depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador de calor y el sistema.
Coeficiente de rendimiento: refrigerador, aire acondicionado
El coeficiente de rendimiento , COP , de un refrigerador se define como el calor retirado del depósito frío Q frío (es decir, dentro de un refrigerador) dividido por el trabajo W realizado para eliminar el calor (es decir, el trabajo realizado por el compresor).
Como se puede ver, mejor (más eficiente) es el refrigerador cuando más calor Q frío se puede quitar del interior del refrigerador para una cantidad determinada de trabajo. Dado que la primera ley de la termodinámica debe ser válida también en este caso (Q frío + W = Q caliente ), podemos reescribir la ecuación anterior:
Para un refrigerador ideal (sin pérdidas e irreversibilidades) se puede derivar que:
Estas fórmulas se aplican también para un aire acondicionado , que funciona de manera muy similar a un refrigerador.
Por otro lado, los COP para calefacción y refrigeración son diferentes.
Coeficiente de rendimiento: bomba de calor
Para calentar, el COP es la relación del calor agregado al sistema (depósito caliente). Usando la primera ley de la termodinámica, defina COP también como el calor eliminado del depósito frío más el trabajo de entrada al trabajo de entrada.
Para una bomba de calor ideal (sin pérdidas e irreversibilidades) se puede derivar que:
Tenga en cuenta que estas ecuaciones deben usar una escala de temperatura absoluta (T frío , T caliente ) y es solo una eficiencia teórica máxima . De acuerdo con la fórmula anterior, el COP máximo alcanzable para T caliente = 35 ° C (308 K) y T frío = 0 ° C (273 K) sería 8.8. Pero en realidad, los mejores sistemas están alrededor de 4.5.
Como se puede ver, el COP de un sistema de bomba de calor se puede mejorar reduciendo la diferencia de temperatura (T caliente – T frío ). Por lo tanto, la reducción de la temperatura de salida (T caliente ) es muy eficiente, pero requiere una transferencia de calor muy eficiente desde el sistema de bomba de calor a los alrededores (es decir, uso de piso entubado). Un aumento en la temperatura de entrada (T frío ) significa, por ejemplo, una fuente de calor del suelo de gran tamaño.
Ejemplo – Bomba de calor – Calefacción y aire acondicionado
Una bomba de calor reversible tiene un coeficiente de rendimiento, COP = 3.0 , cuando funciona en modo calefacción . Su compresor consume 1500 W de energía eléctrica.
- Calcular la cantidad de calor ( Q caliente ) que la bomba de calor puede agregar a una habitación?
- Si la bomba de calor se cambiara al modo de enfriamiento (es decir, para actuar como aire acondicionado en el verano), ¿cuál esperaría que fuera su coeficiente de rendimiento ? Suponga que todo lo demás permanece igual y descuide todas las demás pérdidas.
Solución:
De la COP , que se define como:
La cantidad de calor que la bomba de calor puede agregar a una habitación es igual a:
Q caliente = calentamiento COP x W = 3 x 1500 = 4500 W o 4500 J / s
En el caso del modo de enfriamiento , la bomba de calor (aire acondicionado) con motor de 1500 W puede llevar el calor Q frío desde el interior de la casa y luego descargar Q caliente = 4500 W al calor exterior. Usando la primera ley de la termodinámica, que establece:
Q frío + W = Q caliente ,
obtenemos el calor, Q fría = 3,000 W . De la definición: COP refrigeración = 3000/1500 = 2 .
Tenga en cuenta que, en este ejemplo, tenemos muchos supuestos. Por ejemplo, supusimos que la diferencia de temperatura (T caliente – T frío ) es la misma para ambos modos. Pero hemos intercambiado depósitos, sin ningún impacto en la COP. Es solo un ejemplo ilustrativo.
Ciclo Brayton inverso – Ciclo de refrigeración Brayton
En general, el ciclo de Brayton describe el funcionamiento de un motor térmico de presión constante . Hoy en día, los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también son motores de calor de presión constante.
Un ciclo de Brayton que se conduce en dirección inversa se conoce como el ciclo de Brayton inverso . Su propósito es mover el calor del cuerpo más frío al más caliente, en lugar de producir trabajo. De conformidad con la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. El calor puede fluir del cuerpo más frío al más caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. Estos son impulsados por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar. Uno de los ciclos posibles es un ciclo de Brayton inverso, que es similar al ciclo de Brayton ordinario, pero se conduce en reversa, a través de la entrada de trabajo neto. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración de gas o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se usa ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire acondicionado que usan aire de los compresores del motor. También se usa ampliamente en la industria de GNL, donde el ciclo Brayton inverso más grande es para subenfriar GNL utilizando 86 MW de potencia de un compresor impulsado por turbina de gas y refrigerante de nitrógeno.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
