bomba de calor

Descripción

El término de bomba de calor se refiere a aquellas tecnologías que posibilitan la transferencia de calor de baja a alta temperatura.

Dicho proceso de transferencia de calor requiere la utilización de una energía adicional en forma de energía mecánica o térmica.

El calor recuperado por la bomba de calor puede provenir de fuentes naturales o renovables como el agua o aire ambiente, o bien de procesos industriales, en forma de energía térmica residual.

Funcionamiento de la bomba de calor por compresión mecánica

En una bomba de calor el refrigerante recibe calor en el evaporador, y lo cede, junto con el trabajo del compresor, en el condensador. En el evaporador, la bomba de calor recibe calor de un medio o recinto a enfriar.

El calor evapora el refrigerante, el cual es comprimido a continuación por el compresor hasta una presión que permita la condensación a la temperatura a la cual interesa producir el calor. El compresor habitualmente es accionado por un motor eléctrico.

El mérito de la bomba de calor reside en transferir tanto calor como es posible con un mínimo gasto de trabajo en el compresor.

Conceptos básicos

El mercado de la bomba de calor en España

La penetración de los equipos de aire acondicionado en nuestro país sigue siendo muy inferior a la calefacción.

La bomba de calor ha conseguido alcanzar todos los sectores, si bien no lo ha hecho de forma equitativa.

Mientras que el sector doméstico residencial cuenta con el 66% de las instalaciones efectuadas (un total de 800.000 bombas) y el sector comercial con el 33% (400.000 equipos), la complejidad de los diseños específicos requerida en los procesos industriales hace que tan sólo un 1% de las instalaciones se localice en este sector (7.500 equipos).

Tipos de bomba de calor

Los principales tipos de bombas de calor para aplicaciones industriales son:

Bombas de calor en ciclo de compresión cerrado. La temperatura máxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales está en torno a los 120ºC.

Este es el tipo de bombas más extendido en la industria.

Sistemas de recompresión mecánica del vapor (MVR). En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un ciclo abierto (suele ser agua).

Estos sistemas trabajan con temperaturas de foco frío de 70ºC a 80ºC y ceden el calor a temperaturas entre 110ºC y 150ºC.

Bombas de calor de absorción de simple efecto. Los sistemas actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de salida de 100ºC y un salto térmico de hasta 65ºC, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4.

Bombas de calor de absorción de doble efecto. Se aplican a fluidos que tienen un calor residual y una temperatura intermedia por encima de la del ambiente, pero por debajo de la utilizable.

Mediante el evaporador y el generador el fluido alcanza una temperatura adecuada para su utilización. En el absorbedor se cede calor al proceso.

Con este sistema se pueden alcanzar temperaturas de hasta 150ºC, con un salto de temperatura de 50ºC. El COP está entre 0,45 y 0,48.

Ciclo Byron reverso. Con este ciclo se recuperan las sustancias disueltas en varios procesos.

El aire se enfría en la expanción, y las sustancias disueltas se condensan y son recuperadas. La expansión tiene lugar en una turbina que acciona un compresor.

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Componentes

Bomba de calor por compresión con motor

La mayoría de bombas de calor existentes son del tipo de compresión mecánica de vapor pudiendo estar accionadas por un motor eléctrico o de combustión diesel o a gas.

Compresión térmica de vapor

También es posible sustituir el compresor por un eyector y realizar la compresión térmicamente.

Los eyectores presentan como ventajas su bajo coste y larga vida de operación, prácticamente indefinida.

Un eyector es un dispositivo que utiliza la cantidad de movimiento y la energía cinética de una corriente de fluido vivo o motriz para arrastrar o comprimir una segunda corriente fluida.

Las posibles aplicaciones están limitadas por el hecho de que los productos a comprimir se mezclan con el vapor motriz.

Los vapores generados en el proceso de evaporación son comprimidos mediante un eyector que utiliza vapor a alta como fluido motriz. Los vapores comprimidos a una presión intermedia condensan en un intercambiador de calor.

Bomba de calor de absorción

Esta bomba de calor consigue la recuperación de calor para su revaporización energética posterior mediante un ciclo de absorción, estando accionado el ciclo mediante energía térmica.

Aprovecha la energía térmica que se desperdiciaría en el condensador, reduciendo así el consumo energético de la misma.

Desde el punto de vista funcional, no hay gran diferencia entre los termocompresores y la bomba de calor de absorción. Ambas tecnologías revalorizan energía térmica a baja temperatura mediante el consumo de energía a temperatura más alta, para ceder la suma de ambas como calor útil.

