Bomba de calor: para calentar tomamos calor del planeta Tierra.

El contenido del artículo

• Historia de la bomba de calor
• Diseño y principio de funcionamiento de la bomba de calor.
• Tipos de colectores de calor para bombas de calor.
• Al final

En este artículo: La historia de la bomba de calor cómo funciona y funciona la bomba de calor; tipos de bombas de calor; energía térmica del aire, agua y suelo; al final, los pros y los contras de las bombas de calor.

Con el objetivo de vencer el frío invernal, los propietarios buscan energía y calderas de calefacción adecuadas, envidiosos de los afortunados que tienen líneas de suministro de gas natural a sus hogares. Cada invierno se queman miles de toneladas de madera, carbón, derivados del petróleo en las estufas, se consumen megavatios de electricidad en cantidades astronómicas que aumentan cada año, y parece que simplemente no hay otra salida. Mientras tanto, una fuente constante de energía térmica siempre se encuentra cerca de nuestros hogares, sin embargo, es bastante difícil para la población de la Tierra notarlo en esta capacidad. Pero, ¿y si usamos el calor de nuestro planeta para calentar casas? Y hay un dispositivo adecuado para esto: una bomba de calor de fuente terrestre.

Historia de la bomba de calor

El fundamento teórico del funcionamiento de tales dispositivos en 1824 fue proporcionado por el físico francés Sadi Carnot, quien publicó su único trabajo sobre máquinas de vapor, en el que se describía el ciclo termodinámico, que fue confirmado matemáticamente y gráficamente 10 años después por el físico Benoit Cliperon y llamado el «ciclo de Carnot»..

El primer modelo de laboratorio de una bomba de calor fue creado por el físico inglés William Thomson, Lord Kelvin en 1852, durante sus experimentos en termodinámica. Por cierto, la bomba de calor debe su nombre a Lord Kelvin..

William Thomson, barón Kelvin

El modelo de bomba de calor industrial fue construido en 1856 por el ingeniero de minas austriaco Peter von Rittinger, quien utilizó este dispositivo para evaporar la salmuera y drenar las marismas para extraer la sal seca..

Peter Ritter von Rittinger

Sin embargo, la bomba de calor debe su uso en la calefacción de casas al inventor estadounidense Robert Webber, quien experimentó con un congelador a finales de los años 40 del siglo pasado. Robert notó que la tubería que salía del congelador estaba caliente y decidió usar este calor para necesidades domésticas alargando la tubería y pasándola por la caldera con agua. La idea del inventor resultó ser un éxito: a partir de ese momento, los hogares tenían agua caliente en abundancia, mientras que parte del calor se gastaba sin rumbo fijo, dejando la atmósfera. Webber no pudo aceptar esto y agregó una bobina a la salida del congelador, junto a la cual colocó un ventilador, lo que resultó en una instalación para calentar el aire de la casa. Después de un tiempo, el inventivo estadounidense se dio cuenta de que era posible extraer literalmente calor de la tierra bajo sus pies y enterró un sistema de tuberías de cobre con freón que circulaba a través de ellas hasta una cierta profundidad. El gas recogió calor en el suelo, lo entregó a la casa y lo repartió, y luego regresó al colector de calor subterráneo. La bomba de calor creada por Webber resultó ser tan eficiente que transfirió por completo la calefacción de la casa a esta instalación, abandonando los dispositivos de calefacción tradicionales y las fuentes de energía..

La bomba de calor, inventada por Robert Webber, durante muchos años se consideró más un absurdo que una fuente verdaderamente eficiente de energía térmica: la energía del petróleo abundaba a precios bastante razonables. El interés por las fuentes de calor renovables creció a principios de los 70, gracias al embargo de petróleo de 1973, durante el cual los países del Golfo se negaron unánimemente a suministrar petróleo a Estados Unidos y Europa. La escasez de productos derivados del petróleo provocó un fuerte aumento en los precios de la energía, una necesidad urgente de salir de la situación. A pesar del posterior levantamiento del embargo en 1975 y la restauración de los suministros de petróleo, los fabricantes europeos y estadounidenses se han enfrentado al desarrollo de sus propios modelos de bombas de calor geotérmicas, cuya demanda establecida solo ha ido creciendo desde entonces..

Diseño y principio de funcionamiento de la bomba de calor.

