Bomba de calor

Antecedentes

Como resultado de la creciente preocupación de la sociedad por los problemas ecológicos y ambientales, está aumentando la demanda de formas más eficientes de utilizar el calor y la energía. La industria de las bombas de calor utiliza avances tecnológicos, como la calefacción de espacios durante todo el año, para desplazar la energía térmica a una ubicación y un propósito más útiles. Este concepto se logra proporcionando calor localizado o redirigido, mientras se intercambia aire frío con aire caliente.

Los principios de las bombas de calor son en realidad el reverso de los principios tecnológicos y termodinámicos de una unidad de aire acondicionado. La mayoría de las bombas de calor ofrecen el beneficio adicional de proporcionar calefacción en invierno y refrigeración en verano. Esto se puede lograr simplemente invirtiendo el flujo del fluido de trabajo que circula a través de las bobinas. La bomba de calor es un sistema termodinámico completo mediante el cual se bombea un medio líquido y / o gaseoso a través de un conjunto donde cambia de fase como resultado de la alteración de la presión. Aunque su instalación es relativamente costosa, el sistema de bomba de calor proporciona una forma más económica y eficiente de controlar las temperaturas y reutilizar la energía térmica existente.

Materias primas

La fabricación de bombas de calor implica el uso de grandes piezas de fundición de hierro con componentes de acero inoxidable y tubos de aluminio. Las piezas fundidas, utilizadas en la bomba y el motor, a menudo tendrán pequeñas cantidades de níquel, molibdeno y magnesio para mejorar las características mecánicas y de resistencia a la corrosión de la pieza fundida. En bombas de calor más pequeñas, algunos componentes requieren el uso de acero aleado para reducir el peso. Dependiendo del tipo de fluido de trabajo que se utilice (amoníaco, agua o clorofluorocarbonos), la tubería del sistema de bomba de calor puede requerir acero inoxidable o aluminio resistente a la corrosión. En sistemas donde la consistencia de las propiedades termodinámicas es más crítica, la tubería de cobre puede mejorar la eficiencia. Las carcasas, que albergan la mayoría de los componentes de la bomba de calor, están fabricadas con chapa de acero al carbono dulce. El resto de las tuberías, accesorios, válvulas y acoplamientos son de acero inoxidable.

Todas las bombas de calor requieren un fluido de trabajo para transferir el exceso de energía de una fuente de calor a otra. Tradicionalmente, los clorofluorocarbonos (CFC) se han utilizado como fluidos de trabajo debido a sus propiedades termodinámicas superiores. Debido a los efectos nocivos que ahora se sabe que tienen los CFC en el medio ambiente, se han eliminado gradualmente de la producción. En cambio, el agua, los hidrocarburos y el amoníaco se utilizan con frecuencia en los sistemas de bombas de calor a pesar de su falta de eficiencia en algunos diseños de bombas de calor.

Diseño

Todas las bombas de calor tienen los mismos componentes básicos. Estos componentes constan de una bomba, un condensador, un evaporador y una válvula de expansión. A pesar de las similitudes relativas de estos componentes, los diseños de las bombas de calor varían mucho según la aplicación específica de la bomba. Los dos diseños principales, compresión y absorción de vapor, utilizan principios termodinámicos diferentes, pero ambos incluyen componentes similares y proporcionan eficiencias de sistema similares.

Las bombas de calor demuestran una notable versatilidad al proporcionar aire acondicionado y calefacción en el mismo sistema simplemente invirtiendo la dirección de flujo del fluido de trabajo. En este sentido, las bombas de calor eliminan la necesidad de sistemas duales para mantener la temperatura deseada. Sin embargo, esto será costoso ya que requiere un sistema que pueda bombear en ambas direcciones. En climas extremadamente adversos, las bombas de calor pierden algo de su efectividad y pueden requerir una fuente de calor adicional. Este calor suplementario puede provenir de calentadores eléctricos o de agua calentada geotérmicamente.

