Ciencia

Bombas de calor: el sistema centenario ahora en el centro de la estrategia energética del Gobierno

EDF explica cómo funcionan las bombas de calor de fuente de aire

Las bombas de calor son dispositivos que funcionan como un refrigerador a la inversa, moviendo el calor desde el aire o el suelo fuera de un edificio hacia el interior, a través de la circulación de un refrigerante. En el caso de una bomba de calor de fuente de aire, por ejemplo, la energía térmica de la atmósfera, aunque puede ser más fría que el aire dentro del edificio en cuestión, es lo suficientemente caliente como para hacer que el refrigerante líquido se evapore y se convierta en gas. Luego, este gas pasa a través de un compresor, que aumenta la presión del gas y hace que su temperatura aumente al mismo tiempo. El calor del gas se puede usar para calentar el edificio, mientras que el refrigerante se enfría y vuelve a su estado líquido original, lo que permite que el proceso comience de nuevo.

Los orígenes de los principios científicos que subyacen a las bombas de calor se remontan a la Ilustración escocesa del siglo XVIII y principios del XIX.

En 1756, el profesor químico William Cullen de la Universidad de Edimburgo hizo la primera demostración pública de refrigeración artificial.

Creó una pequeña cantidad de hielo usando una bomba para crear un vacío parcial sobre un recipiente de éter dietílico, bajando su punto de ebullición hasta que hirvió y absorbiendo el calor de su entorno en el proceso.

Sin embargo, a pesar del éxito de la prueba de concepto, el proceso de refrigeración del Prof. Cullen no encontró ninguna aplicación comercial.

Casi un siglo después, en 1852, el matemático británico William Thomson, Baron Kelvin, desarrolló la idea y propuso un dispositivo que podría bombear energía desde una región de baja temperatura, por ejemplo, al aire libre, a una más cálida quemando combustible para hacer el trabajo.

De esta forma, las bombas de calor pueden extraer calor de un ambiente más frío sin violar la segunda ley de la termodinámica, que postula que la entropía siempre aumenta.

Las bombas de calor tienen una historia que se remonta a más de dos siglos y tiene una gran influencia británica (Imagen: Getty Images)

Un diagrama de cómo funcionan las bombas de calor.

Las bombas de calor funcionan como un refrigerador a la inversa, moviendo el calor desde el exterior hacia el interior (Imagen: Getty Images)

La primera bomba de calor real fue lanzada por el ingeniero austriaco Peter von Rittinger cuatro años más tarde, en 1856, aunque se refirió a ella como una «bomba de vapor».

Como dice el aforismo, la necesidad es la madre de la invención, y la máquina se creó para proporcionar un medio económicamente viable para que las salinas de Ebensee extrajeran sal de la salmuera ante la escasez local de combustible.

Una vez calentado a 212F (100C) para poner en marcha el proceso, este recipiente de vapor cerrado aprovechó el calor latente del vapor de agua que se evaporó de la salmuera para calentar aún más la salmuera.

La clave del sistema era un compresor mecánico, impulsado por una rueda de agua, que aumentaba la presión y la temperatura del vapor antes de alimentarlo a una cavidad debajo del recipiente de salmuera.

De esta manera, el agua se acumularía en la cavidad a medida que la sal se precipitara en el recipiente de arriba.

La bomba de vapor tiene una diferencia notable con respecto a sus sucesores del sistema de calefacción del hogar: específicamente en cómo el vapor de agua mezclado con la salmuera sirve como refrigerante y líquido a calentar.

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william cullen

En 1756, William Cullen hizo la primera demostración pública de refrigeración artificial (Imagen: Dominio público)

William Thomson, Barón Kelvin

Lord Kelvin propuso un dispositivo que podría bombear energía de una región de baja temperatura a una más cálida (Imagen: Dominio público / Messrs. Dickinson, Londres, New Bond Street)

Impulsando este concepto con un compresor de pistón de dos fases, el físico suizo Antoine-Paul Piccard de la Universidad de Lausana y el ingeniero Jules Weibel construyeron un sistema de compresión de vapor que se instaló en las salinas de Bex en 1877.

Este no fue el único papel de Suiza en la historia de las bombas de calor. En 1928, el ingeniero eslovaco Aurel Stodola construyó una bomba de calor de circuito cerrado que usaba agua del lago de Ginebra para calentar el ayuntamiento de Ginebra. Todavía funciona hasta el día de hoy.

Y entre 1937 y 1945, las firmas Sulzer, Escher Wyss y Brown Boveri instalaron unas 35 bombas de calor en Suiza, una medida que ayudó a mitigar la escasez de carbón.

Uno de esos sistemas, la bomba Escher Wyss que calentaba el ayuntamiento de Zúrich, estuvo en servicio durante 63 años hasta que fue reemplazada por un modelo moderno en 2001.

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La bomba de calor de Norwich

La primera bomba de calor a gran escala del Reino Unido fue construida en Norwich por John Sumner (Imagen: Facebook / Finn Geotherm)

En el Reino Unido, la primera bomba de calor a gran escala fue improvisada a partir de piezas recuperadas por el ingeniero John Sumner para el Departamento Eléctrico del Ayuntamiento de Norwich en 1945.

El sistema, que empleaba agua del río Wensum adyacente y un refrigerante de dióxido de azufre, tenía una potencia máxima de 234 kW y podía hacer circular agua alrededor del edificio del departamento eléctrico a 122-131 F (50-55 C).

En 1948, Sumner también instaló 12 bombas de calor geotérmicas en hogares a instancias del rico filántropo británico Lord Nuffield, y desarrolló un sistema similar que utilizó para calentar su propia casa a principios de la década de 1950.

Al año siguiente, el ingeniero construyó una bomba de gas de dos etapas usando compresores modificados a partir de motores de aviones Merlin que usaban el río Támesis como fuente de calor para el Royal Festival Hall de Londres.

Como dijo el hidrogeólogo David Banks: “El proyecto de 2,5 MW a veces se describe como un pequeño fracaso, aunque no siempre se aclara que el problema fue que en realidad se entregó demasiado calor”.

La bomba, explicó, suministró “agua caliente hasta 82C [180F]».

Sin embargo, a pesar de la eficacia de estos sistemas, no se duplicaron ampliamente en el Reino Unido como resultado de la relativa baratura de los combustibles fósiles como el carbón y, más tarde, el petróleo y el gas del Mar del Norte, a diferencia de países nórdicos como Suecia, donde el desarrollo de la energía nuclear Los reactores en los años 70 y 80 facilitaron un impulso hacia métodos eficientes de calefacción alimentados por electricidad.

Como escribió el autor británico J Gordon Cook en la revista Spectator en 1948: “En estos días de progreso material, cuando se habla tanto de la ciencia como nuestra garantía de prosperidad, parece increíble que un dispositivo como el calor la bomba debería haber escapado a la atención que merece”.

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