Bomba de calor i cicle de refrigeració

Els cicles termodinàmics de bomba de calor o els cicles de refrigeració són els models conceptuals i matemàtics per a bombes de calor i refrigeradores. Una bomba de calor és una màquina o dispositiu que mou la calor d'un lloc (la "font”) a una temperatura inferior a una atra ubicació (el "sumidero " o " disipador de calor ' ) a una temperatura superior en treball mecànic o una font de calor d'alta temperatura. Aixina, una bomba de calor pot ser pensat com un " calfador " si l'objectiu és calfar el disipador de calor (com quan es calfa l'interior d'una casa en un dia fret) o un "refrigerador" si l'objectiu és gelar la font de calor (com en el funcionament normal d'una nevera). En qualsevol cas, els principis de funcionament són idèntics. La calor es trasllada d'un lloc fret a un lloc càlit.

Cicles termodinàmics

D'acort en la segona llei de la termodinàmica la calor no pot fluir espontàneament des d'una ubicació més freda a una zona més calenta; Es requerix treball per a conseguir açò. Un acondicionador d'aire que requerix treball per a gelar un espai habitable, movent la calor des de l'interior de l'ambient (la font de calor) cap a l'exterior més calent (el disipador de calor). De la mateixa manera, un refrigerador mou calor des de dins de la nevera freda (la font de calor) cap a la temperatura més calenta de l'aire en la cuina (el disipador de calor). El principi de funcionament del cicle de refrigeració, va ser descripto matemàticament per Sadi Carnot en 1824 com un motor tèrmic. Una bomba de calor pot considerar-se com a motor tèrmic que funciona a l'inversa.

Bomba de calor i els cicles de refrigeració es poden classificar com de compressió de vapor, absorció de vapor, el cicle de gas, o els tipos de cicle de Stirling .

Cicle de compressió del gas refrigerante

El cicle de compressió del gas refrigerante s'usa en la majoria dels refrigeradores domèstics, aixina com en molts dels grans sistemes de refrigeració comercials i industrials. Figura 1 proporciona un diagrama esquemàtic dels components d'un sistema típic de refrigeració de compressió del gas.

Figura 1:Refrigeració de compressió de vapor

Figura 1:Refrigeració de compressió de vapor

El cicle termodinàmic pot ser analisat en un diagrama com es mostra en la figura 2. En este cicle, un refrigerante que circula com per eixemple el Freón, entra en el compressor en estat gaseós. El gas és comprimit a entropía constant i ix del compressor sobrecalentado. El gas sobrecalentado viaja a través del condensador o unitat condensadora a on es gela i es licúa, ajudat en el ventilador de l'unitat condensadora, i pansa a estat líquit per mig de l'eliminació de calor a pressió i temperatura constants. El refrigerante ya en estat líquit, pansa a través de la vàlvula d'expansió (també denominada vàlvula de palometa), a on la seua pressió disminuïx abruptament, causant el canvi a estat gaseós. fent que el gas s'expandixca. En expandir-se, ya dins de l'unitat evaporadora, el gas tendix a gelar-se, pero al mateix temps absorbix calor del serpentín que travessa dita unitat, i manté la seua temperatura constant, provocant el refredat del serpentín i els disipadores que ho rodegen i que són airejats pel ventilador que conté l'unitat evaporadora.

Figura 2:Diagrama temperatura – entropía del cicle de compressió del gas.

Figura 2:Diagrama temperatura – entropía del cicle de compressió del gas.

Este punt del procés en detalle resulta en una mescla de líquit i gas, a baixa temperatura i pressió. Esta mescla de líquit i gas fret es desplaça a través dels tubos que conformen el serpentín per dins del evaporador o unitat evaporadora (note's que la denominació de l'unitat evaporadora es manté per l'aplicació pràctica original del cicle termodinàmic de Carnot, que va anar en aigua líquida i en el seu estat gaseós, vapor) i en el seu camí a través del serpentín, adquirix completament estat gaseós de nou. El gas refrigerante resultant retorna a l'entrada del compressor per a ser licuado de nou i completar el cicle termodinàmic.

