El terme bomba de calor es refereix a aquelles tecnologies que possibiliten la transferència de calor de baixa a alta temperatura.

Aquest procés de transferència de calor requereix la utilització d'una energia addicional en forma d'energia mecànica o tèrmica.

La calor recuperada per la bomba de calor pot provenir de fonts naturals o renovables com l'aigua o l’aire ambient, o bé de processos industrials, en forma d'energia tèrmica residual.

Funcionament de la bomba de calor per compressió mecànica

En una bomba de calor el refrigerant rep calor a l'evaporador i el cedeix, juntament amb el treball del compressor, al condensador. A l'evaporador, la bomba de calor rep calor d'un mitjà o d’un recinte a refredar.

Aquesta calor evapora el refrigerant, que és comprimit a continuació pel compressor cap a una pressió que permeti la condensació a la temperatura a la qual interessa produir la calor. El compressor acostuma a ser accionat per un motor elèctric.

El mèrit de la bomba de calor rau en transferir tanta calor com sigui possible amb una mínima despesa de treball en el compressor.

2.1 El mercado de la bomba de calor en España

La penetració dels equips d’aire condicionat al nostre país segueix sent molt inferior a la calefacció.

La bomba de calor ha aconseguit arribar a tots els sectors, si bé no ho ha fet de manera equitativa.

Mentre que el sector domèstic residencial compta amb el 66% de les instal·lacions efectuades (un total de 800.000 bombes) i el sector comercial amb el 33% (400.000 equips), la complexitat dels dissenys específics requerida en els processos industrials fa que només un 1% de les instal·lacions es localitzi en aquest sector (7.500 equips).

2.2 Tipus de bomba de calor

Els principals tipus de bombes de calor per a aplicacions industrials són:

Bombes de calor en cicle de compressió tancat. La temperatura màxima obtinguda pels fluids refrigerants actuals es troba al voltant dels 120º C.

Aquest és el tipus de bombes més estès en la indústria.

Sistemes de recompressió mecànica del vapor (MVR). En aquestes bombes el fluid que evoluciona és el mateix fluid de procés en un cicle obert (sol ser aigua).

Aquests sistemes treballen amb temperatures de focus fred de 70º C a 80º C i cedeixen la calor a temperatures entre 110º C i 150º C.

Bombes de calor d'absorció de simple efecte. Els sistemes actuals amb aigua/bromur de liti tenen una temperatura de sortida de 100º C i un salt tèrmic de fins a 65º C, amb un COP que oscil·la entre 1,2 i 1,4.

Bombes de calor d'absorció de doble efecte. S'apliquen a fluids que tenen una calor residual i una temperatura intermèdia per sobre de la de l'ambient, però per sota de la utilitzable.

Mitjançant l'evaporador i el generador el fluid arriba a una temperatura adequada per a la seva utilització. A l'absorbidor se cedeix calor al procés.

Amb aquest sistema es poden assolir temperatures de fins a 150º C, amb un salt de temperatura de 50º C. El COP es troba entre 0,45 i 0,48.

Cicle Bryton revers. Amb aquest cicle es recuperen les substàncies dissoltes en diversos processos.

L'aire es refreda a l'expansió i les substàncies dissoltes es condensen i es recuperen. L'expansió té lloc en una turbina que acciona un compressor.

3.1 Bomba de calor per compressió amb motor

La majoria de bombes de calor existents són del tipus de compressió mecànica de vapor i poden ser accionades per un motor elèctric o de combustió dièsel o de gas.

3.2 Compressió tèrmica de vapor

També és possible substituir el compressor per un ejector i realitzar la compressió tèrmicament.

L’avantatge dels ejectors és el seu baix cost i la llarga vida d'operació, pràcticament indefinida.

Un ejector és un dispositiu que utilitza la quantitat de moviment i l'energia cinètica d'un corrent de fluid viu o motriu per arrossegar o comprimir una segona corrent fluida.

Les possibles aplicacions estan limitades pel fet que els productes a comprimir es barregen amb el vapor motriu.

Els vapors generats en el procés d'evaporació es comprimeixen mitjançant un ejector que utilitza vapor a alta com a fluid motriu. Els vapors comprimits a una pressió intermèdia es condensen en un intercanviador de calor.

3.3 Bomba de calor d'absorció

Aquesta bomba de calor aconsegueix la recuperació de calor per a la seva revaporització energètica posterior mitjançant un cicle d'absorció, i el cicle s’acciona mitjançant energia tèrmica.

Aprofita l'energia tèrmica que es malgastaria al condensador i en redueix així el consum energètic.

Des del punt de vista funcional, no hi ha gran diferència entre els termocompressors i la bomba de calor d'absorció. Totes dues tecnologies revaloritzen energia tèrmica a baixa temperatura mitjançant el consum d'energia a temperatura més alta, per cedir la suma de les dues com a calor útil.

