Diapositivas tema 9b - Máquinas Frigoríficas PDF

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9b.- Máquinas Frigoríficas. | |

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Carnot 1924, Kelvin en 1852 introducen 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 inadecuado. En 1976 se reinicia, con YORK que produce la primer Bomba de calor , controlada por Ordenador

Clasificación de los sistemas

Con cambio de fase

Por expansión

Efectos Especiales

- Compresión mecánica - Absorción - Adsorción - Eyección - Ciclo de aire - Efecto Joule-Thompson

- Enf. termoeléctrico (Peltier) - Enf. Magnetoeléctrico (Haas-Keenon) -Enf. Magnetotermoeléctrico (Ettings-Hansen) -Enf. Enf por torbellino (Ranke(Ranke Hilsch)

Una bomba de calor es un máquina que toma el calor presente en un medio (por ejemplo el aire, el agua, la tierra) para transferirlo hacia otro de mayor nivel de temperatura (por ejemplo en un local para calentarlo). calentarlo) Generalmente, Generalmente para el funcionamiento de la bomba de calor, se utilizan sistemas termodinámicos, el ciclo de compresión de vapor, Figura.

El ciclo absorción, se puede apreciar conceptualmente el ciclo de Refrigeración por absorción. En este ciclo la sustancia de trabajo es una solución compuesta por un refrigerante y un absorbente. absorbente

El fluido habitualmente utilizado es la solución acuosa de amoníaco, la de bromuro de litio y la de cloruro de litio respectivamente. En la primera, primera el amoníaco actúa como refrigerante y el agua como medio de transporte. En las dos soluciones acuosas restantes, el agua es el refrigerante y el bromuro o cloruro de litio el absorbente y medio de transporte. Estas, son las más utilizadas en los sistemas de Estas climatización, donde la temperatura mínima está por encima del punto de congelación del agua.

En este ciclo, el proceso de compresión se sustituye por el mecanismo de absorción. absorción El Evaporador descarga el fluido refrigerante como vapor saturado en el absorbedor y, mediante una reacción química exotérmica con el absorbente, se disuelve en una solución líquida formada por el refrigerante y el absorbente, liberando calor durante el proceso.

La cantidad de refrigerante que pueda disolverse en el medio de transporte es inversamente proporcional a la temperatura, de ahí la importancia de enfriar el absorbedor, a fin de que su t temperatura t sea lo l más á baja b j posible ibl y maximizar i i l cantidad la tid d de refrigerante disuelto. Esta solución líquida se bombea al generador de absorción pasando previamente por un regenerador. La energía térmica suministrada al generador es absorbida por la solución líquida, evaporándose una parte. El vapor rico en refrigerante pasa por un rectificador que separa el absorbente, retornándolo al generador y, el refrigerante puro de alta presión circula por el resto del ciclo desarrollando los presión, procesos ya definidos en el ciclo por compresión.

La solución caliente, pobre en refrigerante, es enviada al absorbedor pasando previamente por el regenerador, con el objeto de precalentar la solución líquida bombeada al generador, generador luego es estrangulada hasta la presión del absorbedor y se mezcla con el refrigerante que entrega el evaporador, donde se cierra el ciclo termodinámico. termodinámico Comparando ambos ciclos se encuentra que los sistemas de refrigeración por absorción tienen una ventaja comparativa ya que comprimen una solución líquida en lugar de vapor y, consecuentemente, la potencia suministrada por este proceso es sustancialmente menor, en el orden de 1% del calor suministrado al generador, y operan con una fuente de calor disponible más económica que la energía eléctrica.

El mayor problema de estos equipos es que son más costosos y voluminosos, menos eficientes, requieren de torres de enfriamiento mucho más grandes y son más difíciles de mantener que los del ciclo por compresión de vapor. Partiendo de cualquiera de ambos ciclos termodinámicos, se desarrolla la climatización de ambientes bajo el concepto de enfriamiento o de confort térmico.

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Funcionamiento de una bomba de calor reversible:

b b de d calor l Una bomba U utiliza tili l las propiedades i d d d de cambio de estado de un fluido refrigerante. Este fluido refrigerante en estado de vapor o gas es comprimido por un compresor. Al elevar la presión cede calorías a un condensador y pasa a estado líquido. Después atraviesa una válvula de expansión o un tubo capilar: su presión y su temperatura di i disminuye, y pasa all estado t d de d mezcla l de d líquido lí id + vapor dónde en un evaporador absorbe calor y evapora para volver a ser comprimido. comprimido

Tipos de Bombas de calor.

Aplicaciones. Bombas de calor. La principal justificación de la utilización de la Bomba de Calor en la industria es la recuperación de calor. La Bomba de Calor hace utilizables flujos de calor, que de otro modo serían disipados sin aprovechamiento. El calor obtenido en el condensador de la Bomba de Calor puede ser utilizado entre otras aplicaciones:

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Calefacción, climatización y agua caliente sanitaria: Calefacción Aplicaciones en los sectores residencial y terciario. Suministran agua por ejemplo a fan- coils , para la calefacción de locales y naves. Calentamiento de agua: En la industria se presentan en muchas ocasiones, necesidades simultáneas de agua fría y caliente, en el rango de temperaturas de 40º C a 90º C, para lavandería, limpieza y desinfección, la demanda es cubierta por Bombas de Calor, principalmente de compresión con motor eléctrico.

