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Refrigeradores y bombas de calor (GIE)

De Laplace

Contenido

1 Refrigerador

Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente.

Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

Archivo:esquema-ac-habitacion.png

Ambos operan sobre el mismo principio. Un compresor eleva la temperatura del fluido de trabajo a base de realizar trabajo sobre él. El fluido, a temperatura superior a la ambiente, es puesto en contacto con éste en un condensador (una rejilla,p.ej.), liberando calor Qout. El fluido enfriado, pasa por una válvula de expansión, donde su temperatura cae por debajo de la del foco frío. Puesto en contacto con este foco (la cámara frigorífica o la habitación) mediante otra rejilla conocida como evaporador, absorbe calor de éste, Qin. De ahí vuelve al compresor, recomenzando el ciclo.

Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COPR) según el mismo principio que para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Qin que se extrae del foco frío y “lo que cuesta” el trabajo Win necesario para ello

\mathrm{COP}_R = \frac{Q_\mathrm{in}}{W_\mathrm{in}}= \frac{Q_\mathrm{in}}{Q_\mathrm{out}-Q_\mathrm{in}}

A diferencia del rendimiento de una máquina térmica, el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad (normalmente lo es, de hecho).

Dado que refrigeradores y bombas de calor operan en ciclos, el coeficiente de desempeño puede definirse en términos de los flujos de calor y trabajo

\mathrm{COP}_R = \frac{\dot{Q}_\mathrm{in}}{\dot{W}_\mathrm{in}}= \frac{\dot{Q}_\mathrm{in}}{\dot{Q}_\mathrm{out}-\dot{Q}_\mathrm{in}}

donde cada flujo se calcula dividiendo el calor o trabajo intercambiados en un ciclo dividido por el periodo de éste.

En el diseño de refrigeradores se suele usar como unidad la frigoría (fg), definida como 1 kcal (= 4186 J) de calor extraído. También, como unidad de potencia, se usa la frigoría/hora (fg/h), llamada erróneamente como frigoría a secas, que nos da el flujo de calor extraído.

2 Bomba de calor

Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el, circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión al un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve entonces al compresor, reiniciando el ciclo.

En el uso habitual, lo que hace una bomba de calor es principalmente mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, reintroduciendo de forma continua el calor que va escapando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto frío en una habitación, la bomba de calor se encarga de elevar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

Archivo:esquema-bc-habitacion.png

En el caso límite de una estufa (de resistencia eléctrica, por ejemplo), lo que ocurre es que no se extrae calor del exterior y todo el calor que entra en la habitación procede del trabajo consumido.

Para que un mismo aparato pueda funcionar como aire acondicionado en verano y bomba de calor en invierno, es necesario un sistema de válvulas que permita que el vapor fluya en direcciones opuestas según el uso que se le de.

En el caso de una bomba de calor “lo que se saca” es el calor Qout, por lo que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor se define como

\mathrm{COP}_\mathrm{BC} = \frac{Q_\mathrm{out}}{W_\mathrm{in}}=\frac{Q_\mathrm{out}}{Q_\mathrm{out}-Q_\mathrm{in}}

o, empleando los flujos de calor y trabajo

\mathrm{COP}_\mathrm{BC} = \frac{\dot{Q}_\mathrm{out}}{\dot{W}_\mathrm{in}}=\frac{\dot{Q}_\mathrm{out}}{\dot{Q}_\mathrm{out}-\dot{Q}_\mathrm{in}}

De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del refrigerador correspondiente se diferencian en 1.

\mathrm{COP}_\mathrm{BC} =\mathrm{COP}_\mathrm{R} +1\,

y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.

Para una bomba de calor real el COP puede ser de 4. Esto quiere decir que para aportar 4 J de calor a una habitación solo consume 1 J de energía eléctrica (mientras que una estufa consumiría los 4 J). Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción, pero requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura exterior es demasiado baja.

        

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