La operación típica de una bomba de calor usa el fluido de trabajo para recibir calor de una fuente ubicada cerca del evaporador. En el evaporador, el fluido se vaporiza en un vapor de baja presión. Al entrar en la bomba, el vapor se comprime a alta presión y entra en un condensador que devuelve el vapor a un líquido y finalmente emite su calor almacenado a la fuente deseada. Luego, una válvula de expansión permite que el sistema vuelva a su estado líquido de baja presión y el ciclo comienza de nuevo.

El
proceso de fabricación

La bomba generalmente se adquiere como una unidad terminada y se instala en el sistema integrándola con los componentes de acoplamiento y tubería. Diseñada para el tamaño específico y los requisitos de fluido del sistema, la bomba puede enviarse, según su tamaño, directamente al sitio de instalación. Esto suele ocurrir con grandes bombas de calor comerciales que suministran calor y / o refrigeración a edificios de oficinas. Los modelos residenciales más pequeños pueden tener la bomba instalada en un conjunto que incluye el condensador, el evaporador y varias tuberías. Estas unidades, encerradas en una caja de chapa, estarán compuestas por varios subconjuntos para el condensador y el evaporador para atornillar cada componente a la caja o entre sí. Algunos de los soportes utilizados formarán la base de la unidad donde la bomba se atornillará a una bandeja de metal y se conectará a un motor de CA.

Encapsulamientos

• 1 Ensambladas a partir de varias láminas de metal diferentes, las unidades de revestimiento se cortan a medida en una prensa de corte. Después de que se cortan a las dimensiones adecuadas, se perforan pequeños orificios de ensamblaje en el metal utilizando una punzonadora controlada numéricamente por computadora (CNC). Estas punzonadoras tienen una mesa móvil para mover la chapa o un troquel móvil que puede perforar agujeros en diferentes puntos del metal. Las punzonadoras a menudo se dirigen a dónde perforar mediante un programa de diseño asistido por computadora (CAD). Las herramientas de perforación de diferentes formas se almacenan dentro de la máquina, lo que le brinda la capacidad de perforar todos los agujeros necesarios simplemente cambiando el programa de computadora.
• 2 Después de perforar, la hoja se moverá a una plegadora de control numérico (NC), donde se doblará en diferentes formas y configuraciones. La plegadora dobla el metal en muchas formas diferentes mediante el uso de matrices o herramientas. A diferencia de la punzonadora CNC, la plegadora requerirá un cambio manual en las herramientas para realizar un doblez diferente. La hoja está lista para soldarse, remacharse o atornillarse a las otras hojas y soportes. Una vez ensambladas, estas láminas proporcionan la mayor parte de la estabilidad de las unidades independientes.

Condensador y evaporador

• 3 El condensador y el evaporador están hechos de muchos tubos pequeños y delgados de cobre o aluminio, que se doblan alrededor de matrices curvas mediante máquinas dobladoras de tubos. Las máquinas dobladoras de tubos NC se programarán para proporcionar exactamente la misma curva en cada uno de los tubos, lo que permitirá apilarlos uno encima del otro. Estos tubos luego se unirán a placas o aletas a través de las cuales pasarán los tubos y se unirán a través de la expansión del tubo o la soldadura de juntas. Esto crea un sistema herméticamente sellado. El conjunto de tubo y placa actuará como un intercambiador de calor al permitir que el fluido de trabajo pase a través del sistema dentro de los tubos, mientras que libera el calor en el condensador a otro medio fluido que pasa entre las placas y adquiere el calor que se desprende a través de los tubos. .
• 4 Para proporcionar resistencia o conectividad a los componentes, se perforan pequeños soportes de acero al carbono dulce. Los soportes generalmente se perforan a partir de una bobina de acero que se alimenta continuamente primero a través de un desbobinador. Una vez que se desenrolla, se corta, se dobla y se forma en un proceso continuo. Esto se hace con una configuración de matriz progresiva, donde el soporte permanece unido a la bobina mientras se mueve de una estación a otra. estación. Cada estación agrega algo al soporte, ya sea un agujero o una muesca, y lo envía a la siguiente estación, hasta que finalmente se corta de la bobina. Este proceso puede subcontratarse a proveedores que se especializan en operaciones de prensa de transferencia o troqueles progresivos y pueden proporcionar un mejor control de costos.

