¿Cómo afrontan las bombas de calor de fuente de aire los entornos de temperatura ultrabaja?

Las bombas de calor de fuente de aire han ganado terreno en el mercado por su eficiencia y beneficios ambientales. Sin embargo, el rendimiento puede variar significativamente según varios factores. En climas más fríos, la eficiencia de estas bombas disminuye y la formación de escarcha durante el calentamiento puede afectar gravemente tanto a la eficiencia como a la confiabilidad. Para combatir estos desafíos, se han realizado avances en tecnología y diseño, mejorando la funcionalidad y aplicación de las bombas de calor de fuente de aire en diversos entornos.

Avances en la tecnología de compresión multietapa

La tecnología de compresión de frecuencia variable es uno de los métodos eficaces para mejorar la capacidad de calefacción de las bombas de calor de fuente de aire. En condiciones de baja temperatura, aumentar la velocidad del compresor puede aumentar significativamente su volumen de escape, mejorando así la capacidad de calefacción de la bomba de calor de fuente de aire. Sin embargo, la tecnología de frecuencia variable no mejora la eficiencia energética del sistema. Para mejorar simultáneamente la capacidad de calefacción y la eficiencia energética a baja temperatura, se ha desarrollado una tecnología de compresión multietapa.

Dependiendo del número de etapas de compresión y la estructura del ciclo, las bombas de calor con fuente de aire de compresión multietapa se pueden dividir en ciclos en cascada y compresión dual/multietapa, etc. Para mejorar la capacidad de calefacción de los sistemas de compresión de una sola etapa en temperaturas ambiente bajas, El refrigerante se puede inyectar directamente en la cámara de compresión durante el proceso de compresión, conocido como compresión de casi dos etapas. Dado que los ciclos de compresión de casi dos etapas tienen características de compresión de dos etapas, este artículo los incluirá en el alcance de los ciclos de compresión de dos etapas para su discusión.

Bombas de calor con fuente de aire en cascada

Debido a la baja temperatura ambiente, la relación de presión del sistema es alta, el trabajo de compresión es grande y la pérdida de estrangulamiento es significativa, lo que en última instancia conduce a una baja eficiencia energética de la bomba de calor. Para reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia, los sistemas de bomba de calor con fuente de aire en cascada utilizan dos ciclos de compresión de vapor en serie para reemplazar un solo ciclo, para reducir la relación de compresión del ciclo de una sola etapa.

Como se muestra en la figura, el sistema en cascada consta de dos ciclos de compresión de vapor independientes, uno es un ciclo de etapa de baja temperatura y el otro es un ciclo de etapa de alta temperatura. Estos dos ciclos están conectados a través de un intercambiador de calor intermedio común, que también sirve como condensador para el ciclo de baja temperatura y evaporador para el ciclo de alta temperatura. En invierno, el ciclo de baja temperatura absorbe calor del aire ambiente a través del evaporador y eleva el calor a una temperatura más alta para que sirva como fuente de calor para el ciclo de alta temperatura; en el ciclo de alta temperatura, el calor se eleva aún más hasta la temperatura requerida para la calefacción interior.

Al utilizar una bomba de calor con fuente de aire en cascada, la relación de compresión del ciclo se reduce significativamente, lo que reduce la pérdida general de compresión y la pérdida por estrangulamiento, mejorando así la eficiencia energética de la bomba de calor con fuente de aire. Además, dependiendo de las diferentes condiciones de trabajo, las etapas de alta y baja temperatura del ciclo en cascada pueden utilizar diferentes refrigerantes. Como el sistema en cascada se puede implementar utilizando dos sistemas simples de una sola etapa, se ha utilizado durante muchos años en aplicaciones de calefacción y suministro de agua caliente. Sin embargo, la diferencia de temperatura en el intercambio de calor del intercambiador de calor intermedio en el ciclo en cascada conduce inevitablemente a ciertas pérdidas de eficiencia; Además, el ciclo en cascada requiere dos compresores y un intercambiador de calor adicional, lo que lo hace más costoso en comparación con los ciclos de una sola etapa.

Ventajas de las bombas de calor con fuente de aire de compresión de dos etapas

Una bomba de calor con fuente de aire de compresión de dos etapas conecta dos ciclos de refrigeración y puede verse como una forma simplificada del sistema en cascada. Como se muestra en la figura, según los diferentes economizadores utilizados, las bombas de calor con fuente de aire de compresión de dos etapas se pueden dividir en dos tipos: sistemas de tanque flash (FT) y sistemas de intercambiador de calor intermedio (IHX).

