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8.4: Ciclos Termodinámicos, Revisitados

  • Page ID
    86200
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Concluimos el Capítulo 7 con una discusión sobre la realización de ciclos termodinámicos. Ahora vamos a investigar qué, si acaso, puede decirnos la ecuación contable de entropía sobre el desempeño de los ciclos termodinámicos.

    8.4.1 Ciclos de potencia

    Considerar que un ciclo de energía que opera entre una temperatura alta\(T_{\mathrm{H}}\) y una temperatura más baja\(T_{\mathrm{L}\). (See Figure \(\PageIndex{1}\).) Recall that a power cycle es un ciclo termodinámico que tiene una salida de potencia neta mientras intercambia energía por transferencia de calor en sus límites. Nuestro objetivo es examinar cómo el cambio de las temperaturas límite y la tasa de producción de entropía influyen en el rendimiento del ciclo: la eficiencia térmica del ciclo de energía.

    Un ciclo de energía tiene transferencia de calor entrando al sistema a través de un límite a temperatura T_H. El trabajo de salida sale del sistema, y la transferencia de calor de salida sale del sistema a través de un límite a la temperatura T_L.

    Figura\(\PageIndex{1}\): Ciclo de alimentación que opera entre\(T_{\mathrm{H}}\) y\(T_{\mathrm{L}}\).

    Lo primero que tenemos que hacer es ver qué nos dicen la conservación de la energía y la contabilidad de entropía sobre este ciclo de energía. Primero, aplicamos la ecuación de conservación de energía:\[\underbrace{ \cancel{\frac{dE_{\text{sys}}}{dt}}^{=0} }_{\text{Steady-state}} = \dot{Q}_{\text{H, in}} - \dot{Q}_{\text {L, out}} - \dot{W}_{\text {net, out}} \quad \rightarrow \quad \dot{W}_{\text {net, out}} = \dot{Q}_{\text{H, in}} - \dot{Q}_{\text {L, out}} \nonumber \]

    No es sorprendente, encontramos que la salida de energía neta es solo la diferencia entre la tasa de transferencia de calor en el ciclo y la tasa de transferencia de calor fuera del ciclo. A continuación aplicamos la ecuación de contabilidad de entropía:\[\underbrace{ \cancel{\frac{d S_{\text{sys}}}{dt}}^{=0} }_{\text{Steady-state}} = \frac{\dot{Q}_{\text {H, in}}}{T_{\text{H}}} - \frac{\dot{Q}_{\text {L, out}}}{T_{L}} + \dot{S}_{gen} \quad \rightarrow \quad \frac{\dot{Q}_{\text {L, out}}}{T_{\text{L}}} = \frac{\dot{Q}_{\text {H, in}}}{T_{\text{H}}} + \dot{S}_{gen} \nonumber \] Aquí descubrimos que la tasa de transferencia de entropía fuera del ciclo por transferencia de calor\(T_{\mathrm{L}}\) es igual a la tasa de transferencia de entropía al ciclo a\(T_{\mathrm{H}}\) más la tasa de generación de entropía dentro del ciclo de energía.

    Si reescribimos la Ec. \(\PageIndex{2}\)y resolver para la tasa de producción de entropía que tenemos\[\dot{S}_{gen} = \frac{\dot{Q}_{\text {L, out}}}{T_{\text{L}}} - \frac{\dot{Q}_{\text {H, in}}}{T_{\text{H}}} \geq 0 \nonumber \] Para mantener la tasa de generación de entropía en la discusión, podemos combinar Eqs. \(\PageIndex{1}\)y\(\PageIndex{2}\) eliminando la transferencia de calor fuera del sistema,\(\dot{Q}_{\text {L, out}}\), de ambas ecuaciones:\[\begin{aligned} \left.\begin{array}{c} \dot{Q}_{\text {L, out}} = \dot{Q}_{\text{H, in}} - \dot{W}_{\text {net, out}} \\ \dot{Q}_{\text {L, out}} = T_{\text{L}}\left(\dfrac{\dot{Q}_{\text{H, in}}}{T_{\text{H}}} + \dot{S}_{gen}\right) \end{array}\right\} \quad \rightarrow \quad \dot{Q}_{\text{H, in}} - \dot{W}_{\text {net, out}} &= T_{\text{L}} \left(\frac{\dot{Q}_{\text {H, in}}}{T_{\text{H}}} +\dot{S}_{gen}\right) \\ \dot{W}_{\text {net, out}} &= \dot{Q}_{\text{H, in}} - T_{\text{L}} \left(\frac{\dot{Q}_{\text {H, in}}}{T_{\text{H}}} +\dot{S}_{gen}\right) \end{aligned} \nonumber \]