A medida que nos hundimos en la corteza terrestre, en cuya superficie vivimos y cuyo espesor en la tierra es de aproximadamente 50 a 80 km, su temperatura aumenta, esto se debe a la proximidad de la capa superior de magma, cuya temperatura es de aproximadamente 1300 ° C. A una profundidad de 3 metros o más, la temperatura del suelo es positiva en cualquier época del año; con cada kilómetro de profundidad, aumenta en un promedio de 3 a 10 ° C. El aumento de la temperatura del suelo con su profundidad depende no solo de la zona climática, sino también de la geología del suelo, así como de la actividad endógena en un área determinada de la Tierra. Por ejemplo, en la parte sur del continente africano, el aumento de temperatura por kilómetro de profundidad del suelo es de 8 ° C, y en el estado de Oregón (EE. UU.), En cuyo territorio se observa una actividad endógena bastante alta: 150 ° C por cada kilómetro de profundidad. Sin embargo, para un funcionamiento eficiente de la bomba de calor, el circuito externo que le suministra calor no necesita estar enterrado a cientos de metros bajo tierra; cualquier medio con una temperatura superior a 0 ° C puede ser una fuente de energía térmica..

La bomba de calor transfiere energía térmica del aire, el agua o el suelo, aumentando la temperatura durante la transferencia a la temperatura requerida debido a la compresión (compresión) del refrigerante. Hay dos tipos principales de bombas de calor: compresión y sorción..

La estructura básica de una bomba de calor de compresión: 1 – tierra; 2 – circulación de salmuera; 3 – bomba de circulación; 4 – evaporador; 5 – compresor; 6 – condensador; 7 – sistema de calefacción; 8 – refrigerante; 9 – estrangulamiento

A pesar del nombre confuso, las bombas de calor de compresión no son dispositivos de calefacción, sino dispositivos de refrigeración, ya que funcionan según el mismo principio que cualquier refrigerador o aire acondicionado. La diferencia entre una bomba de calor y las unidades de refrigeración que conocemos es que, por regla general, su funcionamiento requiere dos circuitos: uno interno, en el que circula el refrigerante, y uno externo, con una circulación de refrigerante..

Durante el funcionamiento de este dispositivo, el refrigerante en el circuito interno pasa por las siguientes etapas:

• el refrigerante enfriado en estado líquido ingresa al evaporador a través de la abertura capilar. Bajo la influencia de una rápida disminución de la presión, el refrigerante se evapora y pasa a un estado gaseoso. Moviéndose a lo largo de los tubos curvos del evaporador y contactando en el proceso de movimiento con un portador de calor gaseoso o líquido, el refrigerante recibe energía térmica a baja temperatura, después de lo cual ingresa al compresor;
• en la cámara del compresor, el refrigerante se comprime, mientras que su presión aumenta bruscamente, lo que provoca un aumento en la temperatura del refrigerante;
• Desde el compresor, el refrigerante caliente sigue el circuito hasta el serpentín del condensador, que actúa como un intercambiador de calor; aquí el refrigerante emite calor (aproximadamente 80-130 ° C) al refrigerante que circula en el circuito de calefacción de la casa. Habiendo perdido la mayor parte de la energía térmica, el refrigerante vuelve a un estado líquido;
• al pasar a través de la válvula de expansión (capilar), que se encuentra en el circuito interno de la bomba de calor, siguiendo el intercambiador de calor, la presión residual en el refrigerante disminuye, después de lo cual ingresa al evaporador. A partir de este momento, el ciclo de trabajo se repite nuevamente..

Principio de funcionamiento de la bomba de calor de fuente de aire

Así, la estructura interna de una bomba de calor consta de un capilar (válvula de expansión), un evaporador, un compresor y un condensador. El funcionamiento del compresor está controlado por un termostato electrónico que corta el suministro de energía al compresor y, por lo tanto, detiene el proceso de generación de calor cuando se alcanza la temperatura del aire establecida en la casa. Cuando la temperatura desciende por debajo de cierto nivel, el termostato enciende automáticamente el compresor.

Los freones R-134а o R-600а circulan como refrigerante en el circuito interno de la bomba de calor; el primero se basa en tetrafluoroetano, el segundo se basa en isobutano. Ambos refrigerantes son seguros para la capa de ozono de la Tierra y respetuosos con el medio ambiente. Las bombas de calor de compresión pueden ser accionadas por un motor eléctrico o un motor de combustión interna..