La discussió anterior es basa en el cicle de refrigeració teòric de compressió dels gasos denominats "ideals" i no pren en conte els efectes del món real com la fricció, la caiguda de pressió en el sistema, chicotetes irreversibilitat durant la compressió del gas refrigerante i el comportament no ideal del gas en la realitat del món físic.

Cicle d'absorció de vapor

En els primers anys de el XX, el cicle d'absorció de vapor usant sistemes aigua-amoníac era popular i àmpliament utilisat pero, despuix del desenroll del cicle de compressió de vapor, va perdre molt de la seua importància pel seu baix coeficient de rendiment (aproximadament una quinta part de la del cicle de compressió de vapor). Hui en dia, s'utilisa el cicle d'absorció de vapor solament quan la calor és més fàcil de conseguir que l'electricitat, com els residus de calor proporcionada per colectors solars, o fòra de la ret de refrigeració en vehículs recreatius

El cicle d'absorció és similar al cicle de compressió, llevat para el método d'elevar la pressió del vapor refrigerante. En el sistema d'absorció, el compressor se substituïx per un absorbidor que dissol el refrigerante en un líquit adequat, un líquit que aumenta la pressió de la bomba i un generador de calor que, ademés, posa en marcha el vapor refrigerante des del líquit d'alta pressió. Alguns treballs són requerit per la bomba líquida pero, per a una determinada cantitat de refrigerante, és molt menor que la necessària pel compressor en el cicle de compressió de vapor. En un refrigerador d'absorció, s'utilisa una combinació adequada de refrigerante i absorbent. Les combinacions més comunes són el amoniaco (refrigerante) i aigua (absorbent) i aigua (refrigerante) i bromur de liti (absorbent).

Cicle del gas

Quan el decorregut de treball és un gas que és comprimit i expandit pero no canvia la fase, el cicle de refrigeració es diu un cicle de gas. Aire és més a sovint este decorregut de treball. Com no existix condensació i evaporament en un cicle de gas, components corresponent al condensador i el evaporador d'un cicle de compressió de vapor són els bescanviadors de calor gas-gas calent i fret.

Per a temperatures extremes, ya que un cicle de gas pot ser menys eficaç que un cicle de compressió de vapor perque el gas treballa en el cicle Brayton invers en lloc d'un cicle Rankine invers. Per lo tant, el decorregut de treball no rep o rebuja calor a temperatura constant. En el cicle de gas, l'efecte de refrigeració és igual al producte de la calor específica del gas i l'aument de la temperatura del gas en el costat de baixa temperatura. Per lo tant, per a la mateixa càrrega de refredat, màquines de cicle de refrigeració de gas requerixen un major cabal de massa, que a la seua volta aumenta el seu tamany

Pel seu rendiment més baix i bulto més gran, el cicle de evaporadores no s'aplica a sovint en refrigeració terrestre. La màquina de cicle d'aire és molt comú, no obstant, en avions a reacció de turbina de gas; ya que l'aire comprimit està fàcilment disponible en seccions del compressor dels motors. Unitats de refrigeració i ventilació dels avions també servixen al propòsit de calefacció i presurización de la cabina de l'avió.

El Motor Stirling

El motor de calor de cicle Stirling es pot conduir en reversa, utilisant una energia mecànica d'entrada per a transferència de calor de l'unitat en un sentit invertit (és dir, una bomba de calor o refrigerador). Hi ha vàries configuracions de disseny per a este tipo de dispositius que es poden construir. Vàries d'estes configuracions requerixen juntes rotatives o deslizantes, que poden introduir compensació difícils entre les pèrdues per fricció i pèrdues de refrigerante.

