Bombas de calor

Las bombas de calor, o bombas térmicas, son objeto de gran difusión debido al coste elevado de la energía. Si se considera el funcionamiento de una máquina frigorífica, se verá que no hace más que transferir la energía térmica absorbida por el evaporador en el medio 1 para descargarla en el medio II a través del condensador. De ahí el fundamento de la bomba de calor, donde lo que se pretende es calentar el medio II antes de enfriar el medio 1. Como la temperatura de evaporación es siempre inferior a la temperatura de condensación, la máquina frigorífica absorbe en el evaporador el calor a un nivel 9o y lo restituye en el condensador al nivel 9k superior, fenómeno comparable al de una bomba que eleva agua a un nivel ha y la descarga a un nivel Hk. El flujo térmico Ok restituido a nivel condensador es igual al absorbido en el evaporador Oo aumentado con el equivalente frigorífico AW de energía mecánica consumida para accionar la máquina frigorífica. Si se relaciona el flujo térmico utilizable a nivel del condensador con el equivalente frigorífico AW de la energía mecánica consumida, obtenemos un valor Ek netamente superior a 1: coeficiente de rendimiento. Ek = Ok/AW: Oo+AW/AW

Principio de funcionamiento

El principio funcional de la bomba de calor es el mismo que el de la máquina frigorífica, y así se encuentran en ella los mismos componentes principales, a saber: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, siendo su esquema el representado en la figura siguiente: La inclusión en el circuito de una válvula inversa de cuatro pasos permite que la bomba de calor sea ‘reversible’ y pueda permutar las respectivas funciones del evaporador y del condensador, tal y como se muestra en la figura siguiente: Por tanto, y de acuerdo con las necesidades del momento, se podrá calentar o refrigerar el local.

Coeficiente de rendimiento

El coeficiente de rendimiento será más elevado cuanto más pequeña sea la diferencia entre 9k y 9o. Con una temperatura 9k constante, el aumento de la diferencia de temperaturas resulta por lo general de la reducción de 9o, y por ello el interés de escoger, a nivel de evaporador, una fuente de calor a una temperatura lo más constante posible. Por tanto, para 9k – 9o constante, el coeficiente de rendimiento varía en el mismo sentido que 9k.

Diversas fuentes de calor

El calor absorbido en el evaporador puede proceder de diversas fuentes (aire-agua-suelo) y el que cede el condensador puede ser al aire local que se desea calentar, o a un medio intermedio que puede ser el agua. Son posibles, por tanto, diversas asociaciones. Entre las más corrientes se tienen: bombas de calor aire-aire, agua-agua, suelo-suelo. Las fuentes de calor pueden hallarse a temperatura constante (aguas profundas, suelo) o variables (aguas superficiales, aire exterior). Las fuentes más interesantes son aquellas a temperatura constante, ya que permiten obtener un coeficiente de rendimiento constante. Las aguas de pozos profundos, o de una capa subterránea son interesantes como fuentes de calor. Las aguas de ríos o de lagos son también adecuadas ya que su variación de temperatura es pequeña.

Aplicaciones de la bomba de calor

Las primeras aplicaciones tuvieron como objetivo la calefacción, aunque actualmente se orientan mayoritariamente hacia la calefacción de los locales en invierno y su climatización en verano. Una situación favorable para instalar una bomba de calor es un complejo piscina-sala de patinaje sobre hielo; el agua de la piscina se calienta por medio del condensador de las máquinas frigoríficas que producen hielo en la pista de patinaje. El empleo de las bombas de calor para usos de climatización y la necesidad de buscar el coste mínimo de explotación unido al elevado precio de la energía han conducido a la realización y empleo de los recuperadores de calor perdido, como son los excedentes de calor de ciertos locales, procedentes del alumbrado o de las máquinas de servicio, así como también de la evacuación de aire en los locales climatizados.

El aislamiento: principales aislamientos

No es posible enumerar todos los materiales aislantes utilizados en la industria frigorífica por ser muy numerosos, y los materiales empleados varían con el país y las consideraciones económicas locales. Se estudiarán los materiales siguientes: corcho, fibra de vidrio, poliestirenos expandidos y extruidos, cloruro de polivinilo expandido, espuma de poliuretano y el vidrio celular.

