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BOMBAS DE CALOR

BOMBAS DE CALOR . El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A UN FOCO CALIENTE. Un poco de historia. Kelvin en 1852 introduce el concepto. EN 1927 Electrolux introduce en el mercado la primer Bomba de Calor ( Escocia)

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BOMBAS DE CALOR

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  1. BOMBAS DE CALOR El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A UN FOCO CALIENTE.

  2. Un poco de historia • Kelvin en 1852 introduce el concepto. • EN 1927 Electrolux introduce en el mercado la primer Bomba de Calor ( Escocia) • EN 1950 –1955 cae la “imagen” de la bomba de calor por el uso inadecuado. • En 1976 se reinicia, con YORK que produce la primer Bomba de calor , controlada por PC Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  3. Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento 1 2 3 4 4 1 2 3 Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  4. Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  5. Bomba de calor funcionando en modocalentamiento 4 3 2 1 4 1 2 3 Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  6. Flujo y estado del refrigerante en modo calentamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  7. Tipos de Bombas de Calor • APLICADAS: Cuando requieren de un diseño en el lugar, de acuerdo a la aplicación específica. Por ejemplo las aplicadas a procesos industriales. • UNITARIAS: Cuando vienen prefabricadas, diseñadas por el fabricante. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  8. EQUIPOS UNITARIOS • Se pueden clasificar en: Residenciales (hasta 65000 Btu/h (5.4 TR), generalmente monofásicas), Comercial Liviano (hasta 135000 Btu/h (11.3 TR), generalmente trifásicas), Comercial Pesado (mas de 135000 Btu/h). • Split: Se dice del equipo cuando viene dividido en varias unidades (por ejemplo interior y exterior). Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  9. BOMBA DE CALOR UNITARIA • Cubren un rango aproximado de 1.5 a 30 TR. • La cantidad de energía en forma de calor que se puede obtener varía de 2 a 4 veces la consumida. • En el caso de aire acondicionado, para un mejor confort, antes que sobredimensionar la bomba, es mejor alguna fuente complementaria de calor o bombas de capacidad variable (incluyendo compresores movidos por motores de combustión interna, etc). Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  10. BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES Se trata de recuperar parte del calor generado en un proceso (y que normalmente sería desperdiciado), para verterlo en alguna parte del proceso o acondicionar algún ambiente. Es mucho mas difundido el uso de bombas de calor para acondicionamiento térmico que para uso industrial. BOMBA DE CALOR APLICADAS Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  11. Eleccion de las fuentes de calor • Lugar geográfico • Disponibilidad de recursos naturales • Costos operativos • Recuperación de calor de procesos • Ejemplos fuentes : aire agua tierra energía solar Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  12. AIRE (características) • Barato , limpio. • Acondicionamiento interior en edificios. • Poco poder de intercambio • Aplicaciones en Piscinas (deshumidificar) • DESVENTAJA: EQUILIBRIO Tev y Tamb Pto equilibrio Capacidad Rerfg. Cal/hr Perdida ambiente T ext Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  13. AGUA (características) • Gran poder de intercambio. • Utilización de agua subterránea como fuente. (Temp. cte) • Agua de efluentes. • Precauciones: tratamiento, filtración y contaminación, corrosión. • Colocación intercambiadores en lagos, ríos etc. (evitar hacer pozos) • Costos de extracción • Aguas de alcantarillado ( Temp. sup.) Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  14. Agua -Aire Calor frió Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  15. Tierra (características) • Utilización como Fuente de Calor sumergida.( tubos enterrados) • Puntos a tener en cuenta: efectividad • Corrosión, humedad, composición, difusividad. Liquido anticongelante • Temperatura mas estable que otras fuentes Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  16. COP Vs. Factor de funcionamiento • COPc= Tf / (Tc –Tf ) • Factor de Func.