Estudio de funcionamiento del Aire Acondicionado con Bomba de Calor

Ingeniería Térmica

Estudio de funcionamiento del Aire Acondicionado con Bomba de Calor

1. Introducción

En el presente trabajo se pretende analizar las características térmicas de un aparato de climatización genérico consistente en una bomba de calor que funciona en  2 fases: refrigeración y calefacción. Se describirá el funcionamiento de ambos procesos, definiendo los ciclos de que se componen, para terminar hablando de un tipo de refrigerante comercial muy usado.

2.  Descripción de los ciclos de refrigeración y calefacción. Componentes

El término utilizado en el mercado es el de “aire acondicionado con bomba de  calor”. Se trata de un dispositivo que consta de un circuito hidráulico, por donde se permite el paso de fluido tanto en estado líquido, absorbiendo calor de una fuente fría) como en vapor (cediendo calor a una fuente caliente). El líquido en cuestión es un refrigerante homologado, de características que se definirán en un apartado posterior.

Realmente se trata de una bomba de calor reversible, lo cual permite, en función del sentido que recorra el fluido, refrigerar una estancia caliente o calentar una estancia fría, siempre con el objetivo de hacerla confortable.

En una bomba de calor intervienen cuatro dispositivos/secciones bien diferenciadas (figura 1), siendo éstas:

1. Compresor. Es el dispositivo encargado de recibir el suministro eléctrico y transformarlo en trabajo (W, de unidad julio). Su función es aumentar la presión y temperatura del fluido, estando éste en estado de vapor.[pic 1]
2. Condensador. Es, como su nombre indica, la parte encargada de transformar el vapor para pasarlo a estado líquido.

Figura 1. Componentes de un aire acondicionado. Fuente www.unet.edu/ve

1. Válvula de expansión. Su función es la contraria a la del compresor. Disminuye los valores de la presión y la temperatura del fluido, que llega a la válvula en estado líquido.
2. Evaporador. Es el encargado de absorber calor del entorno para proceder a vaporizar el líquido que entra en su interior.

        2.1. Ciclo de refrigeración

El ciclo de refrigeración que se da en el aparato de aire acondicionado es el que se realiza en el sentido que indican las flechas en la figura 1. El objetivo es tomar calor de la estancia (hogar, oficina) que se encuentra más fría que el exterior de la misma, con el fin de mantenerla refrigerada, para expulsar ese calor al exterior, generalmente la calle. Para ello, se realizan de forma cíclica los siguientes procesos (ver figura 2).

• Proceso 1-2. El fluido, en estado de vapor, pasa por el compresor, donde, gracias al trabajo W que se desarrolla, se realiza una compresión adiabática, elevándose la presión y temperatura del refrigerante, aun en estado vapor.
• Proceso 2-3. Manteniendo una presión y temperatura constantes, se realiza en el condensador un cambio de estado  de vapor a líquido, produciéndose una cesión de calor Qc al medio caliente.
• Proceso 3-4. Una vez llega el líquido a la válvula de expansión, ésta hace que el fluido disminuya su presión y temperatura, para poder vaporizarse. Se produce entonces una expansión adiabática, en teoría sin intercambio de calor. El trabajo invertido en ello es despreciable.
• Proceso 4-1. Se materializa el cambio de estado de líquido a vapor en el evaporador, absorbiendo el refrigerante calor Qf de la zona fría (lugar a aclimatar), todo ello a presión y temperatura constante.[pic 2]

    Figura 2. Diagramas T-s y H-s del ciclo de refrigeración/calefacción.

Fuente http://www.unet.edu.ve/

        2.2. Ciclo de calefacción

En este caso, el objetivo es mantener la estancia caliente, de forma que sea confortable. El ciclo termodinámico que se sigue es, al igual que la refrigeración, el mismo de la figura 2. Y el sentido que sigue el fluido es el mismo que se marca en la figura 1 con las flechas.

La diferencia estriba en que, al tratarse de un circuito reversible, el dispositivo que anteriormente funcionaba como evaporador, en la parte del interior, ahora va a funcionar como condensador, puesto que interesa que llegue vapor desde el condensador, para que el fluido refrigerante ceda calor Qc a la estancia.

...