BOMBAS DE CALOR

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BOMBAS DE CALOR

• El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A UN
  FOCO CALIENTE.

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Un poco de historia

• Kelvin en 1852 introduce el concepto.
• EN 1927 Electrolux introduce en el mercado la
  primer Bomba de Calor ( Escocia)
• EN 1950 1955 cae la imagen de la bomba de
  calor por el uso inadecuado.
• En 1976 se reinicia, con YORK que produce la
  primer Bomba de calor , controlada por PC

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Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento
1
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3
4
4
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4
Flujo y estado del refrigerante en modo
enfriamiento
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Bomba de calor funcionando en modo calentamiento
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3
2
1
4
1
2
3
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Flujo y estado del refrigerante en modo
calentamiento
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Tipos de Bombas de Calor

• APLICADAS Cuando requieren de un diseño en el
  lugar, de acuerdo a la aplicación específica. Por
  ejemplo las aplicadas a procesos industriales.
• UNITARIAS Cuando vienen prefabricadas, diseñadas
  por el fabricante.

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EQUIPOS UNITARIOS

• Se pueden clasificar en Residenciales (hasta
  65000 Btu/h (5.4 TR), generalmente monofásicas),
  Comercial Liviano (hasta 135000 Btu/h (11.3 TR),
  generalmente trifásicas), Comercial Pesado (mas
  de 135000 Btu/h).
• Split Se dice del equipo cuando viene dividido
  en varias unidades (por ejemplo interior y
  exterior).

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BOMBA DE CALOR UNITARIA

• Cubren un rango aproximado de 1.5 a 30 TR.
• La cantidad de energía en forma de calor que se
  puede obtener varía de 2 a 4 veces la consumida.
• En el caso de aire acondicionado, para un mejor
  confort, antes que sobredimensionar la bomba, es
  mejor alguna fuente complementaria de calor o
  bombas de capacidad variable (incluyendo
  compresores movidos por motores de combustión
  interna, etc).

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BOMBA DE CALOR APLICADAS

• BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES
• Se trata de recuperar parte del calor generado en
  un proceso (y que normalmente sería
  desperdiciado), para verterlo en alguna parte del
  proceso o acondicionar algún ambiente.
• Es mucho mas difundido el uso de bombas de calor
  para acondicionamiento térmico que para uso
  industrial.

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Eleccion de las fuentes de calor

• Lugar geográfico
• Disponibilidad de recursos naturales
• Costos operativos
• Recuperación de calor de procesos
• Ejemplos fuentes aire
• agua
• tierra
• energía solar

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AIRE (características)

• Barato , limpio.
• Acondicionamiento interior en edificios.
• Poco poder de intercambio
• Aplicaciones en Piscinas (deshumidificar)
• DESVENTAJA EQUILIBRIO Tev y Tamb

Pto equilibrio
Capacidad Rerfg.
Cal/hr
Perdida ambiente
T ext
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AGUA (características)

• Gran poder de intercambio.
• Utilización de agua subterránea como fuente.
  (Temp. cte)
• Agua de efluentes.
• Precauciones tratamiento, filtración y
  contaminación, corrosión.
• Colocación intercambiadores en lagos, ríos etc.
  (evitar hacer pozos)
• Costos de extracción
• Aguas de alcantarillado ( Temp. sup.)

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Agua -Aire
Calor
frió
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Tierra (características)

• Utilización como Fuente de Calor sumergida.(
  tubos enterrados)
• Puntos a tener en cuenta efectividad
• Corrosión, humedad, composición, difusividad.
  Liquido anticongelante
• Temperatura mas estable que otras fuentes

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COP Vs. Factor de funcionamiento

• COPc Tf / (Tc Tf )
• Factor de Func. Tc / (Tc Tf )
• (Tc Tf Tf )/ (Tc Tf )1 COPc
• Factor funcionamiento mayor que uno

Factor de Funcionamiento (NH3)
TEMP.
6
Tc
W
Tf
3
Entropia
-10C 10C Temp Exterior
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Aire como foco caliente
Utilizando aire como foco caliente se tiene un
intervalo de funcionamiento más amplio El factor
que influye es la temperatura exterior Se ve que
la capacidad del compresor disminuye a bajas
temperaturas de evaporación
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Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento
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Flujo y estado del refrigerante en modo
enfriamiento
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Bomba de calor funcionando en modo calentamiento
21
Flujo y estado del refrigerante en modo
calentamiento
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Equipos unitarios, componentes

• El flujo de refrigerante está controlado por
  placa orificio, tubo capilar, o válvula
  termostática.
• El tubo capilar es menos costoso pero puede
  provocar que el evaporador trabaje sobre o
  sub-alimentado para diferentes temperaturas de
  condensación. Esto puede ocasionar un
  funcionamiento con un rendimiento inferior al
  óptimo. Esto se evita con la válvula termostática.

