¿Cómo funciona la bomba de calor?: principios termodinámicos y modos de funcionamiento

La bomba de calor es una máquina térmica que, utilizando un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado, transfiere calor del entorno natural, aire, agua o tierra, a un edificio o a aplicaciones industriales invirtiendo el flujo natural del calor, de modo que fluya de una temperatura más baja a una más alta.

Las bombas de calor reversibles pueden trasladar calor de un edificio al entorno natural.A continuación, desgranamos los principios termodinámicos por los que se rige  la bomba de calor:

Principio de equivalencia

Este principio establece la relación entre el calor y el trabajo. Es decir la transformación del trabajo en calor y viceversa.

El equivalente mecánico del calor tiene por expresión:1 julio = 0,24 calorías ó 1 caloría = 4,186 Julios.

Primer Principio de la Termodinámica

Establece que la energía ni se crea, ni se destruye, solo se transforma. Es decir, en una bomba de calor la energía eléctrica consumida por el compresor, y aportada por el motor de accionamiento, se convierte en calor que se transmite al refrigerante durante el proceso de compresión.Como consecuencia, el calor cedido al foco caliente (Q₂) será igual al calor extraído del foco frío (Q₁) más el calor asociado al trabajo de compresión (W).

Q₂ = Q₁ + W

Segundo Principio de la Termodinámica

 El segundo principio de la termodinámica establece que la transmisión de energía no es posible sin la existencia de dos focos a diferente temperatura e igualmente, que sólo es posible producir trabajo en esas condiciones, así como el sentido en el que se produce dicha transformación.

Los equipos bomba de calor son “transportistas” eficientes de energía entre dos focos. Sin embargo, al contrario de lo que ocurre de manera natural, la transmisión de calor se produce a “contracorriente”, dado que se transporta energía del foco frío al foco caliente.

Por lo tanto, en modo calefacción, la unidad transporta calor desde el ambiente exterior (foco frío) al ambiente interior (foco caliente), por ejemplo, entre +10°C y -10°C y entre 17°C y 25°C, respectivamente. En modo refrigeración, si la bomba de calor es reversible, se transporta calor desde el ambiente interior al ambiente exterior, por ejemplo entre 23°C y 29°C y entre 25°C y 40°C, respectivamente.

Para poder realizar esta operación, es necesario disponer de un trabajo adicional. La eficiencia de un equipo es la relación entre el calor cedido al foco caliente y la energía consumida para llevar a cabo dicho transporte.

η= Q₂/W

¿Cómo funciona una Bomba de Calor?

El funcionamiento de la bomba de calor se fundamenta en el proceso de cambio de fase que se produce en el ciclo frigorífico.

El proceso, en modo calefacción, consiste en extraer el calor de una fuente de energía renovable (aerotermia, hidrotermia o geotermia) a través del evaporador, y transferirlo a un foco de alta temperatura a través del condensador. En modo refrigeración el ciclo se invierte, ya que el calor se extrae del interior del recinto.

Principales Componentes

• Evaporador: Intercambiador de calor en el que se produce el cambio de fase del refrigerante de líquido a vapor, absorbiendo calor.
• Compresor: Máquina que utilizando un trabajo exterior, comprime fluidos compresibles, incrementando su presión.
• Condensador: Intercambiador de calor en el que se produce el cambio de fase del refrigerante de vapor a líquido, cediendo calor.
• Válvula de expansión: Regulador de la entrada del refrigerante líquido al evaporador procedente del condensador.

Gracias a este proceso, estos equipos son capaces de proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS).

Modos de Funcionamiento

• Modo Calefacción

El ciclo frigorífico, en modo calefacción, consigue extraer calor del exterior e impulsarlo al interior del edificio.En este caso el intercambiador situado en el interior actúa como condensador y el intercambiador exterior funciona como evaporador.

• Modo ACS

El ciclo frigorífico es el mismo que en modo calefacción, pero el calor se envía hacia un interacumulador de ACS en lugar de hacia la instalación de calefacción.

• Modo Refrigeración

El ciclo frigorífico, en modo refrigeración, consigue extraer calor del interior del edificio y expulsarlo al exterior. En este caso el intercambiador situado en el interior funciona como evaporador y el intercambiador exterior actúa como condensador.

Más Información en el libro publicado por AFEC “La Bomba de Calor. Fundamentos, Tecnología y Casos Prácticos”.