Corcho

Es el más antiguo de los materiales empleados en el aislamiento frigorífico. Sucesivamente pasó de su empleo en forma de granos a las placas formadas con el aglomerado de estos granos por medio de aglomerantes orgánicos como la caseína o la gelatina. Posteriormente, y para evitar los olores desagradables que producían los aglomerantes disgregados por la humedad, se utilizó resina de hulla o carbón mineral; actualmente, en Francia y en España sólo se utiliza bajo la forma de corcho expandido puro. El corcho, que se obtiene de la corteza de la encina, árbol que se encuentra únicamente en el occidente mediterráneo, es imputrescible merced a uno de sus componentes: la suberina.

Fibra de vidrio

La fibra de vidrio, muchas veces llamada lana de vidrio, es como su primer nombre indica claramente, un material fibroso. En este tipo de material el aire no queda encerrado dentro de numerosas células pequeñas, sino que permanece aprisionado entre las fibras entrelazadas del producto. Es un material muy ligero, imputrescible, no es higroscópico, no sirve de alimento a los roedores, es incoloro y neutro frente a otros materiales, pero, desafortunadamente, su resistencia a la rotura es baja para poder ser utilizado en el aislamiento del suelo en las cámaras frías. Es ignífugo e ininflamable.

Poliestireno expandido

El poliestireno expandido es un material aislante celular obtenido de un producto base que es poliestireno expandido comercialmente denominado ‘Styropor’ por la firma B.A.S.F. que se presenta bajo la forma de perlas blancas obtenidas por la polimerización de las perlas de estireno. En su fabricación, en el momento de la polimerización del poliestireno expandible, se introduce un agente patógeno que provoca la formación de células minúsculas consistentes llenas de aire (entre 4 y 6 millones de células por decímetro cúbico). El considerable número de estas células confiere a las diferentes calidades de poliestireno expandido un coeficiente de conductibilidad bajo, que varía con la densidad del producto final.

Espuma de poliuretano

La espuma rígida de poliuretano se obtiene de la reacción química de los componentes líquidos, isocianato y poliol, en presencia de catalizadores. La estructura celular del producto se lleva a cabo por el procedimiento gaseoso debido a: o bien, por la ebullición, por efecto del calor, de la reacción del líquido que sirve de agente ‘hinchador’; este líquido es generalmente el tricloromonofluorometano (RII). La espuma rígida de esta forma obtenida tiene unas células cerradas y el porcentaje de ésta en relación con el número total de células depende de la densidad de la espuma obtenida así como de la naturaleza del agente utilizado en su hinchado. La expansión de la espuma tiene lugar en moldes abiertos que permiten obtener paneles de grandes dimensiones (2 a 3 m²) que se cortan después en las medidas comerciales estándar.

Colocación del aislamiento

La colocación del aislamiento implica unos trabajos preparativos a dicho proceso y, particularmente, en ciertos casos, la instalación de una pantalla antivapor de agua llamada generalmente ‘barrera antivapor’. Su adaptación tiene por objeto impedir la penetración del vapor de agua en el aislamiento, su condensación y, eventualmente, su congelación, transformaciones físicas del vapor que conducen inevitablemente a rebajar el poder aislante del material utilizado y, en caso de congelación, a su deterioro final. Con muy raras excepciones (vidrio, vidrio celular, corcho o espuma de ebonita, espuma de cloruro de polivinilo) todos los materiales de construcción o de aislamiento son más o menos permeables al vapor de agua y, por un fenómeno similar a la transmisión de calor a través de una pared cuyas dos caras se hallen sujetas a temperaturas diferentes, tenemos migración de vapor de agua a través de la pared si estas dos caras se hallan sometidas a tensiones de vapor de agua diferentes. Cuando las temperaturas de las dos caras son diferentes, la humedad relativa que baña ambas superficies puede ser idéntica o diferente.

Riesgos de la condensación

Si el vapor, en el curso de su migración a través de la pared, adquiere una temperatura que quede por debajo de su punto de rocío, se produce condensación del vapor de agua si dicho punto de rocío es superior a 0°C, con el riesgo de congelación de este vapor si la temperatura de la pared se encuentra por debajo de 0°C. Los riesgos producidos por la condensación pueden establecerse de forma gráfica indicando, por una parte, la caída de temperaturas en la pared, y por otra, la caída de las presiones parciales. Si ahora añadimos las caídas de presión parcial de saturación para cada temperatura (Psl, Ps2, Ps3, Ps4) a las distintas temperaturas reinantes en la pared, se tienen las gráficas que se presentan a continuación. En la primera de ellas, no existe riesgo alguno de condensación, como puede observarse. Pero en las otras dos se puede ver que habrá condensación en el aislamiento y en el enlucido interior, y en la tercera, condensación asociada a la congelación del agua condensada.