Integración de bombas de calor

En la figura se muestra una representación esquemática de una bomba de calor. Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe calor a baja temperatura en un evaporador, consume trabajo al comprimir el fluido, y libera calor a una temperatura mayor en el condensador. El fluido condensado se expande y se vaporiza parcialmente. Y el ciclo comienza de nuevo. Normalmente, el fluido es un componente puro, por tanto, los cambios de fase se producen a temperatura constante. De igual manera que ocurría con los sistemas de cogeneración, existen maneras correctas e incorrectas de integrar una bomba de calor en un proceso.

Las dos maneras fundamentales en las que podemos integrar una bomba de calor son cruzando el pinch, y sin cruzar el pinch. En la figura a se muestra una bomba de calor integrada por encima del pinch. La bomba de calor absorbe el trabajo W, de manera que disminuye en W el calor a aportar al proceso. Es decir, el sistema convierte trabajo en calor, que no es la mejor manera de actuar (porque es más caro generar la misma cantidad de energía en forma de trabajo que en forma de calor). En la figura b se muestra una bomba de calor integrada por debajo del pinch. De nuevo, la bomba requiere un trabajo W que se añade al proceso en forma de calor. Por debajo del pinch, el proceso es una fuente de calor, y estamos añadiendo calor, que originalmente estaba en forma de trabajo, a una fuente de calor. Es resultado es aún peor que en la figura a.

Por último, en la figura c se muestra cuál es la mejor manera de integrar una bomba de calor en el proceso. La bomba cruza el pinch, absorbe un trabajo W y toma calor de la fuente de calor. La suma del calor y el trabajo absorbidos se aporta al sumidero de calor en forma de calor. Éste si es el mejor cometido de una bomba de calor: aportar calor a una temperatura mayor desde una menor, absorbiendo para ello un trabajo.

En la figura se muestra un proceso, donde se ha colocado correctamente una bomba de calor. También se muestra la curva grand compuesta, que muestra claramente cómo la bomba de calor toma calor de la fuente de calor a baja temperatura, y cede calor al sumidero de calor a alta temperatura. Gracias a la bomba de calor se disminuye el consumo de vapor y de agua de refrigeración.

El rendimiento de la bomba de calor viene dado por su coeficiente de funcionamiento, más conocido por $COP$. El rendimiento viene dado por el cociente entre el calor aportado al sistema y el trabajo que se necesita para ello. Debido a esta definición, el rendimiento de una bomba de calor es siempre superior a la unidad. Para los valores indicados en la figura , el $COP$ es

$$COP_ = \frac{Q_\text{HP}+W}{W}$$ (2.4)

donde $COP_$HP es el rendimiento de la bomba de calor, $Q_$HP es el calor tomado desde la fuente a baja temperatura y $W$ es el trabajo consumido por la bomba de calor.

Figura: Curva grand compuesta del proceso con una bomba de calor integrada

En general, cuanto mayor sea el $COP$ más rentable resultará la bomba. Esto implica que el incremento de temperatura desde la fuente al sumidero de calor sea menor. Es decir, cuánto menor sea la diferencia de temperatura entre los focos, mayor será el $COP$ y más rentable será la bomba. En general, no se suelen emplear para incrementos superiores a $25$ ^oC.

Por último, señalar que a partir de la curva grand compuesta del proceso, pueden determinarse las temperaturas de los focos, el calor absorbido en el foco frío, y, por tanto, el $COP$ de la bomba de calor.