Bomba de calor

  Una bomba de calor es una máquina que permite transferir o "bombear" calor de un medio frío (que, por lo tanto, se enfría aún más) hacia un medio más caliente, es decir a mayor temperatura (y que, por tanto, se calienta aún más). Para lograr esta acción es necesario un aporte de energía dado que, por la segunda ley de la termodinámica, de manera espontánea el calor se dirige de un foco a más temperatura a otro a menos temperatura, hasta que éstas se igualan. Se utilizan diversos fenómenos físicos para crear bombas térmicas. Los más comunes son la compresión de gas, el cambio de fase gas/líquido y el efecto termo-peltier.

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Los frigoríficos son los dispositivos domésticos más comunes que hacen uso de la bomba térmica. Se pueden encontrar frigoríficos que hacen uso de los tres tipos de bomba térmica. Hay también sistemas de calefacción que se sirven de las bombas térmicas. Las bombas térmicas de compresión de gas que utilizan el ciclo Stirling se usan habitualmente para licuar el aire y producir nitrógeno, oxígeno, argón y otros gases líquidos con propósitos industriales.

Una máquina de Carnot, por ejemplo, es una máquina de vapor que realiza un trabajo a partir del calor proporcionado por una fuente de energía. La segunda ley de la termodinámica explica porqué ello es bastante difícil, con importantes restricciones en la eficiencia de dichos procesos. Sólo una parte del calor disponible del combustible que se quema puede ser transformado en trabajo útil; el resto debe ser depositado en una reserva fría. Cuando actúa como bomba de calor, el producto que se desea obtener es, lógicamente, calor. No existe restricción para transformar el trabajo de la energía eléctrica en calor. Esto significa que en un calentador eléctrico de 100 vatios producirá 100 julios de calor por segundo.

Una bomba de calor de cambio de fase emplea un líquido con un bajo punto de ebullición, unas veces freón (CFC), otras amoníaco líquido, u ocasionalmente los menos corrosivos propano o butano. Este líquido requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor (de la misma manera que el sudor refresca el cuerpo). Cuando el vapor se condensa de nuevo, libera energía, de nuevo en forma de calor. En primer lugar, la presión del líquido se baja mediante una válvula de expansión en el lado que se va a enfriar, forzándolo a que se evapore y a que extraiga calor de su alrededor. El gas es entonces bombeado al otro lado (el compresor) donde se comprime a líquido, haciendo que suelte su calor. El resultado que se produce es que al final de la bomba, donde se deposita el calor, se obtiene el calor que ha sido bombeado de un lado hacia otro más la cantidad de calor correspondiente a la energía eléctrica que se ha utilizado para que la máquina se mueva (100 julios por segundo).

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre el lugar desde el que se bombea, fuente fría (exterior) y aquel donde se lo deposita, fuente caliente (interior). Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura de la fuente fría y la de la fuente caliente, menor será el rendimiento (CEE o COP) de la máquina. Si el bombeo se basa en el principio de cambio de fase, cuando haga un tiempo muy frío la máquina parará de trabajar cuando la parte exterior, el condensador, se enfríe. En estas condiciones, un simple calentador eléctrico funciona mejor, a menos que la bomba de calor de cambio de fase sea reemplazada por algo más adecuado, como un dispositivo de compresión de gas.

Las bombas térmicas tienen un rendimiento que, desde el punto de vista práctico, es la relación entre la energía (térmica) producida y la energía absorbida (generalemnte eléctrica), debiendo ser siempre mayor que la unidad, puesto que con un aparato mucho más sencillo, una resistencia eléctrica, se consigue un rendimiento muy próximo a la unidad; pero decir que tienen un rendimiento superior a la unidad es un poco engañoso, puesto que la energía térmica que "produce" es la suma de la que genera el motor (en forma de calor) y la energía térmica obtenida del exterior (fuente fría) aunque esta energía es gratuita. El término coefficient of performance o COP (en castellano, coeficiente de eficiencia energética, CEE o coeficiente de rendimiento, CoDeRe) se utiliza para describir la relación entre la producción de calor y el consumo de energía que es necesario pagar. Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis (dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambas fuentes), mientras que un calentador eléctrico de resistencia (por efecto Joule) tiene un COP de sólo uno. Otra ventaja de las bombas térmicas es que no sólo se pueden utilizar como bombas de calor, sino que pueden funcionar de forma inversa para producir frío (pueden actuar también como bombas frigoríficas). Esto las hace un componente útil de los sistemas de aire acondicionado.

Rendimiento

Supongamos un equipo climatizador de ventana que en la parte interior dé frío y la de la calle calor, es decir, tomamos calor del interior y lo expulsamos al exterior.

Si invertimos el proceso de compresión y expansión, nos dará calor en el interior tomado del calor total o Entalpía del aire exterior. De este modo conseguimos un rudimentario equipo de Ciclo Bomba de Calor.

En la práctica no es necesario invertir físicamente el equipo para lograr que unas veces trabaje en frío y otras en calor, ya que estos equipos van dotados de una válvula de 4 vias que nos permite cambiar, de forma mecánica, el sentido de circulación del freón o gas ligero. De forma que donde antes nos daba calor, ahora nos dará frío.

"Un equipo de Ciclo Reversible o Bomba de Calor, toma de la Red eléctrica 1 kW y produce entre 2,6 kW y 3 kW".

El enunciado anterior supone una aparente contradicción con uno de los principios más sólidos de la termodinámica, como el de que se establece que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma, y siempre el contenido de energía permanece constante.

Los kW que faltan para dar 2,6 kW o 3 kW, se toman de la entalpía que hay en el aire exterior. Debemos tener en cuenta que el frío es una sensación humana, no existe; el frío es la ausencia de calor, el cual existe hasta llegar a los 0 K (-273,15 ºC)

Esta particularidad hace especialmente atractiva la bomba de calor como elemento de calefacción, ya que a diferencia de cualquier otra máquina, que trabaja con rendimiento inferior al 100%, la bomba de calor "produce" más energía de la que consume convirtiéndola en uno de los métodos más rápidos y económicos ya que no produce sino que lo traslada, hasta alcanzar una reducción de 66,5% del coste de energía con respecto al sistema eléctrico.

Véase también

• Refrigeración por absorción
• Termoelectricidad
• Caldera
• termodinamica