BOMBA DE CALOR

Aunque el aire acondicionado está generalmente asociado a la producción de aire frío para el verano, como su propio nombre dice, el objetivo es más amplio y debería de cubrir también las necesidades de calor que tenemos en invierno.

Esto es precisamente lo que hace la bomba de calor.

Aunque parezca increíble, una Bomba de Calor puede suministrar a un local 2,5 kWh absorbiendo de la red 1 kWh, con rendimientos incluso superiores al 400%.

Pero conozcamos la bomba de calor con mucho más detalle.


Índice de Contenidos:

- ¿Qué es una Bomba de Calor?
- Fundamentos de la Bomba de Calor
- Partes de la Bomba de Calor
- Funcionamiento de la Bomba de Calor
- Otros Componentes:
   - Presostato de Alta
   - Válvula de Inversión de Ciclo
- Tipos de Compresores
- Ejercicios Bomba de Calor

¿Qué es una Bomba de Calor?

Una bomba de calor sirve tanto para aire acondicionado como para calefacción.

Es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera.

Se llama así porque "bombea" calor de un sitio a otro.

Se basa en la transferencia de energía en los cambios de estado, mediante el aumento y/o disminución de temperatura y de presión, de un fluido que llamaremos refrigerante.

Las bombas de calor son los dispositivos de climatización más eficientes que existen, consiguiendo su elevada eficiencia, de hasta un 400%, gracias a que aprovechan las leyes de la física en su favor.

Debido a la posibilidad de invertir su funcionamiento, en la actualidad se utilizan como calefacción en invierno y como sistema de refrigeración en verano

Fundamentos de la Bomba de Calor

Para entender el funcionamiento de la bomba de calor es imprescindible tener claro estos pequeños conceptos físicos, pero no te asustes, son muy fáciles.



- Refrigerante = Fluido = Gas o Líquido, puede estas en los 2 estados, dependiendo a que temperatura y presión se encuentre.

Para saber más visita Propiedades de los Fluidos.

- La materia, como por ejemplo el aire u cualquier otro fluido, intercambian calor siempre cediendo su calor el cuerpo más caliente al más frio.

- Un fluido en estado líquido si absorbe calor, además de calentarse, llega un momento que se convierte en gas.

- Un fluido en estado gaseoso si se enfría porque cede su calor a otro llega un momento que se convierte en líquido.

- Los fluidos al comprimirlos, además de aumentar de presión, se calientan.

- Los fluidos al expandirlos, además de disminuir de presión, se enfrían.

Partes de la Bomba de Calor

- Un Evaporador y un Condensador: son similares a un radiador, están formador por un serpentín largo por el que circula por su interior el refrigerante y hacen de intercambiadores del calor con el exterior, es decir con el aire que los rodea.

Es precisamente este aire de la atmósfera que circula por entre los tubos del serpentín el que intercambia el calor con el refrigerante.

El aire circula por entre los tubos y cede o absorbe el calor del refrigerante que circula por el interior de los tubos.

Tanto el evaporador como el condensador son intercambiadores de calor.



- El condensador es un intercambiador de calor en el que el gas refrigerante que circula por su interior caliente y en alta presión procedente del compresor.

aquí transfiere su calor calor al medio exterior (aire) y el aire se calienta.

- El evaporador es un intercambiador de calor en el que el refrigerante líquido circula por su interior a baja temperatura y presión procedente de la válvula de expansión absorbiendo el calor del ambiente (aire atmósfera) y enfriando el aire externo.

durante el paso del fluido por el evaporador el líquido se calienta y el aire se enfría (cede su calor al refrigerante).

- Un Compresor: Este elemento hace que comprimir  y por lo tanto calentar el gas antes de meterlo en el condensador.

Si el gas llega más caliente al condensador entonces el aire exterior se calentará más al pasar por el serpentín del condensador ya que habrá más transferencia de calor del refrigerante al aire.



Es un ayudante para que al condensador llegue el fluido mas caliente y se favorezca el proceso de intercambio de calor del aire al refrigerante.

Este elemento es el más ruidoso de la bomba de calor y es el único que consume energía eléctrica, el único que se enchufa a la corriente eléctrica.

A veces la válvula de expansión y algún otro elemento suplementario como las pantallas de información también consumen energía, aunque muy poca comparado con la del compresor.

- Una válvula de expansión termostática que reduce drásticamente la presión del refrigerante líquido que le llega del condensador para enfriarlo.

El líquido procedente del condensador está caliente, pero al expandirlo se enfría y entonces habrá más y mejor transferencia de calor del aire exterior al refrigerante si este pasa por evaporador más frio.



Es una ayuda para mejorar el proceso de intercambio de calor cuando llega el refrigerante al evaporador.