Las bombas de calor de sorción utilizan absorción, un proceso fisicoquímico durante el cual un gas o líquido aumenta de volumen debido a otro líquido bajo la influencia de la temperatura y la presión..

Diagrama esquemático de una bomba de calor de absorción: 1 – agua calentada; 2 – agua enfriada; 3 – calentamiento de vapor; 4 – agua calentada; 5 – evaporador; 6 – generador; 7 – condensador; 8 – gases no condensables; 9 – bomba de vacío; 10 – calentamiento de condensado de vapor; 11 – intercambiador de calor de solución; 12 – separador de gas; 13 – absorbedor; 14 – bomba de mortero; 15 – bomba de refrigerante

Las bombas de calor de absorción están equipadas con un compresor térmico de gas natural. En su circuito hay un refrigerante (generalmente amoniaco), que se evapora a baja temperatura y presión, mientras absorbe energía térmica del entorno que rodea al circuito de circulación. En estado de vapor, el refrigerante ingresa al intercambiador-absorbedor de calor, donde, en presencia de un solvente (generalmente agua), se absorbe y el calor se transfiere al solvente. El disolvente se suministra con un termosifón que circula por la diferencia de presión entre el refrigerante y el disolvente, o una bomba de bajo consumo en instalaciones de alta capacidad..

Como resultado de combinar el refrigerante y el solvente, cuyos puntos de ebullición son diferentes, el calor suministrado por el refrigerante hace que ambos se evaporen. El refrigerante en estado de vapor, que tiene una temperatura y presión altas, ingresa al condensador a lo largo del circuito, se convierte en un estado líquido y emite calor al intercambiador de calor de la red de calefacción. Después de pasar por la válvula de expansión, el refrigerante pasa a su estado termodinámico original, de la misma manera que el solvente vuelve a su estado original..

Las ventajas de las bombas de calor de absorción son la capacidad de funcionar desde cualquier fuente de energía térmica y la ausencia total de elementos móviles, es decir, el silencio. Desventajas: menos energía en comparación con las unidades de compresión, alto costo debido a la complejidad del diseño y la necesidad de utilizar materiales resistentes a la corrosión que son difíciles de procesar..

Unidad de bomba de calor de absorción

Las bombas de calor de adsorción utilizan materiales sólidos como gel de sílice, carbón activado o zeolita. Durante el primer paso de trabajo, llamado fase de desorción, se suministra energía térmica a la cámara del intercambiador de calor, que se cubre con sorbente desde el interior, desde un quemador de gas, por ejemplo. El calentamiento provoca la vaporización del refrigerante (agua), el vapor resultante se entrega al segundo intercambiador de calor, que en la primera fase emite el calor obtenido durante la condensación del vapor al sistema de calefacción. El secado completo del sorbente y la condensación de agua en el segundo intercambiador de calor completa la primera etapa del trabajo: se detiene el suministro de energía térmica a la cámara del primer intercambiador de calor. En la segunda etapa, el intercambiador de calor de agua condensada se convierte en un evaporador, que entrega energía térmica del ambiente externo al refrigerante. Como resultado de la relación de presión que alcanza 0,6 kPa, al entrar en contacto el calor del ambiente externo, el refrigerante se evapora: el vapor de agua fluye de regreso al primer intercambiador de calor, donde se adsorbe en el sorbente. El calor que desprende el vapor durante el proceso de adsorción se transfiere al sistema de calefacción, tras lo cual se repite el ciclo. Cabe señalar que las bombas de calor de adsorción no son adecuadas para uso doméstico; están destinadas solo para edificios grandes (desde 400 m²), todavía se están desarrollando modelos menos potentes.

Tipos de colectores de calor para bombas de calor.

Las fuentes de energía térmica para las bombas de calor pueden ser diferentes: geotérmica (tipo cerrado y abierto), aire, utilizando calor secundario. Consideremos cada una de estas fuentes con más detalle..

Las bombas de calor de fuente terrestre consumen energía térmica del suelo o del agua subterránea y se dividen en dos tipos: cerradas y abiertas. Las fuentes de calor cerradas se subdividen en:

• Horizontal, mientras que el colector recolector de calor se ubica en anillos o zigzags en zanjas con una profundidad de 1.3 metros o más (por debajo de la profundidad de congelación). Este método de colocar el circuito colector de calor es efectivo para un área de tierra pequeña..