Comparació en la producció combinada de calor i electricitat (CHP)

Una bomba de calor pot ser comparada en una producció combinada de calor i electricitat (CHP), per a que una planta de condensació de vapor, com a interruptors per a produir calor, energia elèctrica es pert o no es troba disponible, aixina com la potència utilisada en una bomba de calor no està disponible. Normalment per cada unitat d'energia perduda, després 6 unitats de calor estaran disponibles en prop de 90 °C. Aixina CHP té un eficaç coeficient de rendiment (COP) en comparació a una bomba de calor de 6% en promig . Perque les pèrdues són proporcionals al quadrat de la corrent, durant les temporades altes pèrdues són molt majors que açò i és provable que generalisada és dir ciutat use ampli de les bombes de calor causaria sobrecàrrega de les rets de transmissió i distribució a menos que ells es reforcen considerablement.

Cicle de Carnot invertit

ya que el cicle de Carnot és un cicle reversible, els quatre processos que ho componen, són dos isotèrmics i dos processos isentrópicos, tot es pot invertir aixina. Quan açò succeïx, es diu una inversió cicle de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que actua sobre el cicle de Carnot invers es diu un refrigerador de Carnot i bomba de calor de Carnot respectivament. En la primera etapa d'este cicle (procés 1 - 2), el refrigerante absorbix la calor isotermicamente d'una font de baixa temperatura, TL, en la cantitat QL. Després, el refrigerante és isentropicamente comprimit (procés 2-3) i la temperatura s'eleva a la font d'alta temperatura, TH Després a esta alta temperatura, el refrigerante rebuja calor isotermicamente en la cantitat QH (procés 3-4). També durant esta etapa, el refrigerante canvia d'un vapor saturat a líquit saturat en el condensador. Per últim, el refrigerante s'amplia isentropicamente a on la temperatura cau de nou a la font de baixa temperatura, TL (procés 4 - 1).

Coeficient de rendiment

L'eficiència d'una bomba de calor o refrigerador està donada per un paràmetro cridat el coeficient de rendiment (COP).

El COP d'un refrigerador està donat per la següent equació:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{\text{Salida deseada}}{\text{Entrada requerida}}=\frac{\text{Efecto de enfriamiento}}{\text{Trabajo de entrada}}=\frac{Q_L}{W_{net,entrada}}$

El COP d'una bomba de calor està donada per l'equació següent:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{\text{Salida deseada}}{\text{Entrada requerida}}=\frac{\text{Efecto de calentamiento}}{\text{Trabajo de entrada}}=\frac{Q_H}{W_{net,entrada}}$

Abdós el COP d'un refrigerador i una bomba de calor poden ser més grans que un. Combinant estos dos resultats d'equacions en:

COP_HP = COP_R + 1 per a valors fixos de Q_H i Q_L

Açò implica que COPHP serà major que un, perque COPR serà una cantitat positiva. En el pijor dels casos, la bomba de calor suministrarà més energia que la que consumix, per lo que és actuar com un calfador de resistència. No obstant, en la realitat, com en la calefacció de la llar, alguns de QH es pert en l'aire exterior a través de canonades, aïllament, etc., en lo que la caiguda COPHP baix de l'unitat quan la temperatura de l'aire exterior és massa baixa. Per lo tant, el sistema utilisat per a cases de calor utilisa combustible.

Per a un cicle de refrigeració ideal:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{T_L}{T_H-T_L}$

Per a un cicle de bomba de calor ideal:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{T_H}{T_H-T_L}$

Per a refrigeradores (R) i bombes de calor (HP) de Carnot, la COP s'expressa en térmens de temperatures:

$\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{P}}_{\mathrm{R},\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\frac{1}{\frac{T_H}{T_L}-1}$

$\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{P}}_{\mathrm{H}\mathrm{P},\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\frac{1}{1-\frac{T_L}{T_H}}$

Estos són els valors màxims del coeficient de rendiment per a qualsevol sistema que opere entre $T_L$ i $T_H$.