    La reorganización da la siguiente relación para la salida de potencia neta del ciclo de potencia:\[\dot{W}_{\text {net, out}} = \dot{Q}_{\text {H, in}}\left(1-\frac{T_{\text{L}}}{T_{\text{H}}}\right) - \left(T_{\text{L}} \dot{S}_{gen}\right) \nonumber \] Resolver la eficiencia térmica del ciclo de potencia da lo siguiente:\[\eta=\frac{\dot{W}_{\text {net, out}}}{\dot{Q}_{\text{H, in}}} = \left[1-\frac{T_{\text{L}}}{T_{\text{H}}}\right] - \underbrace{\left(\frac{T_{\text{L}} \dot{S}_{gen}}{\dot{Q}_{\text {H, in}}}\right)}_{\text {Always} \geq 0} \leq 1 \nonumber \] Ahora estamos en condiciones de examinar el rendimiento de nuestro ciclo de energía.

    Investigación del rendimiento del ciclo de energía

    Usando la Eq. \(\PageIndex{5}\), responda las siguientes preguntas sobre el rendimiento del ciclo de energía antes de continuar su lectura:

    (a) Si las temperaturas y la tasa de transferencia de calor de entrada son fijas, ¿cómo podemos aumentar la eficiencia térmica?

    b) ¿Un ciclo de energía reversible o irreversible da el mejor rendimiento?

    c) ¿Cuál es el valor máximo teórico de la eficiencia térmica si se fijan las temperaturas y la tasa de transferencia de calor de entrada? (Esto se conoce como la eficiencia de Carnot.) ¿Es sorprendente que tu respuesta solo dependa de las temperaturas?

    d) ¿Cómo podemos incrementar el valor numérico de la máxima eficiencia térmica?

    (e) Una planta de vapor típica es un ciclo periódico de circuito cerrado donde el agua circula en un circuito cerrado formado por una caldera, una turbina de vapor, un condensador y una bomba de alimentación de caldera. La transferencia de calor a alta temperatura de la energía al ciclo ocurre en la caldera, y la transferencia de calor a baja temperatura de la energía fuera del ciclo ocurre en el condensador.

    • ¿Cuáles son los límites físicos en los valores de\(T_{\mathrm{H}}\), la alta temperatura a la que el ciclo de energía recibe energía por transferencia de calor?
    • ¿Cuáles son los límites físicos en los valores de\(T_{\mathrm{L}}\), la baja temperatura a la que el ciclo de energía rechaza la energía por transferencia de calor?

    Si no intentó responder a las preguntas anteriores, por favor regrese y pruébelas antes de leer más. Esta es una gran oportunidad para aprender algo nuevo por tu cuenta. ¡No te lo pierdas!

    Ahora repasemos lo que deberías haber descubierto de tu investigación sobre el rendimiento del ciclo de energía. Si la tasa de transferencia de calor de entrada y las temperaturas límite son fijas, la única manera de mejorar el rendimiento de este ciclo de energía es reducir la tasa de producción de entropía. En el límite de un proceso internamente reversible, la eficiencia térmica alcanza un valor máximo llamado eficiencia Carnot:\[\eta_{\max} = 1-\frac{T_{L}}{T_{H}}<1 \quad\quad \begin{array}{c} \text { Carnot } \\ \text{ Efficiency } \end{array} \nonumber \] donde\(T_{L}\) y\(T_{H}\) son ambas temperaturas termodinámicas. Así, la eficiencia de un ciclo de potencia ideal que intercambia energía por transferencia de calor con el entorno a dos temperaturas solo depende de las temperaturas. [Tenga en cuenta cuidadosamente que la Ec. \(\PageIndex{6}\)solo es válido para un ciclo de energía con transferencia de calor a dos temperaturas. Se debe desarrollar una ecuación diferente para los ciclos de potencia que tienen transferencia de calor a más de dos temperaturas.] Esta es exactamente la conclusión que Sadi Carnot resumió en los Principios Carnot dados anteriormente en la Sección 8.1.1.