Calefacción geotérmica con colector de calor horizontal

• Vertical, es decir, el colector del colector de calor se coloca en pozos verticales sumergidos en el suelo a una profundidad de 200 m Este método de colocación del colector se utiliza en los casos en que no es posible colocar el contorno horizontalmente o existe una amenaza de alteración del paisaje..

Calefacción geotérmica con colector de calor vertical

• Agua, mientras que el colector del circuito se ubica en forma de zigzag o anular en el fondo del embalse, por debajo del nivel de su congelación. En comparación con la perforación de pozos, este método es el más económico, pero depende de la profundidad y el volumen total de agua en el embalse, según la región..

En las bombas de calor de tipo abierto, el agua se utiliza para el intercambio de calor, que, después de pasar por la bomba de calor, se descarga de nuevo al suelo. Es posible usar este método solo si el agua es químicamente pura y si el uso de agua subterránea en esta función está permitido desde el punto de vista de la ley..

Calefacción geotérmica de tipo abierto

En los circuitos de aire, respectivamente, el aire se utiliza como fuente de energía térmica..

Calefacción por bomba de calor de aire

Las fuentes de calor secundarias (derivadas) se utilizan, por regla general, en empresas, cuyo ciclo operativo está asociado con la producción de energía térmica de terceros (parásita) que requiere una utilización adicional..

Los primeros modelos de bombas de calor fueron completamente similares al diseño descrito anteriormente, inventado por Robert Webber: las tuberías de cobre del circuito, que actúan simultáneamente como externas e internas, con el refrigerante circulando en ellas, se sumergen en el suelo. El evaporador en tal diseño se ubicó bajo tierra a una profundidad superior a la profundidad de congelación o en pozos en ángulo o verticales perforados en un ángulo (diámetro de 40 a 60 mm) a una profundidad de 15 a 30 m. El circuito de intercambio directo (recibió este nombre) permite que se coloque en área pequeña y cuando se utilizan tuberías de diámetro pequeño, prescindir de un intercambiador de calor intermedio. El intercambio directo no requiere el bombeo forzado del refrigerante, ya que no se necesita una bomba de circulación, por lo que se gasta menos electricidad. Además, una bomba de calor con un circuito de intercambio directo se puede utilizar de forma eficaz incluso a bajas temperaturas: cualquier objeto emite calor si su temperatura es superior al cero absoluto (-273,15 ° C) y el refrigerante puede evaporarse a temperaturas de hasta -40 ° C. Desventajas de dicho circuito: grandes requisitos de refrigerante; alto costo de las tuberías de cobre; La conexión confiable de las secciones de cobre solo es posible mediante soldadura; de lo contrario, no se pueden evitar las fugas de refrigerante; la necesidad de protección catódica en suelos ácidos.

La ingesta de calor del aire es más adecuada para climas cálidos, ya que a temperaturas bajo cero su eficiencia disminuirá seriamente, lo que requerirá fuentes de calor adicionales. La ventaja de las bombas de calor de aire es que no hay necesidad de costosas perforaciones de pozos, ya que el circuito externo con un evaporador y un ventilador está ubicado en un área no lejos de la casa. Por cierto, cualquier sistema de aire acondicionado monobloque o split es un representante de una bomba de calor de aire de circuito único. El costo de una bomba de calor de aire con una capacidad de, por ejemplo, 24 kW es de aproximadamente 163,000 rublos.

Bomba de calor de fuente de aire

La energía térmica del embalse se extrae colocando un circuito de tuberías de plástico en el fondo de un río o lago. Colocando la profundidad de 2 metros, las tuberías se presionan hasta el fondo con una carga a razón de 5 kg por metro de longitud. Se extraen aproximadamente 30 W de energía térmica de cada metro en funcionamiento de dicho circuito, es decir, una bomba de calor de 10 kW necesitará un circuito con una longitud total de 300 m Las ventajas de dicho circuito son un costo relativamente bajo y facilidad de instalación, las desventajas: en heladas severas, es imposible obtener energía térmica.

