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• Alvaro Murillo Torres

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BOMBA DE CALOR

1. Qué es una bomba de calor.Una bomba de calor es un sistema termodinámico, que permite manipular la perdida o ganancia de calor en el espacio donde la misma se desempeña.

Nuestra nevera es un ejemplo de sistema termodinámico latente y presente en todos los hogares, su funcionamiento se basa en la quita de energía al aire interior a baja temperatura entregándolo al aire exterior a mayor temperatura por ende calentándolo, el control sobre este proceso nos permite regularla temperatura de nuestra nevera o freezer a los niveles deseados, este sistema termodinámico es denominado de enfriamiento.

Las bombas de calor funcionan a la inversa, tomando aire frió del exterior y calentándolo, este funcionamiento en muchos casos puede ser manipulado obteniendo un sistema de enfriamiento o calentamiento dependiendo las necesidades del cliente.

La interacción de otros elementos químicos en el proceso como el refrigerante hacen posible la toma y liberación de calor de forma controlada, un ejemplo de sistema termodinámico que puede funcionar de ambas maneras es el que encontramos en el aire acondicionado.

2. Tipos de bombas de calor.-

Como argumentamos en un principio las bombas de calor puede estratificarse por su funcionalidad pero también por los elementos químicos que actúan en su sistema termodinámico. Es así que podremos estratificarlas de la siguiente manera. 

Bombas de calor, aire-aire

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Bombas de calor, aire-agua

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Bombas de calor, agua-agua

2.1.Bomba de calor, Aire –Aire: Estas bombas de calor son implementadas en sistemas de climatización, y implementan un evaporador y un condensador para manipular el aire en su sistema, entregando el mismo caliente, o frió dependiendo la el flujo que el mismo disponga dentro del circuito.

2.2.Bomba de calor, Aire-Agua: Este es el sistema que podremos encontrar en las bombas climatizadoras de piscinas, el proceso extrae el calor del aire intercambiándolo con el agua que circula por el mismo.

2.3.Bomba de calor, Agua-Agua: Este sistema se sostiene mediante el intercambio de calor entre, aguas subterráneas, de lagos o ríos y un sistema de circulación interno, esta agua antes mencionadas se caracterizan por mantener estable su temperatura durante gran parte del año lo que propicia el correcto funcionamiento de la bomba. Su funcionamiento se basa en la inversión del circuito de agua entre el evaporador y el condensador propiciando de esta manera el intercambio de energía de manera controlada.

3. Partes de una Bomba de Calor.Necesitamos también conocer las partes de un refrigerador, queintervienen de distintas formas para poder mantener el espaciorefrigerado a baja temperatura.

La Bomba de Calor está formada por los siguientes elementos Principales:

3.1.1. Evaporador: Es el dispositivo donde se vaporiza por completo el fluido refrigerante que llega al mismo, al absorber el calor del espacio circundante, que se debe refrigerar y mantener a una temperatura establecida

Tal como se ha estudiado anteriormente, el líquido que se halla en el interior del condensador, está sometido a la presión de compresión, siendo necesario mantener esta presión para el funcionamiento del sistema

3.2.Condensador: La función del condensador es transformar en su interior el gas refrigerante comprimido en el compresor en líquido refrigerante

En el interior del condensador el gas refrigerante pierde el calor que absorbió durante el proceso de su evaporación desde el espacio a enfriar, así como también hace entrega del calor absorbido durante su circulación a través de la línea de retorno al compresor y el calor absorbido durante el fenómeno de compresión en el interior del compresor. Es la parte de la bomba que condensa el refrigerante evaporado (es decir lo cambia a su fase liquida) y reduce su temperatura.

3.3.Tubo Capilar: Gran parte del refrigerador está rodeado por unaserie de una especie de “rollos” intercambiadores de calor. Estosrollos llevan el refrigerante de un lado a otro. La mayoría de estosrollos están atrás del compresor.

3.4.El Compresor: Es un dispositivo pesado hecho de metal que espuesto en funcionamiento por un motor y comprime el refrigerante.La principal función del compresor es incrementar la presión y porlo tanto la temperatura del gas refrigerante.

3.5.El refrigerante: Es la sustancia que lleva a cabo la función de enfriamiento en la bomba a través de los cambios en supresión y temperatura. El refrigerante comúnmente usado es elamoniaco o los HFCs (hidrofluorocarburos menos dañinos que losantes usados CFCs clorofluorocarbonos).