Para el sistema de tanque flash, el refrigerante líquido que sale del condensador interior se regula en dos fases y luego ingresa al tanque flash, donde el refrigerante de dos fases se separa en vapor saturado y líquido saturado; el refrigerante de vapor saturado se mezcla con el escape de refrigerante del compresor de la etapa de baja presión y luego el compresor de la etapa de alta presión lo comprime nuevamente, el líquido saturado es estrangulado por la segunda válvula de expansión y ingresa al evaporador exterior para evaporarse en gas y luego ingresa al compresor de la etapa de baja presión, luego se mezcla con el gas de media presión proveniente del tanque de flasheo.

Para el sistema de intercambiador de calor intermedio, el refrigerante líquido de la salida del condensador se divide directamente en dos caminos: flujo principal y flujo derivado. El refrigerante de flujo derivado se regula a presión intermedia y entra al intercambiador de calor intermedio, donde el refrigerante de baja temperatura enfría el refrigerante de flujo principal a un estado subenfriado, el refrigerante de flujo derivado absorbe calor y se convierte en vapor saturado o en estado sobrecalentado y se mezcla con el escape. desde el compresor de la etapa de baja presión, luego ingresa al compresor de la etapa de alta presión para una mayor compresión. El refrigerante subenfriado de la salida de la corriente principal del intercambiador de calor intermedio se estrangula a través del evaporador y finalmente regresa al compresor de la etapa de baja presión, se comprime a una presión intermedia y se mezcla con el refrigerante de flujo derivado.

Compresión de etapa casi dual para mayor versatilidad

Como se muestra en la figura, las bombas de calor con fuente de aire de compresión de dos etapas (también conocidas como sistemas de reposición) son muy similares a los sistemas de compresión de dos etapas. La diferencia es que en la compresión de etapa casi dual, el refrigerante del tanque flash o del intercambiador de calor intermedio se inyecta en la cámara de compresión del compresor, en lugar de hacerlo entre dos compresores en serie.

Por lo tanto, las bombas de calor de dos etapas pueden considerarse una forma simplificada de bombas de calor de dos etapas, que utilizan compresores auxiliares especialmente diseñados para reemplazar dos compresores, evitando así el problema de ecualización de aceite entre dos compresores y reduciendo los costos del sistema. Más importante aún, al cerrar la válvula en la rama de reposición, los sistemas de etapas cuasi duales pueden cambiar de manera flexible al modo de ciclo de una sola etapa, optimizando así el rendimiento de las bombas de calor de etapas cuasi duales en invierno y verano. Por esta razón, la tecnología de compresión de etapa casi dual se ha aplicado ampliamente en bombas de calor de baja temperatura en los últimos años.

Reemplazo de refrigerante

El avance hacia refrigerantes eficientes y respetuosos con el medio ambiente es fundamental en el avance de las bombas de calor de fuente de aire. Los refrigerantes tradicionales como el R22 y el R410A están siendo sustituidos por alternativos como el R290, R32, R744 y R161, entre otros. Cada uno de estos refrigerantes tiene sus ventajas y consideraciones, especialmente en lo que respecta a su impacto ambiental, eficiencia y estándares de seguridad. A medida que avanza la tecnología, la adopción de estas alternativas, junto con diseños de sistemas avanzados, seguirá mejorando el rendimiento y la aplicabilidad de las bombas de calor de fuente de aire.

Gracias a la innovación y la investigación continuas, las bombas de calor de fuente de aire se están volviendo más robustas, eficientes y adecuadas para una gama más amplia de climas y aplicaciones. La integración de tecnologías de compresión avanzadas y el cambio a refrigerantes ambientalmente benignos son fundamentales para esta evolución, allanando el camino para soluciones de calefacción sostenibles y eficientes.

Conclusión

Las bombas de calor de fuente de aire están a la vanguardia de la tecnología de calefacción y refrigeración y ofrecen una alternativa sostenible y eficiente a los sistemas tradicionales. Mediante la adopción de tecnologías de compresión multietapa y refrigerantes respetuosos con el medio ambiente, estos sistemas evolucionan continuamente para proporcionar un mejor rendimiento, adaptabilidad y un menor impacto ambiental. Gracias a la investigación e innovación continuas, las bombas de calor de fuente de aire se convertirán en una opción aún más atractiva para una amplia gama de aplicaciones residenciales y comerciales, impulsando el futuro de la calefacción y la refrigeración sostenibles.