Colocación del circuito de la bomba de calor en un depósito

Para extraer el calor del suelo, se coloca un bucle de tubería de PVC en un pozo, excavado a una profundidad que excede la profundidad de congelación en al menos medio metro. La distancia entre las tuberías debe ser de aproximadamente 1,5 m, el refrigerante que circula en ellas es anticongelante (generalmente agua salmuera). El funcionamiento efectivo del contorno del suelo está directamente relacionado con el contenido de humedad del suelo en el punto de su colocación; si el suelo es arenoso, es decir, no es capaz de retener agua, entonces la longitud del contorno debe duplicarse aproximadamente. Una bomba de calor puede extraer una media de 30 a 60 W de energía térmica de un metro lineal del contorno del suelo, según la zona climática y el tipo de suelo. Una bomba de calor de 10 kW requerirá un circuito de 400 metros en una parcela de 400 m2². El costo de una bomba de calor con circuito de suelo es de aproximadamente 500,000 rublos..

Colocación del contorno horizontal en el suelo.

Recuperar el calor de la roca requerirá la colocación de pozos con un diámetro de 168 a 324 mm a una profundidad de 100 metros, o la ejecución de varios pozos de menor profundidad. Se baja un contorno en cada pozo, que consta de dos tubos de plástico conectados en el punto más bajo por un tubo metálico en forma de U que actúa como un peso. El anticongelante circula por las tuberías, solo una solución al 30% de alcohol etílico, ya que en caso de una fuga no dañará el medio ambiente. El pozo con el contorno instalado eventualmente se llenará con agua subterránea, que suministrará calor al refrigerante. Cada metro de un pozo de este tipo proporcionará aproximadamente 50 W de energía térmica, es decir, para una bomba de calor con una potencia de 10 kW, será necesario perforar 170 m de un pozo. Para obtener más energía térmica, no es rentable perforar un pozo a más de 200 m de profundidad; es mejor hacer varios pozos más pequeños a una distancia de 15 a 20 m entre ellos. Cuanto mayor es el diámetro del pozo, menos profundo se necesita perforar, mientras que al mismo tiempo se logra una mayor ingesta de energía térmica, aproximadamente 600 W por metro lineal.

Instalación de una sonda geotérmica

En comparación con los contornos colocados en el suelo o en un depósito, el contorno del pozo ocupa un mínimo de espacio en el sitio, el pozo en sí se puede hacer en cualquier tipo de suelo, incluida la roca. La transferencia de calor del circuito de pozos será estable en cualquier época del año y en cualquier clima. Sin embargo, la recuperación de la inversión de una bomba de calor de este tipo llevará varias décadas, ya que su instalación le costará al propietario más de un millón de rublos..

Al final

La ventaja de las bombas de calor es su alta eficiencia, ya que estas unidades no consumen más de 350 vatios de electricidad por hora para obtener un kilovatio de energía térmica por hora. En comparación, la eficiencia de las centrales eléctricas que generan electricidad mediante la quema de combustible no supera el 50%. El sistema de bomba de calor funciona en modo automático, los costos operativos durante su uso son extremadamente bajos, solo se necesita electricidad para operar el compresor y las bombas. Las dimensiones totales de la unidad de bomba de calor son aproximadamente iguales a las de un refrigerador doméstico, el nivel de ruido durante el funcionamiento también coincide con el mismo parámetro de una unidad de refrigeración doméstica..

Bomba de calor «agua salada»

Una bomba de calor se puede utilizar tanto para obtener energía térmica como para eliminarla, cambiando el funcionamiento de los circuitos a refrigeración, mientras que la energía térmica de las instalaciones de la casa se eliminará a través del circuito externo al suelo, al agua o al aire..

El único inconveniente de un sistema de calefacción basado en bomba de calor es su alto costo. En Europa, así como en EE. UU. Y Japón, las instalaciones de bombas de calor son bastante comunes; en Suecia hay más de medio millón, y en Japón y EE. UU. (Especialmente en Oregón), varios millones. La popularidad de las bombas de calor en estos países se debe a su apoyo de programas gubernamentales en forma de subsidios y compensaciones a los propietarios de viviendas que han instalado tales instalaciones..

No cabe duda de que en un futuro próximo las bombas de calor dejarán de ser algo extravagante también en Rusia, dado el incremento anual de los precios del gas natural, que hoy es el único competidor de las bombas de calor en cuanto a costes económicos para la obtención de energía térmica..