Ventajas e inconvenientes

El uso de las diferentes tecnologías de bomba de calor en la industria aporta las siguientes ventajas:

  • Es capaz de suministrar más energía de la que consume. Esta contradicción con uno de los principios más sólidos de la termodinámica se explica por el hecho de que el equipo recupera energía ‘gratuita’ del ambiente exterior.
  • La energía que se necesita para accionar la bomba de calor es aproximadamente una tercera parte o menos del calor útil producido.
  • Por ejemplo, una bomba de calor puede proporcionar a un local 3kWh absorbiendo de la red tan sólo 1kWh. Lo restante, 2kWh, se obtiene gratuitamente del aire exterior.
  • En consecuencia, la bomba de calor es potencialmente de gran interés para el usuario, dado que éste paga por una cantidad menor que la aportada por el equipo para calentar el local.
  • La recuperación de calores residuales industriales mediante la bomba de calor puede representar asimismo una reducción de la demanda de agua de refrigeración, además de representar una disminución de la polución térmica ambiental.
  • La bomba de calor es una tecnología eficaz en la producción de calor, ya que consume menor energía primaria que los sistemas convencionales.
  • Su mayor eficiencia energética reduce el consumo de combustibles fósiles y, como consecuencia, reduce las emisiones de gases nocivos para el medio ambiente (CO2, SO2 y NOx).
  • El impacto global medioambiental de las bombas de calor eléctricas depende mucho del rendimiento y tipo de combustible utilizado en la generación de energía eléctrica.
  • El uso de bombas de calor permitiría reducir un 6% las emisiones de CO2 (que suponen 1000 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial y comercial, y 200 millones de toneladas de CO2 en el sector industrial), pudiendo llegar en un futuro al 16% gracias a los nuevos desarrollos tecnológicos y a un mayor incremento de la electricidad procedente de energías renovables.

Las barreras fundamentales que han frenado el desarrollo y la implantación de la bomba de calor en los procesos industriales, se pueden concretar en:

  • El desconocimiento generalizado de los beneficios que las bombas de calor pueden introducir en los procesos.
  • La necesidad de estudiar cada proceso independientemente para adaptar la tecnología de la bomba de calor de manera adecuada.
  • La corta experiencia en procesos combinados con bomba de calor, así como el desconocimiento de su tecnología.

Aplicaciones

Aplicaciones de la bomba 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 para:

  • Calefacción, climatización y agua caliente sanitaria: suministran agua por ejemplo a fan-coils, para la calefacción de locales y naves.
  • Calentamiento de agua: la demanda de agua industrial en el rango de temperaturas de 40ºC a 90ºC para lavandería, limpieza y desinfección puede ser cubierta por bombas de calor (principalmente de compresión con motor mecánico).
  • Secado de productos: una aplicación muy desarrollada en España es el uso de las bombas de calor en la deshumidificación industrial y secado a temperaturas bajas y moderadas.

El número de bombas de calor instaladas en aplicaciones industriales es actualmente pequeño comparado con el número de oportunidades técnica y económicamente viables.

Las posibles aplicaciones de la bomba de calor en la industria son muy diversas, y se resumen en las siguientes tablas:

Algunas aplicaciones industriales de la bomba de calor que abarcan sectores industriales muy diversos y que se emplean actualmente son:

Bomba de calor por compresión con motor eléctrico

  • Secado de madera.
  • Secado de malta.
  • Secado de embutidos.
  • Industria del pan.
  • Cultivo industrial de especies marinas en piscifactorías.

Recompresión mecánica de calor

  • Destilación de polipropileno.
  • Destilación de 1-buteno.

Recompresión térmica de vapor

  • Concentrado de melaza.

Bomba de calor de absorción

  • Planta desalinizadora de agua de mar.

Transformador de calor

  • Industria del acero.

Energías renovables y su integración con los sistemas de bomba de calor

Las energías renovables pueden ser la fuente para suministrar el calor o la electricidad que precisan las bombas de calor, y disminuir así la dependencia de los combustibles fósiles.

La variedad en las posibilidades de combinación entre las bombas de calor y las energías renovables puede ser tan amplia como se quiera, siempre y cuando se admita pagar un sobrecoste ecológico por la complejidad adicional en el diseño de las instalaciones.

 

Existen unas instalaciones prototipo que han aplicado con éxito esta fusión de tecnologías a un coste razonable y empleando una ingeniería no excesivamente compleja.

Ejemplo

Secado de embutidos

El proceso de secado consiste en eliminar por evaporación el exceso de agua que contiene un producto.

El proceso de secado de embutidos tiene lugar en dos partes: el estufado y el secado o curado.

La bomba de calor usada en este tipo de aplicaciones es del tipo de compresión de vapor con motor eléctrico.

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Para ver el interés de la bomba de calor en el secado de embutidos consideramos el caso de una planta convencional con los siguientes datos:

En el sistema con bomba de calor, el calentamiento necesario en la puesta en marcha sigue existiendo, eliminándose el consumo térmico cuando la instalación está en régimen.

El consumo anual de energía primaria en la fase de estufado es de 7,8tep, siendo el ahorro de energía primaria de 37,1%.

En el proceso de secado el consumo anual total de energía primaria es de 39tep, con un ahorro de energía primaria del 38,7% respecto del sistema convencional.

La principal ventaja de este tipo de aplicaciones de la bomba de calor es que no representa un aumento sustancial de la inversión.

El retorno de la inversión se realiza en menos de un año en el caso en que el combustible utilizado sea gasóleo C.

El consumo de energía eléctrica no se ve alterado de forma importante, pero se elimina prácticamente el consumo térmico de la instalación.

Información complementaria: Catálogo de Frío Industrial.