    Deténgase por un momento y considere la importancia de la eficiencia de Carnot. ¡Este es un resultado bastante sorprendente! Implica que no importa qué tipo de ciclo de energía construya, no importa qué fluido de trabajo seleccione, y no importa cuánto dinero gaste, la eficiencia de su ciclo de energía nunca podrá superar la predicha por la eficiencia de Carnot. Y además, te puedo decir ahora mismo con un cálculo muy sencillo la máxima eficiencia posible que puedas lograr si solo me darás las dos temperaturas entre las que opera tu ciclo.

    Ejemplo: Eficiencias de algunos ciclos de potencia ideales

    Calcule la eficiencia de Carnot para los siguientes ciclos de potencia que operan entre dos temperaturas. Tenga en cuenta que normalmente la eficiencia real de un ciclo de potencia es aproximadamente\(25 \text{-} 50 \%\) del valor ideal.

    (a) Una central eléctrica de vapor recibe transferencia de calor en la caldera\(1000^{\circ} \mathrm{F} \ \left(1460^{\circ} \mathrm{R}\right)\) y rechaza energía por transferencia de calor en\(140^{\circ} \mathrm{F} \ \left(600^{\circ} \mathrm{R}\right)\).

    b) El primer buque mercante estadounidense de propulsión nuclear fue el N. S. Savannah. El sistema de propulsión de energía nuclear utilizó la fisión nuclear para proporcionar la fuente de calor para hervir el agua en el reactor. El agua en la caldera recibió energía por transferencia de calor a una temperatura media de\(508^{\circ} \mathrm{F} \ \left(968^{\circ} \mathrm{R}\right)\) y la transferencia de calor fue rechazada en el condensador a una temperatura de\(347^{\circ} \mathrm{F} \ \left(807^{\circ} \mathrm{R}\right)\).

    ¿Por qué alguien se conformaría con una eficiencia tan baja? ¿Qué ventaja compensatoria tenía un sistema de combustible nuclear para un barco?

    (c) Su vecino tiene un ciclo de energía solar que recibe energía por transferencia de calor de un colector solar en su techo. La temperatura máxima del colector solar es\(95^{\circ} \mathrm{C} \ (368 \mathrm{~K})\) y el ciclo de energía rechaza la energía por transferencia de calor a un estanque en su patio trasero en\(15^{\circ} \mathrm{C} \ (288 \mathrm{~K})\).

    ¿Cómo podría justificar gastar dinero para construir un sistema con una eficiencia tan baja? (Recuerde que la eficiencia real suele ser\(25 \text{-} 50 \%\) del valor ideal).

    Ahora, ¿cómo podemos mejorar la eficiencia ideal de nuestro ciclo de energía? Dado que la eficiencia ideal solo depende de las temperaturas, debemos aumentar\(T_{\mathrm{H}}\) y disminuir\(T_{\mathrm{L}}\). Si bien esta es una idea perfectamente razonable, resulta que en la práctica las consideraciones físicas limitan nuestra capacidad de cambiar arbitrariamente estas temperaturas.

    La alta temperatura\(T_{\mathrm{H}}\) está limitada por dos factores. Primero, está limitado por la temperatura de la fuente de calor. Por ejemplo, un proceso de combustión que se encuentra en una caldera de carbón producirá típicamente una temperatura más alta que un colector solar de placa plana. Segundo, está limitado por las propiedades materiales de los componentes físicos del ciclo.

    Las limitaciones materiales son probablemente las más significativas para limitar la eficiencia de los ciclos prácticos de potencia. En algún momento el acero utilizado para fabricar un tubo de caldera para una planta de energía de combustible fósil se derretirá. Sin embargo, nunca podemos ni siquiera acercarnos a esta temperatura porque el agua está presurizada y la resistencia de los tubos que depende de la temperatura debe ser suficiente para resistir la presión del agua. (Un fenómeno interesante llamado fluencia es de gran interés para los diseñadores de calderas. Al igual que una banda elástica estirada se deformará lentamente con el tiempo, los tubos de caldera que están presurizados también se estirarán lentamente o se arrastrarán con el tiempo. Se utilizan extensos programas de prueba para garantizar que las calderas no fallen debido a la fluencia). Al diseñar centrales eléctricas de turbina de gas, las temperaturas de funcionamiento en la cámara de combustión están limitadas por la capacidad de la primera fila de álabes de turbina para soportar los gases calientes que salen de la cámara de combustión. Esta discusión sobre cómo los materiales limitan el rendimiento subraya la importancia de la ciencia de materiales en la ingeniería. (El diseño del aula que solo ocurre en papel parece separado de los materiales reales, pero cualquier ingeniero que haya tenido que construir lo que diseñó entiende el papel crucial que juegan los materiales en la ingeniería).

