Rangos de temperaturas de utilización en bombas de calor. Estado del Arte
La bomba de calor: el equipo adecuado para recuperar energía y descarbonizar procesos industriales
Este artículo puede ser de ayuda para los ingenieros de proyecto, ingenieros de mantenimiento y directores de plantas para recordar y reforzar los conocimientos sobre las aplicaciones de la bomba de calor, así como sus rangos de temperaturas de utilización.
En los procesos industriales es frecuente disipar a la atmósfera energía térmica residual que podría servir como “fuente” para abastecer necesidades energéticas a un nivel de temperatura superior al de otro consumidor o “sumidero” de la planta.
Esta recuperación de energía como bombeo de calor puede contribuir de forma significativa a la descarbonización de un proceso dentro de la planta industrial y, a la vez, conseguir un ahorro de energía primaria. La bomba de calor es el equipo adecuado para realizar este proceso.
La selección del refrigerante a utilizar en la bomba de calor es muy importante para garantizar la seguridad de funcionamiento de este sistema sin riesgo de emisiones dañinas para la capa de ozono.
Claves para un buen funcionamiento
La bomba de calor accionada por motor eléctrico puede ser usada para calentar fluidos de procesos (aire, gases o líquidos) a temperaturas superiores a las del ambiente, como alternativa a los sistemas clásicos de combustión en generadores de calor usando combustibles fósiles.
La bomba de calor sigue un ciclo inverso de Carnot, transfiriendo el calor absorbido a la “fuente” y cediéndolo al “sumidero”, con un aumento de calor y de la temperatura motivado por la compresión del fluido frigorígeno o refrigerante.
La cantidad de calor y el nivel de temperatura requerido por el “sumidero” son los “datos de partida del problema”; identificar la “fuente” adecuada para satisfacer las demandas del “sumidero” dentro del proceso de producción de la planta y la forma de realizar el bombeo de calor, la solución al problema.
El proceso industrial idóneo para la aplicación de la bomba de calor como equipo para transferir calor de un medio a otro con elevación de temperatura, va a ser aquel en el que tanto el foco frío o “fuente” como el foco caliente o “sumidero” presenten estabilidad de carga; es decir, disponibilidad de la “fuente” y demanda en el “sumidero” de forma continua, estable y coincidente.
Rangos de temperatura adecuados en bombas de calor
Tanto el tipo de fluido calor-portador como el rango de temperatura de utilización viene dado por el proceso industrial de la planta. El proceso puede requerir aire caliente; por ejemplo, para secado; o agua caliente a diversas temperaturas para aplicaciones de limpieza, calentamiento de otros fluidos, etc. Por lo tanto, el primer paso a estudiar es el tipo de fluido al que aportar el calor “bombeado” por la bomba de calor y el valor de su temperatura.
Se deberá identificar un potencial “foco frío” o “fuente” de donde extraer el calor. El flujo de energía del “foco frío” deberá ser estable en cuanto a disponibilidad y valor de temperatura de forma que la bomba de calor pueda trasegar el calor al “sumidero” de forma también estable y continua.
Niveles de temperaturas para aplicación de la bomba de calor
En cuanto a niveles de temperaturas para aplicación de la bomba de calor, podemos hacer tres clasificaciones básicas:
- Bombas de calor de baja temperatura o convencionales, con valores de entrega de la energía “bombeada” a 45ºC o hasta 55ºC;
- Bombas de calor de alta temperatura, con valores de entrega superiores a 55ºC y hasta 100 ºC (la Agencia Internacional de la Energía considera bomba de calor de alta temperatura valores de temperatura de sumidero superiores a 80 ºC);
- Bombas de calor de muy alta temperatura con valores de entrega a “sumidero” superiores a 100 ºC.
El nivel de temperatura en el “foco frío” nos va a permitir conseguir una determinada temperatura en la entrega al “sumidero” o consumidor. Por otra parte, recordemos que cuanto menor sea la diferencia de temperaturas entre “foco frío” y “caliente”, mayor será la eficiencia termodinámica de la bomba de calor, por ello se debe intentar identificar un “foco frío” con una temperatura de utilización lo más cercana posible a la requerida por el consumidor.
Aplicaciones de las bombas de calor en instalaciones industriales según su nivel de temperatura
En las instalaciones industriales podemos encontrar aplicaciones que requieran cualquiera de los tres niveles de temperatura citados anteriormente, así como fluidos en forma de “aires” o de “aguas”.
- Las aplicaciones a baja temperatura corresponden, en la mayoría de los casos, a servicios de calefacción de naves de producción, almacenes, zonas de oficinas, etc. o a la preparación de agua caliente sanitaria, ACS.
- Valores de alta temperatura son requeridos para procesos de limpieza (CIP) o precalentamientos de otros procesos.
- Los niveles de muy alta temperatura son aplicables en secados o calentamiento de fluidos en procesos de producción.
