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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA energía de la tierra. Bombas de calor. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Hace siglo y medio, el físico británico William Thomson ideó un dispositivo llamado “multiplicador de calor”, basado en los siguientes fenómenos físicos:
Como resultado, apareció bomba de calor - un dispositivo para transferir energía térmica de una fuente con menor temperatura a una fuente con mayor temperatura, de hecho es un refrigerador con una fuente de menor temperatura en el ambiente externo o un aire acondicionado que funciona para calefacción. El principio de funcionamiento de una bomba de calor se basa en el hecho de que el refrigerante se evapora en una cámara con baja presión y temperatura y se condensa en una cámara con alta presión y temperatura, transfiriendo así energía (calor) de un cuerpo frío a uno calentado. , es decir, en la dirección en la que no es posible el intercambio de calor espontáneo. Como fuente de energía térmica de bajo potencial para calentar una casa, se puede utilizar el calor de origen natural (aire exterior; calor del suelo, aguas artesianas y termales; agua de ríos, lagos, mares y otras masas de agua naturales no heladas). usado. Las bombas de calor están equipadas con un sistema de control y automatización que admite el modo de funcionamiento especificado de la bomba de calor. La eficiencia energética de las bombas de calor depende de la temperatura de la fuente de bajo potencial y será mayor cuanto mayor sea la temperatura que tenga. Las bombas de calor no son equipos baratos. Los costos iniciales de instalación de estos sistemas son ligeramente más altos que el costo de los sistemas convencionales de calefacción y aire acondicionado. Sin embargo, si se consideran los costos operativos. entonces la inversión inicial en calefacción, refrigeración y agua caliente geotérmica se amortiza rápidamente mediante el ahorro de energía. Además, hay que tener en cuenta que cuando la bomba de calor está en funcionamiento no se requieren comunicaciones adicionales más que la red eléctrica doméstica. El rendimiento de una bomba de calor (la relación entre la cantidad de calor transferida al cuerpo y el trabajo realizado) es idealmente igual a: a \uXNUMXd T salida / (T salida - T entrada), donde T fuera. y T en. - temperaturas, respectivamente, a la salida ya la entrada de la bomba. Dispositivo de bomba de calor Los elementos principales de una bomba de calor son un evaporador, un compresor, un condensador y un regulador de flujo conectados por una tubería: un acelerador, un expansor o un tubo de vórtice. Esquemáticamente, una bomba de calor se puede representar como un sistema de tres circuitos cerrados: en el primero, externo, circula un disipador de calor (un refrigerante que recoge el calor del ambiente), en el segundo, una sustancia que se evapora y elimina el calor. del disipador de calor, y se condensa, cediendo calor al disipador de calor, en el tercero, el receptor de calor (agua en los sistemas de calefacción y suministro de agua caliente del edificio).
El circuito externo (colector) es una tubería tendida en el suelo o en el agua (por ejemplo, polietileno), por la que circula un líquido anticongelante, el anticongelante. La fuente de calor leve puede ser el suelo, las rocas, los lagos, los ríos, el mar e incluso la salida de aire caliente del sistema de ventilación de una empresa industrial. En el segundo circuito, por donde circula el refrigerante, como en un refrigerador doméstico, hay intercambiadores de calor incorporados: un evaporador y un condensador, así como dispositivos que cambian la presión del refrigerante: un estrangulador (un orificio estrecho y calibrado ) que lo pulveriza en fase líquida y un compresor que lo comprime en estado gaseoso. Diseños de bombas geotérmicas El funcionamiento de estos sistemas utiliza calor renovable procedente de la radiación solar, que se acumula en el suelo:
Ciclo de trabajo de la bomba de calor El refrigerante líquido pasa a través del acelerador, su presión cae y ingresa al evaporador, donde hierve, quitando del ambiente el calor suministrado por el colector. A continuación, el gas en el que se ha convertido el refrigerante es aspirado por el compresor, comprimido, calentado y empujado al condensador, que es la unidad de liberación de calor de la bomba de calor: aquí el calor lo recibe el agua de la calefacción. sistema de circuito. En este caso el gas se enfría y condensa para ser descargado nuevamente en la válvula de expansión y regresar al evaporador, luego de esto comienza nuevamente el ciclo de operación. Eficiencia de la bomba de calor Durante el funcionamiento, el compresor consume electricidad. Por cada