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Componentes-ejemplo
Válvula termostática de expansión
P1 P2 P3
P1 es la presión del elemento termostático P2 es
la presión en el evaporador P3 presión del
resorte equivalente al sobrecalientamiento
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Modelado de la válvula termostática

• q flujo de calor
• C constante del diseño de la válvula proporcional
• densidad del líquido entrante
• diferencia de presión en la válvula
• hf entalpía del líquido entrante
• hg entalpía del gas saliente

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Válvula termostática de expansión

• Una válvula termostática opera con
  sobrecalientamiento y obedece a cambios en el
  sobrecalientamiento. Los valores estándar van de
  4 a 8ºF.Dependiendo del diseño, tamaño y
  aplicación
• La capacidad a plena carga de las mismas es de 10
  40 del valor nominal como reserva. Es el tramo
  BC en la curva gradiente
• Una válvula termostática convencional no
  regularía el flujo convenientemente en ambas
  direcciones. Debido a eso se emplean 2 válvulas
  para las bombas de calor, una para cada condición
  de operación
• A un tubo capilar no le afecta la dirección del
  flujo, pero por la diferencia de presiones evita
  que por el compresor pase la cantidad de
  refrigerante necesaria

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La figura muestra un evaporador funcionando con
R22 a una temp. de saturación de 40ºF (68.5psi)
Punto A mezcla saturada de líquido y vapor 40ºF
(68.5psi) Punto B vapor saturado 40ºF
(68.5psi) Punto C vapor sobrecalentado 50ºF y
68.5 psi (sobrecalentamiento 10ºF)
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El gráfico de la izquierda muestra el gradiente
típico de una válvula de expansión
termostáticaEl gráfico de la derecha muestra la
relación entre presión y temperatura en el
elemento termostático
28
Válvula inversora de 4 vías
A la línea simple siempre viene la descarga del
compresor que es derivada al condensador
La línea del medio siempre va a la succión del
compresor
29
Funcionamiento del barril
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Funcionamiento del barril
31
Válvula inversora comandada por válvula solenoide
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El acumulador opera evitando que el compresor
succione líquido También retiene el aceite
contenido en el refrigerante (podría acumular
todo el aceite del compresor, falla)
Un orificio en la base hace que por efecto
Venturi los vapores arrastren el aceite al
compresor donde pertenece
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EJEMPLO CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA

• Marca ADDISON, modelo WWR 048 de 4 TR (en línea
  WWR disponible de 3 a 35 TR).
• Función
• Su función es calentar o enfriar agua a partir de
  una fuente que intercambia con agua.
• Del lado de la fuente puede haber una torre de
  enfriamiento, un intercambiador geotérmico, etc
• Del lado de la carga pueden existir muchas
  aplicaciones como ser fan coils, radiant coils,
  calentar agua de piscinas o spas, una aplicación
  de proceso, etc

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EJEMPLO CHILLER / BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA

• Dimensiones
• Altura 53 cm
• Largo 71 cm
• Ancho 71 cm

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CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
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DATOS DEL FABRICANTE

• Fluido refrigerante R-22
• Compresor Scroll
• Modo CALOR
• Datos basados en Te (carga) 100ºF (38ºC), Te
  (fuente) 70ºF (21ºC), caudales de agua iguales
  a 12 gpm (2.73 m3/h).
• Capacidad 57546 Btu/h (16.865 kW)
• Compresor
• Psucción 80 psig (658 kPa)
• Pdescarga 280 psig (2040 kPa)
• Pot. entregada 3473 W

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DATOS DEL FABRICANTE

• Modo CALOR
• Pot. eléctrica 4092 W (RLA 18.6 A (208-230 V
  / 1 fase / 60 Hz))
• Modo FRÍO
• Datos basados en Te (carga) 55ºF (13ºC), Te
  (fuente) 85ºF (29ºC), caudales de agua iguales
  a 12 gpm (2.73 m3/h).
• Capacidad 39470 Btu/h (11.567 kW)
• Compresor
• Psucción 65 psig (550 kPa)
• Pdescarga 230 psig (1690 kPa)
• Pot. Entregada 2741 W

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CICLO DE REFRIGERACIÓN

• Para construir el ciclo de refrigeración
  correspondientes a las condiciones de
  funcionamiento anteriormente mencionadas se
  supone razonablemente un sobrecalentamiento de
  6ºC y un subenfriamiento de 5ºC (debido a que no
  se poseen datos al respecto).
• El orígen de Entalpías y Entropías
  respectivamente es de 200 Kj/Kg y 1.0 Kj/(Kg.K)
  para líquido saturado a 0ºC.