El compresor y la válvula de expansión son ayudantes para que el refrigerante llegue en las mejores condiciones al intercambiador de calor que les precede, o que llegue más frio o más caliente.

Aunque no sea propiamente una parte de la máquina tenemos que hablar del Refrigerante de la Bomba de calor.

- El refrigerante es un fluido (gas/líquido). Normalmente se utiliza hidroclorofluorocarbono (HCFC o Freón) o R22 y clorofluorocarbono (CFC) o R12.

La principal carcterística debe ser que absorban el calor en forma líquida y que se evaporen incluso a bajas temperaturas.

Funcionamiento de la Bomba de Calor

Evaporador: El líquido refrigerante llega al evaporador en baja presión y frio después de pasar por la válvula de expansión.

El aire exterior en contacto con el tubo del serpentín del evaporador cede su calor al refrigerante interno que circula por su interior y se enfría (el aire).

El refrigerante absorbe el calor del aire exterior y se calienta, pasando a estado gaseoso.

Si hemos enfriado el aire de la atmósfera....

¿Qué tenemos?

Pues un estupendo aire fresquito o aire acondicionado.

Si queremos usar la bomba de calor como aire acondicionado, lógicamente el evaporador debe estar en la habitación que queramos refrescar y el condensador en la calle.

Resumiendo: el líquido refrigerante absorbe el calor del exterior, se convierte en gas y el aire exterior se enfría.

Compresor: Absorbe el gas refrigerante procedente del evaporador a baja presión y lo cede al condensador elevando su presión y por lo tanto también su temperatura, es decir comprime y calienta el gas procedente del evaporador.

Ahora que está a más temperatura se realizará mejor la transmisión de su calor al aire en el condensador.

Esta parte suele estar fuera de las habitaciones puesto que es la que más ruido hace de la máquina y se debe enchufar a la corriente eléctrica.

Condensador: Le llega el gas refrigerante en alta presión y caliente procedente del compresor

El refrigerante que circula por el condensador, al estar en contacto con el aire exterior a través del serpentín del condensador, cederá su calor al aire exterior calentándolo.

El refrigerante que cede su calor al aire, se calienta pasa a estado líquido a su salida.

En este proceso el aire exterior se calienta y el líquido refrigerante se enfría.

Tenemos un estupendo sistema de calefacción.

Lógicamente el condensador debe estar en la habitación que queremos calentar para usar la bomba de calor como calefacción.

Resumiendo: En el condensador el refrigerante se enfría y se licua y el gas exterior (de la atmósfera) se calienta.

Cuando usamos la bomba de calor para aire acondicionado, el condensador será la parte que estará fuera en la calle y ahora ya conoces el motivo por el cual cuando pasamos por la calle en verano cerca de un aire acondicionado nos llega aire más caliente.

Válvula de expansión: aquí el refrigerante llega frio y licuado (líquido).

Al pasar por la válvula el líquido se expande y se enfría, preparándolo para que en el evaporador tenga una transmisión de calor mejor del aire al refrigerante.

Recuerda que para que haya transmisión de calor del aire exterior al refrigerante, este debe estar más frío que el aire (2ª Ley Termodinámica).

Resumiendo: el líquido procedente del condensador se expande y se enfría para ser enviado al evaporador de nuevo.

Se repite de nuevo el proceso explicado

Viendo que el evaporador "cede frío" y el condensador "cede calor" si se pudieran cambiar, las máquinas de aire acondicionado se transformarían en calefacciones de aire y viceversa.

Aquí esta el truco para que sean reversibles, el gas puede circular en los 2 sentidos.

Para que esto sea posible existe lo que se llama válvula de inversión de ciclo, que luego la veremos.

Video Bomba de Calor

Otros Componentes

Presostato De Alta

Como su nombre indica, este tipo de presostato en la bomba de calor controla la alta presión del circuito, por lo que deben de ir conectados a la descarga del compresor.

En la mayoría de las ocasiones suele fabricarse con rearme manual, ya que si la presión en el circuito de alta crece suficientemente como para producir la interrupción del funcionamiento del compresor, a través del presostato de alta, suele ser señal de que se han producido anomalías en el funcionamiento de la instalación que es necesario subsanar para conseguir una marcha normal.

Las causas más comunes que dan lugar a un aumento de la presión alta de la instalación, y con ello a que actúe el presostato, suelen ser la no circulación de fluido frío para la condensación o una obstrucción en la instalación (normalmente en la válvula de expansión), suciedad en el condensador, que dificulta el intercambio térmico o incondensables en el interior del circuito.

Válvula de Inversión del Ciclo

Denominada también Válvula De 4 Vías, la válvula de inversión de ciclo se utiliza para invertir la función de los intercambiadores, es decir, para que el evaporador pueda funcionar como condensador y el condensador como evaporador, cuando la demanda térmica de los locales lo exige.