Tubería

• 5 Se fabrica y se dobla más tubería para proporcionar el resto de la tubería necesaria para conectar la bomba con el condensador y el evaporador. Se utilizan varios accesorios y componentes de conexión. La válvula de expansión, que se encuentra dentro de algunas de las líneas de tubería, es otro componente que se compra como una unidad completa. La válvula de expansión es un accesorio diseñado que permite la expansión del fluido de trabajo y la conexión de tubos de menor diámetro con tubos de mayor diámetro. En unidades residenciales pequeñas, la válvula está contenida dentro de la caja principal, mientras que en unidades comerciales más grandes, se puede instalar en el sitio en el sistema de tuberías.

Pintura / revestimiento

• 6 Los componentes, subconjuntos, soportes y / o placas están pintados o recubiertos de polvo para resistir la corrosión. Sin embargo, antes de pintar, algunas piezas se tratan con un disolvente especial para eliminar cualquier grasa o aceite que quede de las operaciones de fabricación. Esto generalmente se hace sumergiendo las piezas en tanques grandes llenos de solvente y luego secándolos en un horno especial. Algunas piezas, que están especialmente recubiertas con zinc, níquel o cromo, se pasarán por un baño ácido antes de sumergirlas en tanques de solución de recubrimiento. Una vez limpias, las piezas se cargan manualmente en bandejas o se cuelgan en estantes especialmente diseñados y se introducen en una cabina de pintura. La pintura se aplica con un dispensador de pintura presurizado que rociará pintura en cada hendidura.

Embalaje

• 7 Después de pasar rigurosas inspecciones, la bomba de calor se envía al empaque, donde el sistema se empaquetará y se enviará al lugar de instalación.

Instalación

• 8 Generalmente, las bombas de calor se instalarán en el sitio de construcción. El compresor y el evaporador estarán construidos con tubos masivos de 3 pulgadas (7,5 cm) de diámetro y tendrán cámaras más grandes, donde el fluido de trabajo cambiará de fase. La bomba en sí se atornillará a una plataforma de hormigón y se conectará con un motor de CC grande o un generador de gas natural. Los accesorios y las válvulas se enviarán e instalarán en el sistema de tuberías, mientras están soportados por soportes y tirantes anclados a las paredes existentes. Estas instalaciones presentan importantes desafíos de ingeniería y, a menudo, requieren la cooperación entre el contratista y el fabricante de la bomba de calor.

Control de calidad

Cada componente que se adquiere de un proveedor externo generalmente se inspeccionará para verificar el cumplimiento dimensional antes de ensamblarlo. Los demás componentes se comprobarán durante su fabricación para garantizar la calidad. Luego, se probará el ensamblaje final llenándolo con el fluido de trabajo apropiado y conectando el sistema a una fuente de energía para encender la bomba. Al medir, con transductores o interruptores, los niveles de temperatura y presión del fluido en diferentes etapas, el sistema final se puede verificar con criterios predeterminados.

El futuro

Con el aumento de los costos de energía, aumentará la demanda de la bomba de calor eficiente. El alto costo inicial se devolverá en su totalidad a medida que disminuya el uso general de energía. La bomba de calor versátil beneficiará a las organizaciones que pretenden aumentar su exposición a los nuevos desarrollos tecnológicos. A medida que la tecnología mejore, la bomba de calor producirá en última instancia una calefacción y una refrigeración más rentables. El desarrollo de productos generará competencia entre industrias, lo que hará que disminuyan los altos costos de fabricación. La tecnología de fluidos de trabajo continuará expandiéndose debido a varios estudios experimentales diseñados para satisfacer futuras preocupaciones ambientales.