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MODO CALOR DIAGRAMA de MOLLIER (o PH)
40
MODO CALOR DIAGRAMA TS
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MODO CALOR CÁLCULOS
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MODO FRÍO DIAGRAMA de MOLLIER (o PH)
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MODO FRÍO DIAGRAMA TS
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MODO FRÍO CÁLCULOS
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COMENTARIOS

• En general en este tipo de equipo el COP oscila
  entre 2 y 3. En nuestro caso obtuvimos valores de
  3.58 para modo frío y 4.12 para modo calor. En
  este sentido vale acotar que tenemos un compresor
  Scroll (alto rendimiento volumétrico) y este
  permite generalmente obtener COPs mas altos.
• En modo calor el COP es mas alto que en modo
  frío. Esto es bastante lógico ya a diferencia del
  modo frío, en modo calor se aprovecha el calor
  aportado por el compresor.

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BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES (Aplicadas)

• Recuperar calor generado en alguna parte de un
  proceso.
• Menos difundido que el uso de bombas de calor
  para acondicionamiento de aire, a pesar de poseer
  en general COPs mas altos.

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TIPOS DE BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES

• Las mas importantes son
• Ciclo de compresión cerrado motor eléctrico
  (ECCC)
• Ciclo de compresión cerrado motor diesel (DCCC)
• Recompresión mecánica de vapor (MVR)

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CICLO CERRADO
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CICLO DE COMPRESIÓN CERRADO (ambos motores)

• Formas de aumentar el COP
• Subenfriamiento 1 cada 2 ºC de subenf
• Uso de economisador o tanque flash intermedio.
• Los compresores pueden ser reciprocantes (hasta
  500 kW de calor bombeado), de tornillo (hasta 5
  MW) y turbocompresores (mas de 2 MW).
• Los gases refrigerantes típicos, aunque en desuso
  por razones ambientales, son el R-12, el R-22 y
  el R-114.

50
CICLO CERRADO CON MOTOR ELÉCTRICO

• Rendimiento de Motor alrededor de 90.
• COPs típicos 4 6.
• COPs no varían mucho de un refrigerante a otro
  pero la capacidad si.
• COPs aumentan levemente desde los compresores
  reciprocantes, pasando por los de tornillo, hasta
  los turbocompresores (COPs mayores).

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CICLO CERRADO CON MOTOR DIESEL

• El ciclo en sí posee COP bajo. Se intenta
  recuperar el calor del agua de enfriamiento del
  motor y de los gases de escape. COP típico de 2.
• El rendimiento mecánico típico de los motores
  Diesel que se usan para bombas de calor es de
  40.

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RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR

• Consiste en comprimir gases residuales
  (aumentando la T), para luego poder extraerle el
  calor.
• En general se trabaja con vapor de agua (la
  fuente).

53
RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR

• Se utilizan básicamente 2 tipos de compresores
• Turbocompresores
• Los mas usados son radiales.
• Caudales altos y medios.
• Relación de compresión alrededor de 2.
• Rendimiento isentrópicos de 0.7 - 0.8.
• Con separador de líquido.
• Compresores de Tornillo
• Caudales normalmente menores.
• Relación de compresión de 2 a 6.
• Rendimiento isentrópicos de 0.7-0.9.
• No necesitan de separador de líquido.

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FACTORES ECONÓMICOS (ALGUNAS OBSERVACIONES)

• Si las condiciones permiten su uso, las MVR son
  las bombas que poseen períodos de retorno a la
  inversión menores.
• El período de retorno a la inversión de las ECCC
  depende fuertemente del COP y el costo de la
  energía eléctrica. En general para valores de
  COP6 deberían ser rentables.

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LAS BOMBAS INDUSTRIALES EN EL MUNDO

• Datos en base a 8 países del primer mundo.

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• Bombas de calor geotérmicas

• Ventajas
• Temperaturas de fuente o sumidero estables
  durante el año.
• No requieren descongelado en el evaporador en
  modo heat

• Por debajo de 1ºC las bombas enfriadas por aire
  necesitan calefacción suplementaria

• Menor costo de mantenimiento que otros tipos de
  sumidero

• Mejora en eficiencia

• Larga vida útil
• Menos ruidosos que equipos con torres o
  condensadores evaporativos.