= Tc / (Tc –Tf )= • (Tc –Tf +Tf )/ (Tc –Tf )=1 + COPc Factor funcionamiento mayor que uno Factor de Funcionamiento (NH3) TEMP. 6 Tc W Tf 3 Entropia -10C 10C Temp Exterior Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  17. Aire como foco caliente Utilizando aire como foco caliente se tiene un intervalo de funcionamiento más amplio El factor que influye es la temperatura exterior Se ve que la capacidad del compresor disminuye a bajas temperaturas de evaporación Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  18. Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  19. Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  20. Bomba de calor funcionando en modocalentamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  21. Flujo y estado del refrigerante en modo calentamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  22. Equipos unitarios, componentes • El flujo de refrigerante está controlado por placa orificio, tubo capilar, o válvula termostática. • El tubo capilar es menos costoso pero puede provocar que el evaporador trabaje sobre o sub-alimentado para diferentes temperaturas de condensación. Esto puede ocasionar un funcionamiento con un rendimiento inferior al óptimo. Esto se evita con la válvula termostática. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  23. Componentes-ejemplo Válvula termostática de expansión P1= P2 + P3 P1 es la presión del elemento termostático P2 es la presión en el evaporador P3 presión del resorte equivalente al sobrecalientamiento Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  24. Modelado de la válvula termostática • q = flujo de calor • C constante del diseño de la válvula proporcional • densidad del líquido entrante • diferencia de presión en la válvula • hf entalpía del líquido entrante • hg entalpía del gas saliente Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  25. Válvula termostática de expansión • Una válvula termostática opera con sobrecalientamiento y obedece a cambios en el sobrecalientamiento. Los valores estándar van de 4 a 8ºF.Dependiendo del diseño, tamaño y aplicación • La capacidad a plena carga de las mismas es de 10 – 40% del valor nominal como reserva. Es el tramo BC en la curva gradiente • Una válvula termostática convencional no regularía el flujo convenientemente en ambas direcciones. Debido a eso se emplean 2 válvulas para las bombas de calor, una para cada condición de operación • A un tubo capilar no le afecta la dirección del flujo, pero por la diferencia de presiones evita que por el compresor pase la cantidad de refrigerante necesaria Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  26. La figura muestra un evaporador funcionando con R22 a una temp. de saturación de 40ºF (68.5psi) Punto A mezcla saturada de líquido y vapor 40ºF (68.5psi) Punto B vapor saturado 40ºF (68.5psi) Punto C vapor sobrecalentado 50ºF y 68.5 psi (sobrecalentamiento 10ºF) Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  27. El gráfico de la izquierda muestra el gradiente típico de una válvula de expansión termostáticaEl gráfico de la derecha muestra la relación entre presión y temperatura en el elemento termostático Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  28. Válvula inversora de 4 vías A la línea simple siempre viene la descarga del compresor que es derivada al condensador La línea del medio siempre va a la succión del compresor Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  29. Funcionamiento del barril Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  30. Funcionamiento del barril Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  31. Válvula inversora comandada por válvula solenoide Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  32. El acumulador opera evitando que el compresor succione líquido También retiene el aceite contenido en el refrigerante (podría acumular todo el aceite del compresor, falla) Un orificio en la base hace que por efecto Venturi los vapores arrastren el aceite al compresor donde pertenece Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  33. EJEMPLO – CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA • Marca ADDISON, modelo WWR 048 de 4 TR (en línea WWR disponible de 3 a 35 TR). • Función: • Su función es calentar o enfriar agua a partir de una fuente que intercambia con agua. • Del lado de la fuente puede haber una torre de enfriamiento, un intercambiador geotérmico, etc • Del lado de la carga pueden existir muchas aplicaciones como ser fan coils, radiant coils, calentar agua de piscinas o spas, una aplicación de proceso, etc Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  34. EJEMPLO – CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA • Dimensiones: • Altura = 53 cm • Largo = 71 cm • Ancho = 71 cm Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  35. CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  36. DATOS DEL FABRICANTE • Fluido refrigerante R-22 • Compresor Scroll • Modo CALOR: • Datos basados en Te (carga) = 100ºF (38ºC), Te (fuente) = 70ºF (21ºC), caudales de agua iguales a 12 gpm (2.73 m3/h). • Capacidad = 57546 Btu/h (16.865 kW) • Compresor: • Psucción = 80 psig (658 kPa) • Pdescarga = 280 psig (2040 kPa) • Pot. entregada = 3473 W Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  37. DATOS DEL FABRICANTE • Modo CALOR: • Pot. eléctrica = 4092 W (RLA = 18.6 A (208-230 V / 1 fase / 60 Hz)) • Modo FRÍO: • Datos basados en Te (carga) = 55ºF (13ºC), Te (fuente) = 85ºF (29ºC), caudales de agua iguales a 12 gpm (2.73 m3/h). • Capacidad = 39470 Btu/h (11.567 kW) • Compresor: • Psucción = 65 psig (550 kPa) • Pdescarga = 230 psig (1690 kPa) • Pot. Entregada = 2741 W Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  38. CICLO DE REFRIGERACIÓN • Para construir el ciclo de refrigeración correspondientes a las condiciones de funcionamiento anteriormente mencionadas se supone razonablemente un sobrecalentamiento de 6ºC y un subenfriamiento de 5ºC (debido a que no se poseen datos al respecto). • El orígen de Entalpías y Entropías respectivamente es de 200 Kj/Kg y 1.0 Kj/(Kg.K) para líquido saturado a 0ºC. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  39. MODO CALOR – DIAGRAMA de MOLLIER (o PH) Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  40. MODO CALOR – DIAGRAMA TS Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  41. MODO CALOR – CÁLCULOS Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  42. MODO FRÍO – DIAGRAMA de MOLLIER (o PH) Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  43. MODO FRÍO – DIAGRAMA TS Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  44. MODO FRÍO – CÁLCULOS Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  45. COMENTARIOS • En general en este tipo de equipo el COP oscila entre 2 y 3. En nuestro caso obtuvimos valores de 3.58 para modo frío y 4.12 para modo calor. En este sentido vale acotar que tenemos un compresor Scroll (alto rendimiento volumétrico) y este permite generalmente obtener COPs mas altos. • En modo calor el COP es mas alto que en modo frío. Esto es bastante lógico ya a diferencia del modo frío, en modo calor se aprovecha el calor aportado por el compresor. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  46. BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES (Aplicadas) • Recuperar calor generado en alguna parte de un proceso. • Menos difundido que el uso de bombas de calor para acondicionamiento de aire, a pesar de poseer en general COPs mas altos. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  47. TIPOS DE BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES Las mas importantes son: • Ciclo de compresión cerrado – motor eléctrico (ECCC) • Ciclo de compresión cerrado – motor diesel (DCCC) • Recompresión mecánica de vapor (MVR) Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  48. CICLO CERRADO Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  49. CICLO DE COMPRESIÓN CERRADO (ambos motores) • Formas de aumentar el COP: • Subenfriamiento: 1% cada 2 ºC de subenf • Uso de economisador o tanque flash intermedio. • Los compresores pueden ser reciprocantes (hasta 500 kW de calor bombeado), de tornillo (hasta 5 MW) y turbocompresores (mas de 2 MW). • Los gases refrigerantes típicos, aunque en desuso por razones ambientales, son el R-12, el R-22 y el R-114. Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

  50. CICLO CERRADO CON MOTOR ELÉCTRICO • Rendimiento de Motor alrededor de 90%. • COPs típicos 4 – 6. • COPs no varían mucho de un refrigerante a otro pero la capacidad si. • COPs aumentan levemente desde los compresores reciprocantes, pasando por los de tornillo, hasta los turbocompresores (COPs mayores). Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

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