Antes el freón era lasustancia más usada como refrigerante. El líquido usado en elrefrigerador tiene un punto de ebullición muy bajo gradoscentígrados. Cada refrigerante es identificado por un nombre como R-12, R-22,R-502, etc., el agua por ejemplo tiene el nombre R-718. 3.5.1. Líquido Refrigerante R 410a El R410A es una mezcla casi azeotropica compuesta de R-125 y R-32, actualmente se utiliza en los nuevos equipos q están saliendo al mercado. Es un producto químicamente estable con un bajo deslizamiento (Glide ) de temperatura y baja toxicidad. A pesar de la constitución del R-32 es inflamable, la formulación del R410A no es inflamable incluso en casos de fugas. El R410A tiene mayor capacidad de refrigeración y unas presiones mucha más elevadas q el R-22. Debido a que este producto no es azeotropo debe transvasarse y cargarse en fase liquida

3.6.Un Depósito Aislado Térmicamente: La válvula de expansión es la que controla el flujo de refrigerante líquido que entra al evaporador de expansión directa manteniendo constante el recalentamiento del vapor del refrigerante en la salida del evaporador

La selección del la parte a analizar para el estudio especifico de la Bomba de Calor es el Condensador que es la parte la cual entrega el calor al ambiente q se desea calentar por medio de un enfriamiento forsado. Una vez seleccionado el condensador pasaremos al estudio del mismo La válvula de expansión reduce la presión sobre el refrigerante líquido.

3.7.El Filtro Deshidratador: Su función librar de humedad al sistema de refrigeración, en su interior contiene silica que sirve para retener la humedad.

Construcción del cuerpo de la bomba.En un principio, y después de documentarme un poco por internet, (demasiado poco), pensé que solamente tenia acceso a construir la bomba enteramente en cobre, ya que no disponía de medios para soldar otros materiales, parecía que seria más fácil hacerla en cobre que conseguir un torno y un soplete para soldar acero inoxidable. Partí de la propuesta de la bomba difusora del Profesor Franz, comentada antes, para tener unas referencias de medidas de algo que funcione, porque en internet encuentras información teórica pero cuesta encontrar planos y medidas de difusoras.

Empece complicándome la vida y encargue un par de piezas a un tornero, dos aros de bronce de 54 y 58 mm de diámetro interior respectivamente, me cobro 7 euros por cada uno. Su padre, un viejecito encantador que estaba sentado en una silla en un rincón del taller de tornería me advirtió de que le bronce es poroso y que lo estañase para hacerlo hermético.

Les hice seis agujeros y los soldé a una reducción 54 macho /35 hembra y a un casquillo empalmador de tubos de 54mm. Luego soldé otro empalmador seguido del primero para conseguir un tubo de 54mm de interior y 137mm de largo, (no existe un tubo comercial para fontanería de 54mm de interior y fue la única solución que se me ocurrió).

Le hice un agujero para albergar la salida de la bomba y le soldé una reducción y un codo ligeramente inclinado hacia arriba para impedir al máximo la perdida de aceite de la bomba. Luego monte una trampa de vapores en la salida con un tubo de 22mm, un tapón y un empalme al resto del circuito.

Finalmente le soldé un serpentín de refrigeración con un tubo fino, asegurándome que la ultima vuelta la diese alrededor de donde debería soldar más tarde la caldera, para proteger esta soldadura y evitar que se fundiese con la temperatura que debería alcanzar el aceite, entre 200 y 300 grados. El problema radicaba en la imposibilidad de poder hacer una soldadura que soportase esa temperatura y como eso condicionaba el diseño de todo el conjunto. En la parte refrigerada no tenia que tener problemas mientras no fallase el circuito de agua, pero en la parte de la caldera no podía hacer ningún empalme soldado porque se fundiría el estaño plata (punto de fusión 243 grados).

La antrada de alto vacío de la bomba la acabe con otra reducción 35 macho /28 hembra y un trozo de tubo de 28 insertado dentro, con un tapón de 28mm en la parte inferior y unos agujeros, para conformar otra trampa de vapores.

A estas alturas ya empece a darme cuenta de que me estaba saliendo la torta por un pan, ya que las reducciones de cobre y los complementos de fontanería son tremendamente caros. Aunque intente encontrar el máximo de material en chatarreros siempre me veía obligado a comprar piezas, sobre todo los racores de latón, por la necesidad de que estuviesen limpios y en buenas condiciones.

Mas tarde, y después de varias pruebas y mediciones, niquele todo el interior de la bomba para intentar reducir el gaseado que producía el cobre, pero mejoro muy poco, solo sirvió para aprender a niquelar.