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Tipos de intercambiadores geotérmicos
58
Cuadro comparativo
Tubos horizontales Tubos en espiral Loop vertical
Profundidad 1,2 a 3 m 1,2 a 3 m 20 a 90 m
Espaciamiento 2 a 4 m 4 m gt 5 m
Capacidad de intercambio 100-400 ft por TR 500-1000 ft por TR 200-600 ft por TR
Ventajas -Relativo bajo costo de perforación -Menos superficie que los horizontales -A veces los costos son menores -Menos longitud de cañería -Menos potencia de bombeo -Temperatura más estable -Menos área en planta
Desventajas -Superficie en planta -Temperatura sujeta a variaciones -Mayor longitud que los verticales -Adición de anticongelantes -Más cañería -Temperatura sujeta a variaciones -Más potencia de bombeo -Dificultad para el llenado -Necesita equipo de perforación -Mayores costos de perforación
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Tubos sumergidos Sistema abierto Expansión directa
Profundidad 1,8 a 2,4 m 50 cm sobre el lecho Depende de las condiciones locales 2.7 a 3.7 m (vertical) 1.5 a 3 m (horizontal)
Espaciamiento 3000 ft2 por TR Depende de las condiciones locales N/A
Capacidad de intercambio 300 ft por TR 1.5 a 3 gpm por TR 100-150 ft2/TR (v) 450-550 ft2/TR (h)
Ventajas -Puede ser el de menor largo de tubos. -Puede ser de bajo costo dependiendo de disponibilidad de agua -Diseño simple -Menor perforación -Mejor rendimiento termodinámico -Menores costos -Mejor eficiencia del sistema -No requiere bombeo
Desventajas - Requiere gran cantidad de agua - Restringe el uso del lago -Sujeto a regulaciones -Disponibilidad de agua (re inyección) -Fouling, material en suspensión, corrosión -Costo inicial -Tubos sujetos a congelamiento -Retorno de aceite -Más carga refrigerante -Peligro de fugas
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Variación con el clima anual

• Temperatura del suelo
• Impacto en la eficiencia
• Determina el tamaño del GHE

Variación con la profundidad
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Conductividad del suelo
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Consideraciones económicas

• Coeficiente de performance

• Factible cuando el costo de energía eléctrica es
  aprox 3.5 veces menor que el precio de
  combustible por BTU
• Costos de mantenimiento

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Normas aplicables
Technology Application Reference Standard Category (capacity) Rating Condition(enter water temperature) Minimum Performanceas of 10/29/2001 Minimum Performanceas of 10/29/2001
Technology Application Reference Standard Category (capacity) Rating Condition(enter water temperature) Cooling Heating
Water-Source Heat Pumps ISO-13256-1(a) lt17kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 11.2 EER ---
      Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
    gt17 kBtuh and lt65 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 11.2 EER ---
      Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
    gt65 kBtuh and lt135 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 12.0 EER ---
      Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP
Groundwater-Source Heat Pumps ISO-13256-1 lt135 kBtuh Standard 59ºF (15ºC) 16.2 EER  
      Standard 68ºF (20ºC) 4.2 COP  
Ground-Source Close-Loop Heat Pumps ISO-13256-1 lt135 kBtuh Standard 77ºF (25ºC) 13.4 EER ---
      Standard 32ºF (0ºC) --- 3.1 COP
(a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps. (a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps. (a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps. (a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps. (a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps. (a) ISO (1998) Water-Source Heat Pumps - Testing and Rating for Performance - Part 1 Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps.
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Griffiss AFB, NY Conventional System Air-Source Heat Pump Ground-Source Heat Pump
Number of units 13 7 22
Nominal capacity (tons)EachTotal 13.5175.5 13.594.5 4.8105.6
Supplemental heaters (kW)EachTotal n/an/a 125875 33726
Equipment capacity (kBtuh/h)(at design conditions)SummerWinter 2,535.03,510.0 1,360.13,395.0 1,270.13,336.6
Energy Consumption (/yr)Electricity (kWh)Demand (kW-mo)Natural gas (therm)Total energy (MBtu) 252,9081,481110,38011,901 1,6546,5554,20005,562 1,413,2074,35504,822
Energy Costs (/yr)ElectricityDemandNatural gasTotal energy 12,6458,16059,60580,411 82,82823,1420105,970 70,66023,996094,656
OM Costs (/yr) 8,775 3,300 3,700
Install Cost () 454,100 212,500 329,300
Equipment life (yr) 15 15 15
Total Life-Cycle Cost () 1,639,262 1,516,482 1,502,942
Cuadro comparativo de inversión
65
Optimización de eficiencia Minimización de
irreversibilidades

• Generación de entropía en una cañería
  transición trubulento - laminar

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Optimización de eficiencia Minimización de
irreversibilidades

• Caso 2 Calor transferido constante

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Minimización del trabajo Relación de
temperaturas óptima
Luego
La relación de temperaturas que minimiza el
trabajo es
Donde
Condición imposible de satisfacer en la práctica.
Viola la 2a ley de la termodinámica.
68
Generación de entropía en función de la relación
de transferencias y la eficiencia del compresor
Se puede escribir
Donde
69
Generación de entropía en función de la relación
de transferencias y la eficiencia del compresor
70
COP y eficiencia 2º ppio en función de eficiencia
del compresor y relación de transferencia entre
condensador y evaporador
Para (UA)250 W/mºK, Qe1000W, Th303K y Tl293K
71
COP y eficiencia 2º ppio para una bomba de calor
real e ideal