Bombas de calor y su aplicación en procesos industriales

Introducción

Las bombas de calor se han convertido en una tecnología preferida en el sector energético industrial por su alta eficiencia. A medida que los costos energéticos aumentan, las industrias buscan reducir su consumo energético, y estos equipos ofrecen una solución viable. Estas máquinas transfieren calor de un sistema de menor temperatura a otro de mayor temperatura mediante un ciclo de refrigeración, capturando calor de una fuente natural como el aire, el agua o el suelo.

Esta tecnología tiene aplicaciones que abarcan desde el aire acondicionado y la calefacción urbana hasta procesos industriales como secado, lavado y pasteurización, consolidándose como una opción clave para optimizar el consumo energético y reducir emisiones.

Funcionamiento de una bomba de calor

Su funcionamiento se basa en un ciclo termodinámico que involucra cuatro componentes clave: el evaporador, el compresor, el condensador y la válvula de expansión.

El ciclo comienza con la absorción de calor del entorno en el evaporador, donde un refrigerante especial captura esa energía térmica. Posteriormente, el refrigerante se comprime, elevando su temperatura para luego transferir el calor al sistema que lo requiere mediante el condensador. Finalmente, el refrigerante se expande, disminuyendo su temperatura y presión, y está listo para repetir el ciclo.

Este ciclo no contradice la segunda ley de la termodinámica, ya que la transferencia de calor hacia una fuente más caliente se logra mediante el uso de energía mecánica, aportada por el compresor. Como refrigerantes se emplean sustancias con puntos de ebullición bajos, entre las que destacan el CO₂, un refrigerante natural con un bajo impacto ambiental y un excelente rendimiento en sistemas de alta eficiencia.

Clasificación de las bombas de calor

Las bombas de calor se clasifican según el mecanismo de transferencia de calor:

1. Bombas de calor de compresión: Utilizan el ciclo de compresión-expansión del refrigerante para asegurar una transferencia eficiente de energía térmica.
2. Bombas de calor de absorción: Incorporan un absorbedor y un enfriador, mejorando la eficiencia en aplicaciones a gran escala.

Ventajas del CO₂ en las bombas de calor

El uso del CO₂ como refrigerante en bombas de calor de alta temperatura, que operan en ciclos transcríticos, es una alternativa atractiva en aplicaciones industriales. Con un Coeficiente de Rendimiento (COP) que puede superar 5, estas bombas ofrecen una eficiencia muy superior a la de calderas convencionales, ya sean eléctricas, de gas o de carbón.

Además, al ser un refrigerante natural, el CO₂ no contribuye al calentamiento global ni afecta la capa de ozono, lo que refuerza su papel en la transición hacia una economía baja en carbono.

Ciclo transcrítico con CO₂ en bombas de calor

El término transcrítico se refiere a un ciclo termodinámico que opera tanto por debajo como por encima del punto crítico del refrigerante utilizado, en este caso, el dióxido de carbono (CO₂).

Punto crítico: Es el punto en el que una sustancia no puede existir simultáneamente en fase líquida y gaseosa. Para el CO₂, este punto crítico se encuentra a unos 31 °C y 73,8 bares de presión.

En un ciclo transcrítico:

1. Fase subcrítica: El refrigerante (CO₂) se comporta como un gas y un líquido en las etapas iniciales, por debajo de su punto crítico.
2. Fase supercrítica: En las etapas más avanzadas del ciclo, el CO₂ alcanza temperaturas y presiones superiores a su punto crítico, donde ya no se comporta ni como un gas ni como un líquido, sino como un fluido supercrítico.

Este tipo de ciclo es ventajoso en aplicaciones de bombas de calor de alta temperatura porque el CO₂ puede transferir calor de manera muy eficiente cuando se encuentra en su estado supercrítico. En el ciclo transcrítico, el CO₂ se comprime a presiones elevadas, generando temperaturas suficientemente altas para aplicaciones industriales exigentes, como la generación de vapor o la calefacción de procesos.

En este ciclo, el CO₂ actúa como un fluido supercrítico cuando alcanza presiones y temperaturas por encima de su punto crítico. Esto le permite absorber y liberar grandes cantidades de calor con una alta eficiencia energética.

A diferencia de los ciclos tradicionales, que operan en fases líquidas y gaseosas bien definidas, el ciclo transcrítico permite que el CO₂ trabaje en un estado donde no se comporta estrictamente como un gas ni como un líquido, sino como una combinación de ambos.

Ciclo transcrítico con CO₂: Ventajas para aplicaciones industriales

1. Altas temperaturas de salida: Es ideal para procesos que requieren temperaturas superiores a 100 °C, como la generación de vapor industrial.
2. Alta eficiencia: El Coeficiente de Rendimiento (COP) puede superar los 5, lo que se traduce en un ahorro energético significativo en comparación con calderas convencionales.
3. Bajo impacto ambiental: Al utilizar CO₂ como refrigerante, una sustancia natural con un Potencial de Calentamiento Global (GWP) de 1, se eliminan los problemas asociados a los refrigerantes sintéticos que dañan la capa de ozono o contribuyen al calentamiento global.

Gracias a estas características, el ciclo transcrítico se ha consolidado como una opción tecnológica clave en la descarbonización de procesos industriales y en la transición hacia un uso más sostenible de la energía.

Aplicaciones industriales

Las bombas de calor se utilizan cada vez más en procesos industriales que requieren energía térmica, como la generación de vapor, el secado de materiales o la calefacción de grandes volúmenes de agua. Son especialmente útiles en industrias como la alimentaria, papelera y textil, donde la eficiencia energética es clave.

Por ejemplo, una bomba de calor de gran tamaño, con capacidades de hasta 30 MW, puede aprovechar fuentes de calor residuales —como aguas subterráneas o el calor de ríos y mares— para suministrar energía a procesos de calefacción urbana o industrial, mejorando la sostenibilidad del sistema energético.

Casos de éxito

En Europa, proyectos como el SPIRIT, apoyados por la Unión Europea, han mostrado resultados notables en la descarbonización de la industria alimentaria y papelera mediante el uso de bombas de calor de alta temperatura. Además, la empresa Geelen Counterflow ha reportado una reducción del 99% en emisiones de CO₂ gracias al uso de bombas de calor para procesos de secado industrial.

Conclusión

Las bombas de calor representan una de las soluciones más prometedoras para la reducción de emisiones y el ahorro energético en la industria. Al sustituir sistemas tradicionales por bombas de calor de alta eficiencia, no solo se optimiza el consumo de energía, sino que también se contribuye significativamente a los objetivos globales de descarbonización.

Con su creciente adopción, la tecnología de bombas de calor está lista para desempeñar un papel fundamental en la transición hacia un futuro energético más sostenible y limpio.

Referencias

1. https://www.carrier.com/residential/en/us/products/heat-pumps/what-is-a-heat-pump-how-does-it-work/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump
3. https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/how-do-heat-pumps-work
4. https://greenenergysolution.org/en/heat-pumps-en/working-principle/
5. https://unacademy.com/content/nda/studymaterial/physics/applications-of-heat-pump/
6. https://www.ehpa.org/news-and-resources/news/large-heat-pumps-the-future-proof-technology-for-the-new-industrial-revolution/