El quid del asunto consistía en que la soldadura de la caldera con el cuerpo de la bomba estaría protegida por la última vuelta del serpentín de refrigeración, impidiendo su fusión. Pero ya en las primeras pruebas me di cuenta del primer error. La pared de latón de casi dos milímetros trasmitía demasiado rápido el calor y la base de la caldera no llegaba ni por asomo a los 240 grados, punto en el que se hubiera fundido la muestra de estaño que le ponía como testigo. Empece limando la pared de latón hasta dejarla en apenas 0,5mm y mejorando la canalización del calor de la resistencia hasta la base de la caldera. Llegué a ponerle una capa externa de cobre a la resistencia de 6mm de espesor a base de tubos concéntricos, pero tampoco conseguía llegar al punto de ebullición del aceite.

Así que me tuve que rendir a la evidencia de que con esta caldera jamas funcionaria y asumí que tendría que volver a soldar otra vez la base de la bomba.

El calentador soporta sin problemas una sobrealimentación de 24v porque disipa rápidamente el calor y no llega a quemarse, y transmite potencia suficiente a la caldera como para hacer hervir ,al vacío, el aceite de bomba mecánica violentamente en unos diez minutos.

Se alimenta con un transformador de un SAI viejo. Se puede aprovechar el bobinado de salida como primario a 220v y el de ataque como secundario con varias tensiones, 12v, 15v, 20v, 24v, la potencia del transformador debe rondar los 1500w o 2000w por el tamaño y soporta toda la intensidad del calentador sin calentarse apenas.

Para la refrigeración de la bomba opte por construir un circuito cerrado de agua a partir de un intercambiador de calor viejo de una cámara frigorífica.

En la foto se puede ver el radiador (al fondo), la botella del deposito de refrigerante (a la izquierda) que se convirtió en el deposito de liquido anticongelante, la bomba de agua de una caldera de gas (escondida frente al deposito, izquierda) que impulsa el liquido por el circuito, un ventilador (al centro), un compresor de nevera que utilice como primitiva bomba de vacío y la bomba difusora en la primera fase de construcción y pruebas. El ventilador se clavó a las pocas horas de funcionar, así que lo desmonte y puse un tropicano viejo detrás del radiador para refrigerar el exceso de calor. El compresor lo substituí por una bomba rotativa de frigorista de doble efecto, imprescindible para conseguir el vacío previo que necesita la difusora para funcionar. Me costo 250 euros pero opte por comprarla nueva después de trastear varias bombas rotativas viejas sin grandes resultados y con una considerable perdida de tiempo y dinero.

A la salida del serpentín de refrigeración de la difusora monte un termómetro para monitorizar la temperatura de salida del agua. Este ha sido unos de los parámetros que más he utilizado para medir el funcionamiento de la caldera de la bomba, muy útil para controlar la velocidad de caldeo de la resistencia, las perdidas de calor por las paredes de cobre, la cantidad de calor utilizado para producir vapor, etc.

Llene el circuito con refrigerante de coche para aumentar el punto de ebullición y reducir la oxidación en el interior del circuito.

4. Funcionamiento de la bomba.El principio de funcionamiento de la bomba de calor se puede estructurar en 4 pasos:

-

En el primer paso el fluido refrigerante se encuentra a baja temperatura y a baja

presión y, por lo tanto, en estado líquido. El aire aspirado del ambiente pasa a través del evaporador, dónde el fluido refrigerante absorbe la temperatura del aire ambiente y cambia de estado. Al mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura más baja. -

El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor pero todavía a baja presión.

Pasándolo a través del compresor se produce un aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura. -

Como resultado se obtiene vapor en un estado elevado de energía. Este vapor

situado en el paso 3 es el que circula por el condensador situado a lo largo del calderín donde va cediendo toda la energía al agua acumulada, volviendo así a estado líquido. -

En el último paso del proceso, el fluido refrigerante ya en estado líquido se hace

pasar por la válvula de expansión para obtener de nuevo el fluido en sus condiciones iniciales, es decir, a baja presión y a baja temperatura. De esta forma se puede volver a iniciar el proceso.

El proceso comienza en el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor ( foco frió) de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la refrigeración de este. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presión y su temperatura. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio. Finalmente el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y la temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador 4.1.Ciclo de carnot

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritas acorde con el Criterio de signos termodinámico.

Expansión isoterma: Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:

Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible:

. Como el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará

Expansión adiabática: La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante:

Compresión isoterma: Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye: 𝑆23 =

𝑄34 𝑇2