    La baja temperatura no\(T_{\mathrm{L}}\) suele estar sujeta a limitaciones de propiedad del material; sin embargo, sigue siendo limitada. Al construir un ciclo de energía que debe rechazar la energía por transferencia de calor, la temperatura\(T_{\mathrm{L}}\) debe ser mayor que la temperatura del disipador de energía final. En la superficie de la Tierra, el último sumidero de energía es la atmósfera, un lago, un río o un océano. Todos estos tienen temperaturas cercanas a lo que comúnmente se llama temperatura ambiente. Para obtener una temperatura significativamente por debajo de la temperatura ambiente se requiere el uso de un sistema de refrigeración y no es práctico. Así,\(T_{\mathrm{L}}\) se limita a la temperatura más baja que se produce naturalmente en los alrededores del ciclo de potencia.

    8.4.2 Ciclos de Refrigeración y Bomba de Calor

    Ahora queremos ver el rendimiento de los ciclos de refrigeración y bomba de calor. Como dijimos anteriormente, a estos a veces se les llama ciclos “invertidos” porque todas las interacciones de transferencia de calor y transferencia de trabajo se invierten de la de un ciclo de energía. Nuevamente restringiremos nuestra discusión a ciclos que intercambien energía por transferencia de calor con el entorno a solo dos temperaturas,\(T_{H}\) y\(T_{L}\).

    Un sistema tiene una entrada neta de trabajo, una entrada de transferencia de calor en un límite de una temperatura más baja y una salida de transferencia de calor en un límite de temperatura más alta.

    Figura\(\PageIndex{2}\): Refrigeración o Ciclo de Bomba de Calor operando entre\(T_{\mathrm{H}}\) y\(T_{\mathrm{L}}\).

    La figura\(\PageIndex{2}\) muestra un esquema que utilizaremos para modelar el comportamiento tanto de un ciclo de refrigeración como de un ciclo de bomba de calor. Recuerda que desde el punto de vista del rendimiento la única diferencia es qué transferencias de calor nos interesan. Para un ciclo de refrigeración, nos interesa la transferencia de calor al ciclo a baja temperatura\(T_{\text{L}}\). Para una bomba de calor, nos interesa la transferencia de calor fuera del ciclo a la alta temperatura\(T_{\text{H}}\).

    Las relaciones para predecir el coeficiente de rendimiento (COP) para ciclos de refrigeración y ciclos de bomba de calor se pueden desarrollar siguiendo un enfoque como el utilizado en la sección anterior para desarrollar la eficiencia térmica para un ciclo de energía. Aquí solo se presentarán los resultados finales de estos ciclos:

    Ciclo de refrigeración:\[\mathrm{COP}_{\text {Ref}} \equiv \frac{\dot{Q}_{\text{L}}}{\dot{W}_{\text {net, in}}} = \frac{T_{\text{L}}}{\left[\left(T_{\text{H}}-T_{\text{L}}\right) + T_{\text{L}}\left(\dfrac{T_{\text{H}} \dot{S}_{gen}}{\dot{Q}_{\text{L}}}\right)\right]} \nonumber \]

    Ciclo de bomba de calor:\[\mathrm{COP}_{\mathrm{HP}} \equiv \frac{\dot{Q}_{\text{H}}}{\dot{W}_{\text {net, in}}} = \frac{T_{\text{H}}}{\left[\left(T_{\text{H}}-T_{\text{L}}\right) + T_{\text{H}}\left(\frac{T_{\text{L}} \dot{S}_{gen}}{\dot{Q}_{\text{H}}}\right)\right]} \nonumber \] Como antes, ahora investigaremos el rendimiento ideal de estos ciclos.

    Rendimiento de ciclos de refrigeración y ciclos de bomba de calor —

    Responda las siguientes preguntas antes de continuar. Por las similitudes entre estos dos ciclos tiene sentido considerar su desempeño en paralelo.

