El principio de funcionamiento de una bomba de calor. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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El principio de funcionamiento de una bomba de calor se deriva de los trabajos de Carnot y la descripción del ciclo de Carnot, publicado en su disertación en 1824. William Thomson (Lord Kelvin) propuso un sistema práctico de bomba de calor en 1852. fines de calefacción. Al justificar su propuesta, incluso entonces, Thomson señaló que los recursos energéticos limitados no permitirían la quema continua de combustible en los hornos para calefacción y que su multiplicador de calor consumiría menos combustible que los hornos convencionales. La bomba de calor (HP) propuesta por Thomson usaba aire como fluido de trabajo. El aire ambiental fue succionado por el cilindro, se expandió a medida que se enfriaba y luego pasó a través de un intercambiador de calor donde fue calentado por el aire exterior. Después de ser comprimido a la presión atmosférica, el aire del cilindro ingresa a la habitación calentada y se calienta a una temperatura superior a la ambiente. De hecho, en Suiza se implementó una máquina similar. Thomson afirmó que su HP es capaz de producir el calor requerido utilizando solo el 3% de la energía utilizada para calefacción.

Las instalaciones de bomba de calor se desarrollaron aún más solo en los años 20 y 30 del siglo XX, cuando se creó en Inglaterra la primera instalación diseñada para el suministro de calefacción y agua caliente utilizando el calor del aire circundante. Después de eso, comenzó el trabajo en los EE. UU., lo que llevó a la creación de varias plantas de demostración.

La primera gran planta de bomba de calor en Europa se puso en marcha en Zúrich en 1938-1939. Utilizaba el calor del agua del río, un compresor rotativo y un refrigerante. Proporcionó calefacción al ayuntamiento con agua a una temperatura de 60°C a una potencia de 175 kW. Había un sistema de almacenamiento de calor con un calentador eléctrico para cubrir la carga máxima. Durante los meses de verano, la instalación funcionaba para refrigeración. En el período de 1939 a 1945, se crearon 9 instalaciones más de este tipo para reducir el consumo de carbón en el país. Algunos de ellos han estado operando con éxito durante más de 30 años.

Entonces, en 1824, Carnot utilizó por primera vez el ciclo termodinámico para describir el proceso, y este ciclo sigue siendo la base fundamental para compararlo y evaluar la eficiencia de HP. Una bomba de calor se puede considerar como un motor térmico invertido. La máquina térmica recibe calor (Fig. 1.1.1) de una fuente de alta temperatura y lo descarga a baja temperatura, lo que genera un trabajo útil. Una bomba de calor requiere trabajo para generar calor a bajas temperaturas y entregarlo a temperaturas más altas.

Figura 1.1.1. Diagrama termodinámico de una bomba de calor y un motor térmico: 1 - bomba de calor; 2 - motor térmico.

Se puede demostrar que si ambas máquinas son reversibles (es decir, los procesos termodinámicos no contienen pérdidas de calor o trabajo), entonces existe un límite finito para la eficiencia de cada una de ellas, y en ambos casos esta es la relación Qn/ w Si esto no fuera así, sería posible construir una máquina de movimiento perpetuo simplemente conectando una máquina a otra. Solo en el caso de un motor térmico, esta relación se expresa en la forma W/Qn y se denomina eficiencia térmica, mientras que para una bomba de calor se mantiene en la forma Qn/W y se denomina coeficiente de conversión de calor (Kt).

Si asumimos que el calor se suministra isotérmicamente a la temperatura TL y se elimina isotérmicamente a la temperatura TH, y la compresión y expansión se realizan a entropía constante (Fig. 1.1.2), el trabajo se suministra desde un motor externo, entonces el coeficiente de conversión para el Carnot el ciclo se verá así:

Kt \u1d TL / ( TN - TL ) + XNUMX \uXNUMXd TN / ( TN - TL )

Ris.1.1.2

Por lo tanto, ninguna bomba de calor puede tener un mejor rendimiento, y todos los ciclos prácticos solo realizan el deseo de acercarse lo más posible a este límite.

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