Lo ciclos termodinámicos de bomba de calor o los ciclos de refrigeración son los modelos conceptuales y matemáticos para bombas de calor y refrigeradores.
Una bomba de calor es una máquina que mueve el calor de un lugar la fuente a una temperatura inferior a otra ubicación a una temperatura superior con trabajo mecánico.
Así, una bomba de calor puede ser pensado:
- Calentador si el objetivo es calentar el disipador de calor
- Refrigerador si el objetivo es enfriar la fuente de calor.
- En cualquier caso, los principios de funcionamiento son idénticos. El calor se traslada de un lugar frío a un lugar cálido.
Ciclos termodinámicos
La ley de la termodinámica el calor no puede fluir espontáneamente desde una ubicación más fría a una zona más caliente; Se requiere trabajo para a conseguirlo. Un acondicionador de aire que requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, moviendo el calor desde el interior del ambiente hacia el exterior más caliente. Del mismo modo, un refrigerador mueve calor desde dentro de la nevera fría hacia la temperatura más caliente del aire en la cocina. El principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración, fue descrito matemáticamente por Sadi Carnot en 1824 como un motor térmico. Una bomba de calor puede considerarse como motor térmico que funciona a la inversa.
Bomba de calor y los ciclos de refrigeración se pueden clasificar como de compresión de vapor,:
- Absorción de vapor
- El ciclo de gas.
Ciclo de compresión de vapor
Este ciclo se usa en la mayoría de los refrigeradores domésticos, así como en muchos de los grandes sistemas de refrigeración comerciales e industriales.
El ciclo termodinámico puede ser analizado en un diagrama. En este ciclo, un refrigerante que circula tal como Freon entra en el compresor como vapor. El vapor es comprimido a entropía constante y sale del compresor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado viaja a través del condensador que se enfría primero y elimina el sobrecalentamiento y luego condensa el vapor en un líquido mediante la eliminación de calor a presión y temperatura constantes. El refrigerante líquido pasa a través de la válvula de expansión (también denominada válvula de mariposa), donde su presión disminuye abruptamente, causando la evaporación flash y auto-refrigeración de, normal, menos de la mitad del líquido.
Que resulta en una mezcla de líquido y vapor a baja temperatura y presión. La mezcla de líquido y vapor frío se desplaza a través del serpentín del evaporador o tubos y está completamente vaporizado por el enfriamiento del aire caliente siendo soplado por un ventilador a través del serpentín del evaporador o tubos. El vapor refrigerante resultante regresa a la entrada del compresor para completar el ciclo termodinámico.
La discusión anterior se basa en el ciclo de refrigeración ideal de compresión de vapor y no toma en cuenta los efectos del mundo real como la fricción, la caída de presión en el sistema, pequeñas irreversibilidades durante la compresión del refrigerante vapor, el comportamiento no ideal del gas.
Ciclo de absorción de vapor
A principios del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor usando sistemas agua-amoníaco era popular y ampliamente utilizado pero, después del desarrollo del ciclo de compresión de vapor, perdió mucho de su importancia debido a su bajo coeficiente de rendimiento. Hoy en día, se utiliza el ciclo de absorción de vapor solamente cuando el calor es más fácil de conseguir que la electricidad, como los residuos de calor proporcionado por colectores solares, o fuera de la red de refrigeración en vehículos recreativos
El ciclo de absorción es similar al ciclo de compresión, excepto para el método de elevar la presión del vapor refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor se sustituye por un absorbedor que disuelve el refrigerante en un líquido adecuado, un líquido que aumenta la presión de la bomba y un generador de calor que, además, pone en marcha el vapor refrigerante desde el líquido de alta presión. Algunos trabajos son requerido por la bomba líquida pero, para una determinada cantidad de refrigerante, es mucho menor que la necesaria por el compresor en el ciclo de compresión de vapor. En un refrigerador de absorción, se utiliza una combinación adecuada de refrigerante y absorbente. Las combinaciones más comunes son el amoniaco y agua absorbente y agua refrigerante y bromuro de litio absorbente.
Ciclo del gas
Cuando el fluido de trabajo es un gas que es comprimido y expandido pero no cambia la fase, el ciclo de refrigeración se llama un ciclo de gas. Aire es más a menudo este fluido de trabajo. Como no existe condensación y evaporación en un ciclo de gas, componentes correspondientes al condensador y el evaporador de un ciclo de compresión de vapor son los intercambiadores de calor gas-gas caliente y frío.
Para temperaturas extremas, dado que un ciclo de gas puede ser menos eficaz que un ciclo de compresión de vapor porque el gas trabaja en el ciclo Brayton inverso en lugar de un ciclo Rankine inverso. Por lo tanto, el fluido de trabajo no recibe o rechaza calor a temperatura constante. E efecto de este ciclo de refrigeración es igual al producto del calor específico del gas y incremento la temperatura del gas en el lado de baja temperatura. Por lo tanto, para la misma carga de enfriamiento, de gas requieren un mayor caudal de masa, que a su vez aumenta su tamaño.
Debido a su rendimiento más bajo y bulto más grande, el ciclo de evaporadores no se aplica a menudo en refrigeración terrestre. La máquina de ciclo de aire es muy común, sin embargo, en aviones a reacción de turbina de gas; ya que el aire comprimido está fácilmente disponible en secciones del compresor de los motores. Unidades de refrigeración y ventilación de los aviones también sirven al propósito de calefacción y presurización de la cabina del avión.
Comparación con la producción combinada de calor y electricidad (CHP)
Una bomba de calor puede ser CHP, para que una planta de condensación de vapor, como interruptores para producir calor, energía eléctrica se pierde o no se encuentra disponible, así como la potencia utilizada en una bomba de calor no esté disponible.
- Habitualmente por cada unidad de energía perdida, luego 6 unidades de calor estarán disponibles en cerca de 90 °C.
- CHP tiene un eficaz coeficiente de rendimiento (COP) en comparación con una bomba de calor de 6% en promedio. A causa de las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, durante las temporadas altas pérdidas son mucho mayores que esto y es probable que generalizada es decir ciudad uso amplio de las bombas de calor causaría sobrecarga de las redes de transmisión y distribución a menos que ellos se refuerzan considerablemente.
Ciclo de Carnot invertido
Puesto que el ciclo de Carnot es un ciclo reversible, los cuatro procesos que lo componen, son dos isotérmicos y dos procesos isentrópicos, todo se puede invertir así. También, se llama una inversión ciclo de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que actúa sobre el ciclo de Carnot inverso.
- Etapa de este ciclo (proceso 1 – 2), el refrigerante absorbe el calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura, TL, en la cantidad QL.
- El refrigerante es isotrópicamente comprimido (proceso 2-3) y la temperatura se eleva a la fuente de alta temperatura, TH después a esta alta temperatura, el refrigerante rechaza calor isotérmicamente en la cantidad QH (proceso 3-4).
- Además de esta etapa, el refrigerante cambia de un vapor saturado a líquido saturado en el condensador. Por último, el refrigerante se amplía isentropicamente donde la temperatura cae de nuevo a la fuente de baja temperatura, TL (proceso 4 – 1).
