Bombas De calor PresentAcion Final

BOMBAS DE CALOR

El OBJETIVO PRINCIPAL ES PROPORCIONAR CALOR A

UN FOCO CALIENTE.

Curso de Refrigeración - IIMPI - FING - 2004

2

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


3

Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento

14

23

1

43

2


4

Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento


5

Bomba de calor funcionando en modo calentamiento

14

23

4

12

3


6

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

Cal/hr

T ext

Perdida ambiente

Capacidad Rerfg.

Pto equilib

rio


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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 frióCalor


15

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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COPc= Tf / (Tc –Tf )

Factor de Func.= Tc / (Tc –Tf )=

(Tc –Tf +Tf )/ (Tc –Tf )=1 + COPc

Factor funcionamiento mayor que uno

COP Vs. Factor de funcionamiento

W

TEMP.

Entropia

Tc

Tf

Factor de Funcionamiento (NH3)

-10C 10C Temp Exterior

3

6


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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


18

Bomba de calor funcionando en modo enfriamiento


19

Flujo y estado del refrigerante en modo enfriamiento


20

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.


23

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


24

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

2/1... phhCq fg

p


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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

Válvula termostática de expansión


26

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 termostática

El gráfico de la derecha muestra la relación entre presión y temperatura en el elemento termostático


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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


30

Funcionamiento del barril


31

Válvula inversora comandada por válvula solenoide


32

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


41

MODO CALOR – CÁLCULOS

CTCT

CTCT

QTcm

COPPotQCOP

COP

ηhhhh

η

η

segkgmQhhm

m

kWQWQQ

Q

fuentefuente

acac

agua

se

se

aguapagua

eléctentr

isis

is

refrrecrefr

refr

reccompentrrec

rec

º17 º21

º43 º38

:agua elcon Intercamb.

4.12

: Perform. de Coef.

%5.72

: Compresión Isentróp. Rend.

0870.0 )(

: Refrig. Másico Flujo

392.13

: RecibidoCalor

argarg

12

12

41


42

MODO FRÍO – DIAGRAMA de MOLLIER (o PH)


43

MODO FRÍO – DIAGRAMA TS


44

MODO FRÍO – CÁLCULOS

CTCT

CTCT

QTcm

COPPotQCOP

WPotfríoW

fríoPot

calorPotcalorW

COP

hhhh

segkgmQhhmm

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fuentefuente

acac

agua

se

se

aguapagua

eléct

abs

eléctcomp

compeléct

compeléct

compcomp

isisis

refrrecrefrrefr

entrcompabsentrentr

º34 º29

º9 º13

:agua elcon Intercamb.

58.3

3229 )(

)(

% 9.84 )()(

calor. modoen posee que al igualcompresor del orendimientun suponemos Entonces

frío modoen compresor elpor consumida eléctrica Potencia la sobre datosposeen se No

:

% 9.57 :

0714.0 )( :

308.14 :

argarg

12

12

41


45

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:

1. Subenfriamiento: 1% cada 2 ºC de subenf

2. 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).


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RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR Se utilizan básicamente 2 tipos de compresores:1. 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.

2. 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 COP=6 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

•Mejora en eficiencia•Menor costo de mantenimiento que otros tipos de sumidero

•Larga vida útil

•Menos ruidosos que equipos con torres o condensadores evaporativos.


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Tipos de intercambiadores geotérmicos


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Cuadro comparativoTubos 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 > 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 abiertoExpansión directa

Profundidad 1,8 a 2,4 m50 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 N/A

Capacidad de intercambio

300 ft por TR 1.5 a 3 gpm por TR100-150 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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Temperatura del suelo

•Impacto en la eficiencia

•Determina el tamaño del GHE

Variación con el clima anual

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

Cooling Heating

Water-Source Heat Pumps ISO-13256-1(a) <17kBtuh

Standard 86ºF (30ºC)11.2 EER ---

Standard 68ºF (20ºC) --- 4.2 COP

>=17 kBtuh and <65 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 11.2 EER ---


>=65 kBtuh and <135 kBtuh Standard 86ºF (30ºC) 12.0 EER ---


Groundwater-Source Heat Pumps ISO-13256-1 <135 kBtuh Standard 59ºF (15ºC) 16.2 EER

Standard 68ºF (20ºC) 4.2 COP

Ground-Source Close-Loop Heat Pumps ISO-13256-1 <135 kBtuh Standard 77ºF (25ºC) 13.4 EER ---


(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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Cuadro comparativode inversión

Griffiss AFB, NYConventional

SystemAir-Source Heat

PumpGround-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)

252,9081,481

110,38011,901

1,6546,5554,200

05,562

1,413,2074,355

04,822

Energy Costs ($/yr)ElectricityDemandNatural gasTotal energy

12,6458,160

59,60580,411

82,82823,142

0105,970

70,66023,996

094,656

O&M 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


65

Optimización de eficiencia – Minimización de irreversibilidades

Generación de entropía en una cañería: transición trubulento - laminar

522

3

2

2 )((Re).

32

Pr),((Re)

'

D

f

T

m

NukT

qS D

ff

f

Dfgen


66

Optimización de eficiencia – Minimización de irreversibilidades

Caso 2 – Calor transferido constante


67

Minimización del trabajo – Relación de temperaturas óptima

)()(

)()(

eLee

Hccc

ec

TTUAq

TTUAq

qqW

c

cc

aW

)1(2

*

c

e

L

H

e

cc

Re

UA

UAa

T

T

T

T

TUA

WW

)(

)(1

)(*

Luego:

Donde:La relación de temperaturas que minimiza el trabajo es:

optc,

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

)()(

)()(

)(

)(

1

Hccc

eLee

T

e

cc

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L

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L

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TTUAq

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qS

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ADqBUAxq

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A

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etHegen

)()(

11

)(

)( 2*

Se puede escribir

Donde:

),,,,)(,(,,,,

*

eHLT

L

e

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qTTUAxfctesEDCBA

Tq

SS


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,

Qe=1000W, Th=303K y Tl=293K


71

COP y eficiencia 2º ppio para una bomba de calor real e ideal

rev

irrII COP

COP

Bombas De calor PresentAcion Final

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