kilovatio-hora de electricidad consumida, la bomba de calor produce entre 2,5 y 5 kilovatios-hora de energía térmica. La relación entre la energía térmica generada y la energía eléctrica consumida se denomina relación de transformación (o coeficiente de conversión de calor) y sirve como indicador de la eficiencia de la bomba de calor. Este valor depende de la diferencia en los niveles de temperatura en el evaporador y el condensador: cuanto mayor es la diferencia, menor es este valor. Por esta razón, la bomba de calor debe utilizar la mayor cantidad posible de fuente de calor de baja calidad, sin intentar enfriarla demasiado. De hecho, esto aumenta la eficiencia de la bomba de calor, ya que con un enfriamiento débil de la fuente de calor no se produce un aumento significativo en la diferencia de temperatura. Por este motivo, las bombas de calor garantizan que la masa de la fuente de calor de baja temperatura sea significativamente mayor que la masa que se calienta. La diferencia entre una bomba de calor y las fuentes de calor basadas en combustible es que para funcionar, además de energía para el compresor, también necesita una fuente de calor de baja calidad, mientras que en las fuentes de calor tradicionales el calor generado depende únicamente de la poder calorífico del combustible. El problema de conectar una bomba de calor a una fuente de calor de baja calidad con una gran masa se puede resolver introduciendo un sistema de transferencia de masa en la bomba de calor, por ejemplo, un sistema de bombeo de agua. Así funciona la calefacción central de Estocolmo. Eficiencia condicional de las bombas de calor Una bomba de calor es capaz, utilizando fuentes de energía de alto potencial, de “bombear” a la habitación (como porcentaje del gasto) entre un 200% y un 600% de energía térmica de bajo potencial. Esto no viola la ley de conservación de la energía, ya que enfría el medio ambiente. En teoría, el uso de bombas de calor para calentar habitaciones es más eficaz que las calderas de gas. Las modernas turbinas de vapor y de gas de las centrales eléctricas tienen una eficiencia ligeramente inferior a la de las calderas de gas. Como resultado, cuando la industria de la energía eléctrica cambia a equipos modernos y cuando se utilizan bombas de calor, se pueden lograr ahorros de gas de hasta 3 a 5 veces en comparación con las calderas de gas. En realidad, hay que tener en cuenta los costes generales de transmisión, transformación y distribución de electricidad (es decir, los servicios de red). Como resultado, el precio de venta de la electricidad es entre 3 y 5 veces mayor que su costo, lo que impide el uso de tecnología generalmente progresiva. En este sentido, es recomendable utilizar electricidad de fuentes alternativas (olas, eólica, plantas solares) o combinar la generación de electricidad a partir de gas y su uso in situ para generar calor en una bomba de calor. Recomendaciones para el funcionamiento de la bomba de calor
Ventajas y desventajas de una bomba de calor. Las ventajas de las bombas de calor incluyen, en primer lugar, la economía: para transferir 0,2 kWh de energía térmica al sistema de calefacción, la instalación necesita gastar solo entre 0,35 y 50 kWh de electricidad. Dado que la conversión de energía térmica en energía eléctrica en las grandes centrales eléctricas se produce con una eficiencia de hasta el XNUMX%, la eficiencia del uso de combustible cuando se utilizan bombas de calor aumenta. Se simplifican los requisitos para los sistemas de ventilación de habitaciones y se aumenta el nivel de seguridad contra incendios. Todos los sistemas funcionan mediante circuitos cerrados y prácticamente no requieren costos operativos distintos del costo de la electricidad necesaria para operar el equipo. Otra ventaja de las bombas de calor es la posibilidad de pasar del modo calefacción en invierno al modo aire acondicionado en verano: simplemente, en lugar de radiadores, se conectan fancoils al colector externo. La bomba de calor es fiable, su funcionamiento se controla automáticamente. Durante el funcionamiento, el sistema no requiere mantenimiento especial, las posibles manipulaciones no requieren habilidades especiales y se describen en las instrucciones. Una característica importante del sistema es su carácter puramente individual para cada consumidor, que consiste en la selección óptima de una fuente estable de energía de bajo potencial, el cálculo del coeficiente de conversión, la recuperación de la inversión, etc. La bomba de calor es compacta (su módulo no es más grande que un refrigerador normal) y casi silenciosa. Las desventajas de las bombas de calor utilizadas para calefacción incluyen el alto coste de los equipos instalados.
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