    Ciclos de Refrigeración [Use Eq. \(\PageIndex{7}\)] Ciclos de Bomba de Calor [Use Eq. \(\PageIndex{8}\)]
    \ (\ pageIndex {7}\)]” class="lt-eng-81513"> (a) Suponiendo que las dos temperaturas límite y la tasa de transferencia de calor al ciclo son fijas, ¿cómo se puede aumentar la\(\mathrm{COP}_{\text{Ref}}\)? \ (\ pageIndex {8}\)]” class="lt-eng-81513"> (a) Suponiendo que las dos temperaturas límite y la tasa de transferencia de calor fuera del ciclo son fijas, ¿cómo se puede aumentar la\(\mathrm{COP}_{\text{HP}}\)?
    \ (\ pageIndex {7}\)]” class="lt-eng-81513"> (b) Suponiendo que las dos temperaturas límite y la tasa de transferencia de calor al ciclo son fijas, ¿cuál es el máximo posible\(\mathrm{COP}_{\text {Ref}}\)? \ (\ pageIndex {8}\)]” class="lt-eng-81513"> (b) Suponiendo que las dos temperaturas límite y la tasa de transferencia de calor fuera del ciclo son fijas, ¿cuál es el máximo posible\(\mathrm{СОР}_{\text{HP}}\)?
    \ (\ pageIndex {7}\)]” class="lt-eng-81513"> (c) En base a este resultado, ¿por qué crees que los refrigeradores criogénicos son muy caros de funcionar? \ (\ pageIndex {8}\)]” class="lt-eng-81513"> (c) Con base en este resultado, ¿por qué crees que las bombas de calor eléctricas son más fáciles de vender en Knoxville, TN que en Minneapolis, MN?

    De nuevo, por favor intente responder estas preguntas antes de continuar.

    Antes de examinar el rendimiento ideal de un ciclo de refrigeración nos pagará mirar un refrigerador o congelador típico y ver cómo este dispositivo familiar se relaciona con nuestro ciclo de refrigeración. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra los componentes principales de un refrigerador o congelador.

    Un refrigerador se representa como una caja aislada, cuya temperatura interior es T_fría. El calor se transfiere desde el interior del refrigerador a un ciclo de refrigeración a través de un límite de temperatura T_L. El ciclo también tiene una entrada neta de trabajo y una transferencia de calor de salida a través de un límite de temperatura T_H desde el ciclo a la habitación circundante. El calor de la habitación “gotea” al refrigerador a través del aislamiento.

    Figura\(\PageIndex{3}\): Cómo se utiliza un ciclo de refrigeración para mantener frío el interior de un refrigerador o congelador.

    Un refrigerador simple consiste en una caja aislada y un ciclo de refrigeración. El límite de baja temperatura del ciclo de refrigeración está dentro de la caja aislada, y típicamente forma una porción de la pared interna de la caja aislada. La entrada de energía\(\dot{W}_{\text {net, in}}\) se logra enchufando el ciclo a una toma de corriente de pared. La transferencia de calor de energía fuera del ciclo de refrigeración ocurre en una superficie\(T_{\mathrm{H}}\) límite de alta temperatura que está físicamente fuera de la caja aislada. Antes de encender un refrigerador,\(T_{\text {cold}}=T_{\mathrm{L}}=T_{\mathrm{H}}=T_{\text {room}}\). Después de encender el refrigerador,\(T_{\mathrm{H}}\) comienza a aumentar por encima\(T_{\text {room}}\) y\(T_{\mathrm{L}}\) comienza a caer por debajo\(T_{\text {room}}\). El sistema que incluye el “espacio frío” alcanza el estado estacionario cuando el “calor” que se escapa a través del aislamiento térmico es igual al \(\dot{Q}_{\text {L, in}}\)entrar en el ciclo de refrigeración. En estado estacionario,\(T_{\text {cold}}>T_{\mathrm{L}}\) y\(T_{\mathrm{H}}>T_{\text {room}}\). obviamente, si tuviéramos un aislante térmico perfecto entonces todo lo que tendríamos que hacer es enfriar el “espacio frío” a la temperatura adecuada y apagar el ciclo. Desafortunadamente no hay un aislante térmico perfecto, y su refrigerador se enciende y apaga para mantener una temperatura interior especificada.