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Secado de productos: Se usan extensivamente en la deshumidificación industrial y secado a temperaturas bajas y moderadas. Esta es una aplicación muy desarrollada en España. Para secar un producto se utiliza la propiedad que tiene el aire para cargarse de humedad. La cantidad de humedad absorbida por el aire es mayor, cuant o más alta sea la temperatura. El proceso consiste en impulsar al local aire caliente y seco, seco que robará humedad al producto a secar. Posteriormente este aire húmedo pasa por el evaporador de la Bomba de Calor, en el que se enfría y deshumidifica. La Bomba de Calor está especialmente indicada para aquellos procesos que requieren i un secado d lento l t y sensible ibl a altas lt temperaturas.

Algunos aplicaciones: Al li i a) Secado y curado de embutidos: el proceso se realiza en dos fases: Deshumectación y maduración a altas temperaturas : Con una duración de entre 30 y 75 horas. horas Primero se busca una desecación inicial rápida con aire seco a unos 28ºC. Después se baja la temperatura a 22-24ºC y se incrementa la humedad relativa. Curado: Con una duración en torno a 20 días se mantienen temperaturas bajas de 12 a 15º C con humedades relativas en torno al 75 %.

b) Secado de tabaco: El proceso según el esquema. 1. Compresor 1 C / 2 . Ventilador V til d de d circulación i l ió de d aire i en ell interior i t i del d l equipo i / 3.Evaporador, 3E d enfría el aire caliente y húmedo condensándose el agua / 4. Condensador, donde se calienta aire frío y seco / 5. Válvula de expansión / 6. Ventilador para la circulación del aire en secadero / 7. Salida del agua extraída

c)) Secado S d de d lodos l d de d plantas l t depuradoras d d de aguas residuales: Son utilizadas en el secado de lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales, por el principio de un túnel de deshidratación de lodos mediante Bomba de Calor.

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¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Otras aplicaciones de secado, con un rango de temperaturas, son: secado de cuero y pieles: 5 a 60ºC secado de ladrillos: 65ºC secado de maderas: 35ºC secado de la malta de cerveza: 60 a 85 85ºC C secado de lana y fibras textiles: 105º C a 110ºC.

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Destilación y obtención de concentrados: Como la evaporación y la destilación son procesos intensivos de energía, la Bomba de Calor se utiliza con este fin en la industria química y alimentaria. En la destilación se está produciendo una evaporación que requiere calor y una condensación donde sobra calor. La Bomba de Calor puede funcionar cediendo calor en su condensador y absorbiéndolo en el evaporador. La utilización es muy efectiva con COP's entre 6 y 30, cuando son necesarios pequeños saltos de temperatura. Una aplicación es la concentración en la industria alimentaria (lácteos, zumos...).

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Calefacción de invernaderos:

En los invernaderos las plantas absorben humedad y nutrientes por sus raíces, devolviendo parte de la humedad al aire ambiente a través de las hojas, aumentando los niveles de humedad dentro d l invernadero. del i d L Bomba La B b de d Calor C l permite it reducir d i ell nivel i l de d humedad dentro del invernadero, sin desperdiciar el calor.

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Calentamiento C l t i t y enfriamiento fi i t d de agua en Piscifactorías: En las piscifactorías es necesaria la producción de agua caliente y fría de forma simultánea, pues las condiciones de temperatura requeridas para la cría y engorde son distintas a las necesidades para la fecundación de huevos y el crecimiento de los alevines. El principal inconveniente es que normalmente la demanda de frío y calor no coincide. En la figura se muestra un esquema de esta aplicación.

Fermentación del pan: En este procesos los azúcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y anhídrido carbónico. Este proceso debe desarrollarse a una temperatura en el entorno de los 22/30ºC. Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadería obligan a calentar en invierno y refrigerar en verano si no queremos tener desviaciones importantes con respecto a las temperaturas citadas. El tipo de bomba de calor utilizada en esta aplicación es aire-aire. aire aire

Otras sectores industriales donde donde la Bomba de de Calor es de aplicación son: Sector vinícola: E fi i t d Enfriamiento dell vino i y producción d ió d de agua caliente li t para ell lavado l d de d botellas. b t ll

Industria textil: Calefacción de los baños de tinte. I d t i del d l papell y de d la l pulpa l d d Industrias de madera: proceso de evaporación, calefacción y secado. Industrias plásticas: Diversos procesos como refrigeración de las cabezas de extrusión e inyección inyección, con recuperación del calor para la calefacción de locales. Industria del caucho: Calefacción de las soluciones de separación separación. Sector Lácteo: Pasteurización de los productos lácteos, evaporación, concentración y esterilización y procesos de limpieza. esterilización, limpieza Industria alimentaria: Procesos de cocción en el sector de conservas, charcuterías,azucareras, etc. Industrias siderometalúrgicas: Desengrase, lavado, galvanizado, preparación de pinturas y secado. Industria cerámica: Secado.