Dependiendo de la temperatura final de utilización o de “recuperación” deseada, será necesaria una determinada configuración de bomba de calor.
Configuraciones principales según la temperatura final de utilización o de “recuperación” deseada
En cuanto a configuraciones, nos vamos a referir a tres tipos principales, por ser las de mayor aplicación:
- La bomba de calor de simple etapa
- La bomba de calor de doble etapa por inyección
- Bomba de calor en cascada
La bomba de calor de simple etapa
Consiste en un ciclo frigorífico convencional, en el que el evaporador es el intercambiador en el que se absorbe el calor de la “fuente” y el condensador es el intercambiador en el que se realiza la cesión de calor, a mayor temperatura, al “sumidero” o consumidor, el proceso. Son de aplicación para valores requeridos de temperaturas de utilización o recuperación bajas o medias. Para niveles requeridos de altas temperaturas hay que hacer configuraciones de doble etapa o en cascada.
Bomba de calor simple
Fuente: https://conversionenergiaunefm.files.wordpress.com
La bomba de calor de doble etapa por inyección (escalonada o multi-etapa)
Se aplica cuando la diferencia entre las presiones de evaporación y condensación es demasiado elevada. Para poder controlar adecuadamente la máquina, es necesario acoplar en serie dos o más compresores. En este tipo de bomba de calor, el fluido refrigerante es el mismo en las dos etapas de compresión, se utiliza un depósito o tanque intermedio que tiene por misión separar las fases líquidas y de vapor del refrigerante.
Bomba de calor de dos etapas con inyección
Fuente: https://conversionenergiaunefm.files.wordpress.com
Podemos encontrar cuatro configuraciones distintas:
- Inyección total con:
- Aspiración en saturación.
- Aspiración en estado de vapor recalentado.
- Inyección parcial con:
- Aspiración es estado de vapor saturado.
- Aspiración en estado de vapor recalentado.
- Aspiración en estado de vapor recalentado con intercambiador de superficie. Ciclo « Subcooler »
- Inyección directa de líquido.
- Sin desrecalentamiento
Bomba de calor en cascada
Esta configuración está formada por dos bombas de calor simples, utilizando el condensador de la inicial como evaporador de la segunda (normalmente, intercambiador de placas inundado con separador de líquido) y el condensador de ésta como intercambiador de calor para ceder la energía térmica bombeada al sumidero. Los refrigerantes de ambas etapas no están en contacto directo, pudiendo ser de naturaleza diferente.
Bomba de calor en cascada
Fuente: http://conversionenergiaunefm.files.wordpress.com
Desde el punto de vista de los refrigerantes a utilizar, respetuosos con el medio ambiente y ecológicos, se están aplicando el R717, R134a, R290 y R1270.
El reto: superar los límites de temperatura de la energía bombeada
En la actualidad, estamos encontrando como límite en las temperaturas de la energía bombeada por equipos de diversos fabricantes cerca de los 90ºC. La disposición más utilizada para llegar a estos valores es la configuración de bombas de calor en “cascada”, permitiendo calentamiento de agua desde los 70ºC a 80ºC o desde 75ºC hasta los 87ºC.
La bomba de calor se instala en cascada sobre un ciclo frigorífico ya existente en la planta, que ofrezca un gran número de horas anuales de funcionamiento y coincidente con las horas de demanda del calor recuperado en el condensador de la bomba de calor. Especialmente, en cualquier industria agroalimentaria puede encontrarse aplicación de esta tecnología bombeando el calor disponible del fluido refrigerante en la descarga de los compresores de la planta de frío.
Los mejores resultados se obtienen utilizando como refrigerante en la bomba de calor el R717. A modo de ejemplo, se tiene estudiada una aplicación de bomba de calor para conseguir calentar agua desde 85ºC hasta 87ºC a partir del calor disponible en la descarga del refrigerante de la planta frigorífica del proceso de la industria, con utilización de R717 como refrigerante se obtienen valores de COP del orden de 3,2 a 3,3, superiores significativamente a los conseguidos con otros refrigerantes.
Consideraciones económico-financieros: viabilidad del proyecto
Si bien desde el punto de vista de la termodinámica la bomba de calor como medio de recuperación y bombeo de energía térmica ofrece ventajas evidentes, es necesario analizar la viabilidad financiera de la inversión necesaria para la realización del proyecto. Para determinar el coste del kWh bombeado en la bomba de calor frente al coste del GN, no solo hay que considerar el coste de la bomba de calor, sino también el de los auxiliares e instalación necesaria para transportar la energía desde el condensador de la bomba de calor hasta el consumidor o consumidores, por lo tanto, detales tales como distancias entre unos y otros van a influir de forma importante en el CAPEX del proyecto y, por lo tanto, en la tasa de retorno de la inversión.
Autor: Manuel Moratalla Loarte, Tender & Project Manager Industrial
