UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
“FRANCISCO GARCÍA SALINAS”
AREA DE INGENIERÍA
UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA I
PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL

ABRAHAM INFANTE CERVANTES


TERMODINAMICA


“Nunca consideres el estudio como una obligación,
sino como una oportunidad para penetrar en el bello
y maravilloso mundo del saber.”

-Albert Einstein-




INTRODUCCION

¿Qué es una bomba de calor?
Una bomba de calor sirven para aire acondicionado, pero también para calefacción si el aparato es reversible. Es una maquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para ello utiliza las propiedades de cambio de estado de un fluido refrigerante y la 2º Ley de la termodinamica: el calor se dirige de manera espontanea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan

Las bombas de calor son los dispositivos de climatización mas eficientes que existen. Se basan en la técnica de 'refrigeración por compresión', que se aplica también a otros aparatos, como las neveras, los sistemas de aire acondicionado o la climatización geotérmica.
Consiguen su elevada eficiencia, de hasta un 400%, gracias a que aprovechan las leyes de la física en su favor. Las bombas de calor absorben el calor de un sitio y lo transfieren a otro, tal y como hacen las bombas hidraulicas con el agua.

OBJETIVOS

A) Comprender el funcionamiento de una bomba de calor.
B) Dar a conocer los diferentes tipos de bombas de calor.C) Conocer las aplicaciones de una bomba de calor para así poder aplicarlas en una situación real en un futuro.
D) Conocer las ventajas y desventajas de una bomba de calor.
E) Saber en qué casos es factible usar una bomba de calor.
DESARROLLO

¿QUE ES UNA BOMBA DE CALOR?
Denominamos bomba de calor a una maquina térmica capaz de transferir calor de una fuente fría a otra mas caliente. Podríamos definirlo como un equipo de aire acondicionado, que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del local que se ha de calentar; todo este proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un compresor.
Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energía, que es lo mismo que decir, ahorro de dinero. Resumiendo, la Bomba de Calor tanto en invierno como en verano; actúa como un equipo acondicionador de aire para darnos nuestro hogar.

FUNCIONAMIENTO
El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de hacerlo en dirección contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calentar o bien para emplearlo en procesos que precisan calor. Es posible también aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío,lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.
Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior.
En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cuando se necesita calentar algo.
Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere aportar un trabajo. Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extraído de la fuente de calor mas el trabajo externo aportado.
El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evoluciona en ciclos, es comprimido y luego expansionado y del que se obtiene frio y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rapido progreso, en aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y calor simultaneamente no se aprovecharon.
Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la construcción de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que hacía que ésta no fuera competitiva con los sistemas tradicionales decalefacción a base de carbón, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relación con sus costes. Pero la crisis del petróleo y la subida de los precios de los combustibles a partir de 1973, benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.
En el momento actual la utilización de Bombas de Calor supone un ahorro energético y que se reduzcan las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energía primaria que cualquier otro sistema pero hay que tener en cuenta como se genera la energía eléctrica que consumen las bombas de calor para saber si de verdad no contaminan.
Si la energía eléctrica proviene de fuentes como la hidroeléctrica ó eólica, entonces la contaminación es nula, pero si son de otras como las térmicas es evidente que existe esa contaminación, que de todas maneras es mucho menor que otros aparatos.

ETAPAS DEL CICLO
1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de éste.
2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presión y temperatura.
3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio.
4. Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la valvula de expansión hasta alcanzar la presión y temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevoel ciclo accediendo al evaporador.



CLASIFICACION
Si invertimos el funcionamiento de un refrigerador, enfriando el aire exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de calor. Por esta razón la mayoría de estos aparatos son reversibles y permiten refrigerar en verano y calefactar en invierno.

La bomba de calor se suele clasificar según el medio de origen y destino de la energía de tal forma que se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio que absorbe calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). A continuación de describen algunos de estos tipos.
A) BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE: Son las mas utilizadas, principalmente en climatización.

B) BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
C) BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc.

COMPONENTES DE LA BOMBA DE CALOR
1) COMPRESOR: Eleva la presión del vapor refrigerante desde una presión de entrada a una presión de salida mas alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrífugos.
2) CONDENSADOR: Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (oextractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener maxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera.
3) EVAPORADOR: Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que genera la transferencia de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua.
4) DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN: Son los dispositivos mediante los que se realiza la reducción de presión isoentalpica (es decir con variación de entalpía igual a 0) desde la presión de condensación hasta la de evaporación.
5) DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD Y DE CONTROL: Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se esté trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son
A) Presostato de alta presión: Detiene el compresor cuando se alcanza una presión de condensación elevada.
B) Presostato de baja presión. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presión de aspiración es demasiado baja.
C) Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presión del aceite del circuito de refrigeración y lubricación de aceite.
D) Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura de descarga es demasiado elevada.
6) DISPOSITIVOS AUXILIARES: Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche, o cuando el compresor se detiene,impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde.
7) DEPOSITO: A la salida del condensador y antes de la valvula de expansión se sitúa un depósito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no dañe el compresor.
8) REFRIGERANTES: Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinamicas de tal manera que condensen y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor temperatura cuando se eleva su presión, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presión y los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas respectivamente.

