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El ABC de las bombas de calor en procesos industriales

El ABC de las bombas de calor en procesos industriales

Las instalaciones de bombas de calor en procesos industriales permiten aumentar la eficiencia energética y reducir la huella de carbono de nuestros clientes. Cada vez están más presentes tanto en el sector Terciario como en el Industrial. En este artículo responderemos a las preguntas frecuentes sobre las bombas de calor industriales.

¿Para qué sirven las bombas de calor?

Las bombas de calor se emplean para obtener energía térmica a partir de una fuente de calor que se encuentra una temperatura inferior a la que necesitamos. Nos permiten, por ejemplo, tomar calor del aire ambiente para generar agua caliente a 50ºC.

Se consideran como una herramienta de descarbonización, ya que en general sustituyen un consumo de energía fósil por un accionamiento eléctrico. Si nuestra fuente de electricidad es 100% renovable, entonces nuestra producción térmica será libre de emisiones.

¿Qué tecnología emplean?

A nivel general, las tecnologías son muy similares a las de las enfriadoras convencionales: compresores de pistón, centrífugos, de tornillo, etc.; refrigerantes como amoniaco, R134a, CO2, otros fluidos orgánicos, etc.

Muchas bombas de calor del mercado en realidad son máquinas enfriadoras operando en un punto de trabajo diferente, en general a mayor temperatura de condensación. La diferencia principal entre ambas estriba en el servicio que aprovechamos:

EnfriadoraBomba de calorEnfriadora + bomba de calor
Energía aprovechableFrío evaporadorCalor condensadorFrío evaporador | Calor condensador
Energía cecida al ambienteCalor condensadorFrío evaporadorMínimo

Como vemos, podemos tener equipos que funcionen simultáneamente dando frío y calor. Esta aplicación es típica en aplicaciones de climatización y en redes de urbanas de calor y frío DHC.

 

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¿Con qué energía se accionan?

En general se utiliza electricidad para el compresor. También podemos encontrar enfriadoras y bombas de calor por absorción.

¿Qué temperaturas puedo obtener?

Una de las limitaciones principales de la bomba de calor son las temperaturas alcanzables. Existen diferentes tecnologías que permiten conseguir temperaturas hasta 80 – 85ºC. Aunque existen diseños se anuncian con capacidad para llegar hasta los 200ºC, a partir de los 85ºC el abanico de tecnólogos se reduce y podemos requerir del empleo de soluciones especiales para aplicaciones muy concretas.

¿Qué fuentes de calor puedo aprovechar?

En cuanto a las fuentes de calor podríamos considerar, entre otras:

  • Aire ambiente
  • Calor de condensación de enfriadoras
  • Calor residual a baja temperatura de plantas de generación eléctrica o de cogeneración
  • Agua de mar, ríos, freático, alcantarillado
  • Humos a baja temperatura

En general, todo aquel fluido que podamos enfriar. Podemos encontrar bombas de calor trabajando contra agua de mar a 2ºC y otras contra humos de chimenea a más de 100ºC.

¿Qué rendimientos podemos conseguir? Coeficiente COP Bomba de calor

Este punto requiere de una respuesta más detallada porque depende de las condiciones de trabajo del equipo. Para tener una aproximación a los rendimientos recurriremos a la Termodinámica.

El ciclo ideal de Carnot nos permitirá explicar el funcionamiento de una bomba de calor (ver gráfico). Disponemos de un foco caliente y de un foco frío a menor temperatura (ambos a temperatura constante) con la posibilidad de intercambiar calor entre ellos. En el caso de una bomba de calor cederemos calor del foco frío (Q2) hacia el foco caliente (Q1). Como en la naturaleza esto no ocurre espontáneamente, necesitaremos un mecanismo para ello: una bomba de calor, que deberá realizar un trabajo (W).

El teorema de Carnot nos indica el rendimiento teórico máximo de un ciclo de acuerdo con las temperaturas de los focos térmicos. Para casos reales podemos aproximar el COP (Coeficiente de Rendimiento) como el 50 – 70% del COP de Carnot tal como se indica en el gráfico.

calculo-coeficiente-rendimiento

Si tomamos una fuente de calor a 27ºC (300 K), la variación del COP en función de la temperatura de impulsión del fluido caliente vemos que el COP se reduce a medida que esta temperatura aumenta. Esto supone que a mayor salto de temperatura entre fluidos menor COP, la energía necesaria aumenta a medida que elevamos más la temperatura.

grafico-evolucion

Aplicaciones industriales de las bombas de calor: ¿por qué utilizar bombas de calor en el sector industrial?

Nos plantearemos la utilización de una bomba de calor cuando tengamos:

  • Al menos una parte de nuestra demanda de energía térmica tiene lugar a baja/media temperatura (<90oC).
  • Disponemos de una fuente de calor residual a menor temperatura que la del consumo.
  • Objetivo de reducción de emisiones de CO2.
  • Objetivo de reducción de costes energéticos, si disponemos de un precio de electricidad ventajoso.

 

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Josep Maria Ribera – Project Manager Decarbonisation & Asset-Based Engineering