En el siguiente dibujo se puede ver el funcionamiento de la válvula de cuatro vías para el ciclo de invierno (bomba de calor), de manera que esta, como ya hemos explicado, deja pasar el refrigerante frío hacia la unidad exterior y el caliente para la interior.

Para el ciclo de verano sería exactamente al contrario.

La mayoría de las válvulas de cuatro vías funcionan como se ha representado en el dibujo; la única diferencia está en el método utilizado para el movimiento del pistón.

El método más comúnmente empleado es el del pistón movido por la presión del mismo refrigerante, mandada por una válvula electromagnética que se puede ver en la foto de arriba.

Sobre las caras interiores de los dos pistones existe siempre la presión del gas refrigerante a la salida del compresor.

A través de la válvula solenoide, la presión en la aspiración del compresor se conduce sobre la cara exterior de uno u otro pistón, lográndose así su posicionamiento según la válvula electromagnética esté o no esté excitada.

La válvula solenoide actúa como válvula piloto, aunque nada impide diseñar la válvula de cuatro vías con su pistón directamente acoplado a un electroimán.

Bueno para terminar, y resumiendo un poco, lo que hace que nuestro equipo de aire acondicionado tenga bomba de calor es simplemente una válvula de cuatro vías, que dependiendo el ciclo que queramos, actúa de una manera o de otra, enviando el refrigerante frío o caliente para un lado o para otro.

Tipos de Compresores

-Compresor Alternativo o de Émbolo: Este tipo de compresor está compuesto por uno o varios pistones y tiene la apariencia del motor de un coche.

En su interior, un eje solidario a una excéntrica pone en movimiento a la biela, lo cual produce la bajada del pistón.



Mientras éste baja, va absorbiendo el vapor del circuito mediante la válvula de aspiración.

Cuando el pistón ha bajado lo máximo posible, la válvula de aspiración se cierra y empieza a subir el pistón, comprimiendo así el vapor anteriormente aspirado.

Una vez se ha producido la compresión máxima, la válvula de escape se abre y se libera el vapor comprimido (a alta presión) a las tuberías del circuito.

Este proceso se repite varias veces.

Algunas de sus características son que funciona muy bien con cargas parciales; aunque debe tener un mantenimiento frecuente, este mantenimiento es muy sencillo y la mano de obra conoce muy bien este tipo de compresor.

Es uno de los compresores más baratos (un 50% más barato que un compresor de tornillo); su regulación de capacidad se produce por etapas, como las temperaturas de descarga son más elevadas, consume más aceite que otros compresores debido a que el sistema de separación de aceite no es muy sofisticado.

- Compresor de Tornillo: El compresor de tornillo es uno de los más modernos.

El vapor refrigerante entra por el canal de aspiración y, en el interior, dos tornillos helicoidales lo comprimen mediante su giro.



Sus características más importantes son que tiene menos posibilidades de romperse o desgastarse, ya que posee pocas partes móviles.

Requiere menos mantenimiento que un compresor alternativo (una revisión por cada dos y media del alternativo), pero llevado a cabo por personal especializado.

Su precio es más elevado dada su tecnología, es más silencioso, funciona muy bien a carga completa.

Las características del compresor de tornillo hacen que sea ideal para utilizarlo en industrias y, en general, a gran escala, dada sobretodo su durabilidad, gran rendimiento energético y utilización para refrigerar grandes volúmenes (a partir de 400 m3/h).

Ejercicios Sobre la Bomba de Calor

1º) ¿Qué tipo de material se puede utilizar en el acoplamiento entre motor y compresor?

Explica las principales propiedades necesarias para esta aplicación.

¿Qué tipos de ensayos utilizarías para medir esta propiedad?

Solución: Deberíamos saber cuanta temperatura debe de tener la habitación, utilizaría un termómetro que a la vez que mida la presión, también mande señal al motor y compresor para que estos dos disminuyan su función, y el calor de la habitación no sobrepase la temperatura marcada.

Los tipos de ensayo que sometería esta pieza serian ensayos de dureza del material, de resistencia a elevadas temperaturas y de compresión.

2º) El aparato debe funcionar cuando la temperatura medida en un punto de la habitación sobrepase los 25º.

Indicar cual es el sensor adecuado para esta aplicación y en que punto de la habitación se debería colocar. Justificar la respuesta.

Solución: El sensor debe de ser de temperatura debería de estar colocado al lado del condensador pero no midiendo la temperatura que este manda al exterior, sino a uno de sus lados para que pueda medir la temperatura de el medio ambiente.

Este debe de estar colocado enfrente de una pared donde el calor que sale de condensador rebote en la pared y se expanda por todos los contornos de la habitación .

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