EFICIENCIA DE LA BOMBA DE CALOR
Los ciclos inversos se utilizan para dos objetos 1) para producir un efecto frigorico (enfilación), y 2) para llevar a cabo un efecto calorífico. Por consiguiente, un nombre general para los sistemas de ciclo inverso es el de sistemas de bombas de calor (suministro y extracción), pero el uso común suele llamarse bombas de calor.
El parametro empleado para indicar la eficiencia de un ciclo inverso recibe el nombre de coeficiente de operación, que se abrevia c.d.o. (o COP) y se simboliza por K. De acuerdo con el objetivo del ciclo inverso el COP evaluado de entrada o de salida se expresa siempre como positivo y se calcula con:

KF= Qa = RefrigeraciónKC= Qb = Calor de salida
W Trabajo neto W Trabajo neto

UTILIZADO FRIGORICAMENTE UTILIZADO CALORIFICAMENTE
La eficiencia maxima de la maquina es (T1-T2)/T1, considerando los depósitos térmicos dados. El ciclo inverso puede hacer que opere entre dos temperaturas cualesquiera para un fin deseado, pero las relaciones normales de temperatura no varían.

BOMBAS DE CALOR Y MEDIO AMBIENTE
Unas de las mayores ventajas son claramente las medioambientales, ya que las bombas térmicas ayudan enormemente a la reducción de las emisiones de CO2 (debido a su eficiencia).
La radiación solar que alcanza la superficie terrestre es parcialmente absorbida por ella, parcialmente reflejada y parcialmente re radiada. Es decir emitida de nuevo por la propia superficie, pero con longitudes de onda mayores que las de las radiaciones incidentes.
La superficie de la Tierra se convierte, en un emisor de radiaciones que deben atravesar la atmósfera en sentido contrario al de las radiaciones incidentes. En su camino hacia el espacio atraviesan primero la troposfera, donde se encuentran con una serie de gases que absorben gran cantidad de ellas, y después la estratosfera donde el ozono absorbe otra parte de la radiación infrarroja emitida.
La radiación proveniente del sol que alcanza la superficie terrestre eleva latemperatura de ésta, mientras que la radiación re radiada que escapa de la atmósfera enfría la Tierra. La temperatura media de la superficie terrestre es el resultado de un equilibrio entre las ganancias y las pérdidas de energía en forma de radiación. Cuanta mas radiación re radiada sea retenida por la atmósfera, mas elevada sera la temperatura superficial de la Tierra. Es el mismo efecto de captación que tiene lugar en un invernadero de plantas.
Los gases que provocan el efecto invernadero, al absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre son el CO2, el vapor de agua, el ozono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y los derivados halogenados de los hidrocarburos saturados. Así el CO2 es el principal responsable del efecto invernadero intensificado. Su producción se debe esencialmente a los procesos de combustión, a la respiración de los seres vivos y a la putrefacción de los tejidos organicos muertos. Hay que distinguir entre efecto invernadero natural y efecto invernadero intensificado, causado por el hombre.
Durante siglos la actividad humana no tuvo ningún efecto medible sobre la composición media de la atmósfera A partir de las segunda guerra mundial, la combustión de ingentes cantidades de petróleo, y la desforestación incontrolada han dado lugar a la elevación de la concentración media del CO2.
En los años 80 los científicos que modelan el cambio climatico alertaron de las consecuencias del aumento de temperaturas en la Tierra, de no haber un esfuerzo por reducirlas emisiones de gases de invernadero, consecuencia de las actividades humanas.
Dado que una gran cantidad de las emisiones de CO2, se puede atribuir a la producción y utilización de la energía eléctrica, el uso de tecnologías eficientes como la Bomba de Calor contribuira a su disminución.
Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relación con el medio ambiente, si las comparamos con otros equipos de calefacción convencional Internacional de la Energía (AIE), analizando el impacto medioambiental de las cinco opciones siguientes:
A) Caldera convencional de gasóleo.
B) Caldera convencional de gas.
C) Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida en plantas de generación eléctrica convencional.
D) Bomba de Calor a gas.
E) Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida a partir de energías renovables.
Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia energética de estos equipos y del tipo de combustible empleado. En las Bombas de Calor eléctricas, la electricidad empleada para accionarlas, lleva implícita la emisión de CO2 en origen, es decir en las centrales de generación eléctrica, ademas de las pérdidas de transporte y distribución de la energía eléctrica.
En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor eléctrica como la de gas, emiten considerablemente menos CO2 que las calderas. Una Bomba de Calor eléctrica que funcione con electricidad procedente de fuentes de energías renovables no desprende CO2.Es facil notar que la bomba de calor eléctrica (fuentes renovables), no aporta CO2 a la atmosfera y también se puede ver que es la mejor opción para las bombas de calor yo que no contaminan ni producen daños al ambiente.

CONCLUCIONES

Gracias a este trabajo pude comprender el uso de una bomba térmica y su funcionamiento el cual no es muy complejo. También aprendí que las bombas de calor antiguas contaminaban mucho, y aunque fueran útiles, dañaban a la atmosfera.
Las bombas térmicas ayudan de gran manera al medioambiente si se sabe bien cómo y de qué tipo utilizar.
Pude aprender que la bomba de calor eléctrica (fuentes renovables), son las mas útiles ya que no aportan CO2 al medio ambiente y solo gastan energías que son renovables como la eléctrica y este tipo de bombas esta revolucionando los mercados actuales.
El ciclo de calefacción y el de refrigeración no son muy distintos, ya que es la misma maquina solo que se activa en un sentido inverso para tomar calor del exterior y libéralo al interior (calefacción) o tomar calor del interior y liberarlo al exterior (refrigerador).


BIBLIOGRAFIA

FAIRES Moring Virgil:
Termodinamica., Editorial Limusa
Año 2008, México D.F.
Pg. (224-230)