L'ús de les diferents tecnologies de bomba de calor a la indústria aporta els AVANTATGES següents:

• L'avantatge fonamental de la bomba de calor és que és capaç de subministrar més energia de la que consumeix. Aquesta contradicció amb un dels principis més sòlids de la termodinàmica s'explica pel fet que l'equip recupera energia 'gratuïta' de l'ambient exterior.
• L'energia que es necessita per accionar la bomba de calor és aproximadament una tercera part o menys de la calor útil produïda.
• Per exemple, una bomba de calor pot proporcionar a un local 3 kWh absorbint de la xarxa només 1 kWh. La resta, 2 kWh, s'obté gratuïtament de l'aire exterior.
• En conseqüència, la bomba de calor és potencialment de gran interès per a l'usuari, atès que aquest paga per una quantitat menor que l'aportada per l'equip per escalfar el local.
• La recuperació de calors residuals industrials mitjançant la bomba de calor pot representar també una reducció de la demanda d'aigua de refrigeració, a més de representar una disminució de la pol·lució tèrmica ambiental.
• La bomba de calor és una tecnologia eficaç en la producció de calor, ja que consumeix menys energia primària que els sistemes convencionals.
• La seva major eficiència energètica redueix el consum de combustibles fòssils i, en conseqüència, redueix les emissions de gasos nocius per al medi ambient (CO2, SO2 i NOx).
• L'impacte global mediambiental de les bombes de calor elèctriques depèn molt del rendiment i del tipus de combustible utilitzat en la generació d'energia elèctrica.
• L'ús de bombes de calor permetria reduir un 6% les emissions de CO2 (que suposen 1.000 milions de tones de CO2 en el sector residencial i comercial, i 200 milions de tones de CO2 en el sector industrial), i podria arribar en un futur al 16% gràcies als nous avenços tecnològics i a un major increment de l'electricitat procedent d'energies renovables.

Les BARRERES fonamentals que han frenat el desenvolupament i la implantació de la bomba de calor en els processos industrials es poden concretar en:

• El desconeixement generalitzat dels beneficis que les bombes de calor poden introduir en els processos.
• La necessitat d'estudiar cada procés independentment per adaptar la tecnologia de la bomba de calor de manera adequada.
• La curta experiència en processos combinats amb bomba de calor, i també el desconeixement de la seva tecnologia.

5.1 Aplicacions de la bomba de calor

La principal justificació de la utilització de la bomba de calor a la indústria és la recuperació de calor.

La bomba de calor fa utilitzables fluxos de calor que, en cas contrari, es dissiparien sense aprofitament.

La calor obtinguda en el condensador de la bomba de calor es pot utilitzar, entre altres aplicacions, per a:

1. Calefacció, climatització i aigua calenta corrent: subministren aigua per exemple a aerotermos, per a la calefacció de locals i de naus.
2. Escalfament d'aigua: la demanda d'aigua industrial en el rang de temperatures de 40º C a 90º C per a bugaderia, neteja i desinfecció es pot cobrir amb bombes de calor (principalment, de compressió amb motor mecànic).
3. Assecatge de productes: una aplicació molt desenvolupada a Espanya és l'ús de les bombes de calor en la deshumidificació industrial i l’assecatge a temperatures baixes i moderades.

El nombre de bombes de calor instal·lades en aplicacions industrials actualment és petit comparat amb el nombre d'oportunitats viables des del punt de vista tècnic i econòmic.

Les possibles aplicacions de la bomba de calor en la indústria són molt diverses i es resumeixen a les taules següents:

Algunes aplicacions industrials de la bomba de calor que abasten sectors industrials molt diversos i que es fan servir actualment són:

Bomba de calor per compressió amb motor elèctric

• Assecatge de fusta.
• Assecatge de malta.
• Assecatge d'embotits.
• Indústria del pa.
• Cultiu industrial d'espècies marines en piscifactories.

Recompressió mecànica de calor

• Destil·lació de polipropilè.
• Destil·lació d'1-butè.

Recompressió tèrmica de vapor

• Concentrat de melassa.

Bomba de calor d'absorció

• Planta dessalinitzadora d'aigua de mar.

Transformador de calor

• Indústria de l'acer.

5.2 Energies renovables i la seva integració amb els sistemes de bomba de calor

Les energies renovables poden ser la font per subministrar la calor o l'electricitat que necessiten les bombes de calor, i disminuir així la dependència dels combustibles fòssils.

La varietat en les possibilitats de combinació entre les bombes de calor i les energies renovables pot ser tan àmplia com es vulgui, sempre que s'admeti pagar un sobrecost ecològic per la complexitat addicional en el disseny de les instal·lacions.

Hi ha unes instal·lacions prototip que han aplicat amb èxit aquesta fusió de tecnologies a un cost raonable i emprant una enginyeria no excessivament complexa.

Assecatge d'embotits

El procés d'assecatge consisteix a eliminar per evaporació l'excés d'aigua que conté un producte.

El procés d'assecatge d'embotits té lloc en dues parts: l’estufatge i l'assecatge o curat.

La bomba de calor utilitzada en aquest tipus d'aplicacions és del tipus de compressió de vapor amb motor elèctric.

Per veure l'interès de la bomba de calor en l'assecatge d'embotits considerem el cas d'una planta convencional amb les dades següents:

En el sistema amb bomba de calor, l'escalfament necessari en la posada en marxa segueix existint, i s’elimina el consum tèrmic quan la instal·lació és en règim.

El consum anual d'energia primària a la fase d'estufatge és de 7,8 tep i l’estalvi d'energia primària equival a 37,1%.

En el procés d'assecatge el consum anual total d'energia primària és de 39 tep, amb un estalvi d'energia primària del 38,7% respecte del sistema convencional.

El principal avantatge d'aquest tipus d'aplicacions de la bomba de calor és que no representa un augment substancial de la inversió.

El consum d'energia elèctrica no es veu alterat de manera important, però s'elimina pràcticament el consum tèrmic de la instal·lació.

El retorn de la inversió es realitza en menys d'un any quan el combustible utilitzat és gasoil C.

Informació complementària: Catàleg de Fred industrial