Bombas de calor geotérmicas Ventajas: • Temperaturas de fuente o sumidero estables durante el año. • No requieren descongelado en el evaporador en modo heat. •Mej M j ora en efici fi i encia i

•Por debajo de 1ºC las bombas enfriadas por aire necesitan calefacción suplementaria •Menor costo de mantenimiento que otros tipos de sumidero •Larga vida útil •Menos ruidosos que equipos con torres o condensadores evaporativos.

Ahorros potenciales Ahorros estimados del 30-70% en calefacción y del 20-50% en climatización Ventajas • Energía totalmente renovable e inagotable • Energía limpia, al no quemar ningún combustible, combustible no emite CO2 • Energía económica dado su alto rendimiento, ahorra en energías de pago • Energía continua disponible 24h sin depender del clima, el viento o la radiación solar • Energía para todo el mundo por no estar localizada en países concretos como los combustibles fósiles • Energía local asegurando la regularidad del abastecimiento y la independencias externa

Aplicaciones La aplicación de esta tecnología se extiende a todo edificio con demanda de energía térmica para climatización y agua caliente sanitaria. • Especialmente indicada en viviendas unifamiliares con piscina, para alargar el tiempo de uso de la misma por un “módico coste explotación”. • La BCG ofrece un elevado rendimiento energético comparado con otras tecnologías y, sobre todo, con combustibles fósiles • Inconvenientes económicos: elevado coste. Inversión inicial fuerte. ¾ Elevados precios de las BCG. BCG ¾ Elevados precios perforaciones. • Ventajas para la red y para la política energética nacional

Climatización Geotérmica. Geotérmica Aplicaciones de la Bomba de Calor El sistema de tierra une a la bomba de calor con el subsuelo y permite la extracción de calor o la introducción de frío a la tierra. Estos sistemas se pueden clasificar generalmente como sistemas abiertos o cerrados:

• Sistemas abiertos: se utiliza agua subterránea como portador de calor y se lleva directamente a la bomba de calor. • Sistemas cerrados: intercambiadores de calor son ubicados en el subsuelo (ya sea en forma horizontal, vertical u oblicua), y un medio portador de calor circula dentro de los intercambiadores de calor, transportando el calor de la tierra a la bomba y viceversa.

Underground thermal energy storage – (UTES)

Climatización Geotérmica Geotérmica. Aplicaciones de la Bomba de Calor

SISTEMA CERRADO. CERRADO Intercambiador de calor horizontal terrestre El sistema cerrado más fácil de instalar (estilo europeo).

es el intercambiad or de calor terrestre horizontal (colector de calor horizontal, “loop” horizontal). Debido a restricciones en el área disponible, en Europa Central y Occ idental se instalan las tub erías individuales en forma relativamente densa, conectadas en serie o en paralelo. Se han desarrollado intercambiadores de calor l de d fuente f t terrestre t t especiales i l para ahorrar espacio con los colectores de calor de fuente terrestre. Estos colectores son los más apropiados para sistemas i t d bomb de b b as de d calor l para Calefacción o Refrigeración, donde la recarga de temperatura natural de la tierra no es vital. Formas en espiral son muy popull ares en l los EEUU EEUU, principalmente colectores “ondulantes”, colocados en forma horizontal en una amplia zanja (ver figura) o en forma vertical ti l en una zanja j red d ucida. id

IIntercambiador t bi d de d calor l terrestre t t de d tipo ti espiral i l (Estados Unidos).

La recarga térmica principal para todos los sistemas horizontales la provee principalmente la radiación solar sobre la superficie de la tierra. tierra Es importante no cubrir de tierra la superficie sobre el colector de calor.

Tuberías coaxiales (concéntricas), ya sea simples o con dos conductos rectos de diferente diámetro, o en una configuración compleja. Debido a que la temperatura a cierta profundidad (cerca de 15 a 20m) permanece constante durante el año, y debido a la necesidad de instalar una capacidad suficiente de intercambio de calor bajo un área especifica, los intercambiadores de calor terrestres verticales (intercambiadores de calor en perforaciones) son ampliamente favorecidos.

Intercambiador de calor de perforación (tubería doble tipo U).

UTES para descongelar superficies de carreteras.

U esquema de Un d llos ATES del d l Parlamento P l t Alemán en Berlín.

Si t Sistemas d de calefacción l f ió en invernaderos i d geotermales. t l

Instalaciones de calefacción con movimiento natural de aire (convección natural): a) ducto de calefacción aéreo; b) calefacción de bancos c) conductos de calefacción bajos para calefacción de aire; d) calefacción de suelo. Instalaciones de movimiento de aire forzado (convección forzada): e) posición lateral; f) ventilador aéreo; g) conductos altos; h) conductos bajos....