    El COP ideal para un ciclo de refrigeración que intercambia energía por transferencia de calor a solo dos temperaturas límite ocurre para un ciclo internamente reversible:\[ \mathrm{COP}_{\text{Ref, max}} = \frac{T_{\text{L}}}{T_{\text{H}} - T_{\text{L}}} = \frac{T_{\text{L}} / T_{\text{H}}}{1 - T_{\text{L}} / T_{\text{H}}} \quad\quad \begin{array}{c} \text{Ideal} \\ \text{Refrigerator Cycle} \end{array} \nonumber \] La alta temperatura para un sistema de refrigeración típico es la temperatura más baja que ocurre naturalmente en los alrededores, típicamente temperatura ambiente. Así, para un fijo\(T_{\mathrm{H}}\), el COP ideal de un ciclo de refrigeración disminuye a medida que baja la temperatura fría.

    Elemento Interactivo

    ¿Cuál sería el COP ideal para un ciclo de refrigeración criogénica que opera entre\(T_{\text{H}}=300 \mathrm{~K}\) y\(T_{\text{L}}=2 \mathrm{~K}\)? ¿Esto explica por qué los materiales que se convierten en superconductores en\(150 \mathrm{~K}\) instead of \(2 \mathrm{~K}\) son de tanto interés?

    Se utiliza una bomba de calor para calentar una habitación a temperatura T_habitación. El ciclo de la bomba de calor tiene una entrada neta de trabajo y transferencia de calor desde el enfriador al exterior al ciclo, a través de un límite a temperatura T_L El ciclo emite calor a la habitación, a través de un límite a temperatura T_H entre el ciclo y la habitación.

    Figura\(\PageIndex{4}\): Cómo se usa un ciclo de bomba de calor para calentar una casa.

    La figura\(\PageIndex{4}\) muestra un esquema de una bomba de calor y una casa que está calentando. Como puede ver, el ciclo de la bomba de calor rechaza la energía por transferencia de calor al espacio acondicionado en un límite con alta temperatura\(T_{\text{H}}\) y recibe energía del exterior en un límite con una temperatura baja\(T_{\text{L}}\) fuera del espacio acondicionado. En condiciones de estado estacionario, “calor” sale de la habitación a través de las paredes y hay una transferencia de calor de energía a la habitación (y fuera del ciclo) en\(T_{\mathrm{H}}>T_{\text {room}}\). El ciclo también recibe una transferencia de calor de energía al ciclo (y fuera de los alrededores) así\(T_{\text{L}}<T_{\text {outdoors}}\) como una entrada de energía neta. (En días muy fríos, la superficie exterior de transferencia de calor puede estar por debajo del punto de congelación y escarcha. En climas fríos, las bombas de calor deben tener una capacidad de descongelación al igual que el compartimento congelador en un refrigerador).

    El COP ideal para un ciclo de bomba de calor que intercambia energía por transferencia de calor a solo dos temperaturas límite ocurre para un ciclo internamente reversible:\[\mathrm{COP}_{\text{HP, max} = \frac{T_{\text{H}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{L}}} = \frac{1}{1-T_{\text{L}} / T_{\text{H}}} \quad\quad \begin{array} \text{Ideal} \\ \text {Heat Pump Cycle} \nonumber \] La alta temperatura para un sistema de bomba de calor residencial es algo por encima de la temperatura del aire necesaria para la comodidad humana. La baja temperatura, debido a que debe estar por debajo de la temperatura ambiente del aire exterior, está a merced del clima diario y de las condiciones climáticas promedio. Algunas instalaciones de bombas de calor utilizan el agua subterránea como fuente de energía\(T_{L}\) para minimizar estas fluctuaciones.

    Elemento Interactivo

    ¿Dónde tendría una bomba de calor un COP más alto en promedio, en Knoxville o Minneapolis? ¿En cuánto se diferenciarían?

    Para cualquier instalación, el COP ideal siempre disminuirá a medida que baje la temperatura exterior. Esto significa que cuando más lo necesitas una bomba de calor tiene el peor rendimiento. Debido a esto, la mayoría de las instalaciones de bombas de calor incluyen un conjunto de bobinas de calentamiento de resistencia eléctrica para proporcionar calefacción auxiliar del aire en los días más fríos. De hecho, a medida que\(T_{\text{L}}\) cae el rendimiento de una costosa bomba de calor eléctrica se acerca al de un horno de resistencia eléctrica menos costoso. Entonces, ¿por qué la gente compra bombas de calor? Si tu alternativa es un horno de resistencia eléctrica, una bomba de calor eléctrica es mucho más económica de operar. También se puede utilizar el mismo equipo para acondicionar la casa. (¿Qué tendría que hacer físicamente para cambiar un sistema de bomba de calor en un acondicionador de aire?)


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