Bomba de calor Frenette: diseño y principio de funcionamiento + ¿es posible construirla uno mismo?
Los aficionados a la artesanía siempre encontrarán aplicación a sus propias fuerzas, paciencia y materiales de desecho. Con componentes prácticamente gratuitos, podrán construir fácilmente un objeto extremadamente útil para el hogar.
Por ejemplo, podrán hacer una bomba de calor Frenette eficaz por sí mismos, sin gastar nada. A cambio, ampliarán su bagaje de conocimientos y su reserva de habilidades, y eso no tiene precio, ¿verdad?
La información presentada ayudará a comprender el principio de funcionamiento del equipo. Con nuestra ayuda, usted podrá decidir el diseño y aprender cómo se fabrica el modelo. Las instrucciones claras para la producción de este tipo de bomba de calor brindarán una ayuda efectiva a los artesanos domésticos independientes.
Presentamos recomendaciones prácticas para la fabricación de un dispositivo casero productivo y consejos para el funcionamiento de dicho equipo.
Contenido del artículo:
Principio de funcionamiento del dispositivo
Para quienes han estado en contacto con temas de calefacción económicamente ventajosa, el nombre “bomba de calor” es muy conocido. Especialmente en combinación con términos como “tierra-agua”, “agua-agua”, o “aire-agua”, etc.
Tal bomba de calor no tiene prácticamente nada en común con el dispositivo Frenette. Excepto el nombre y el resultado final en forma de energía térmica que finalmente se utiliza para la calefacción.
Las bombas de calor que funcionan según el principio de Carnot son muy populares tanto como una forma económicamente rentable de organizar la calefacción como un sistema ecológicamente seguro.
El funcionamiento de dicho conjunto de dispositivos está relacionado con la acumulación de energía de bajo potencial contenida en los recursos naturales (tierra, agua, aire) y su conversión en energía térmica de alto potencial.
El invento de Yevgeny Frenette está diseñado y funciona de manera completamente diferente.
El principio de funcionamiento de este dispositivo se basa en el uso de la energía térmica que se libera por fricción. La base de la estructura – superficies metálicas, no colocadas una contra otra, sino a cierta distancia. El espacio entre ellas se llena con líquido.
Las partes del dispositivo giran unas respecto a otras mediante un motor eléctrico; el líquido que se encuentra dentro del cuerpo y que está en contacto con los elementos giratorios se calienta.
El calor obtenido se puede utilizar para calentar el fluido caloportador. Algunas fuentes recomiendan usar este líquido directamente para el sistema de calefacción. Con mayor frecuencia, a la bomba casera de Frenette se le conecta un radiador común.
Como medio de transferencia de calor del sistema de calefacción, los especialistas recomiendan enfáticamente usar aceite, en lugar de agua.
Durante el funcionamiento de la bomba, este líquido tiende a calentarse mucho. El agua en tales condiciones puede simplemente hervir. El vapor caliente en un espacio cerrado crea una presión excesiva, lo que generalmente lleva a la rotura de tuberías o del cuerpo. Usar aceite en esta situación es mucho más seguro, ya que su temperatura de ebullición es considerablemente más alta.
Existe la opinión de que la eficiencia de dicho generador de calor supera el 100% e incluso puede alcanzar el 1000%. Desde el punto de vista de la física y las matemáticas, esta afirmación no es del todo correcta.
La eficiencia refleja las pérdidas de energía no destinadas a la calefacción, sino al funcionamiento del aparato. Más bien, las afirmaciones fenomenales sobre la increíblemente alta eficiencia de la bomba de Frenette reflejan su eficacia, que es realmente impresionante. Los costes de electricidad para el funcionamiento del aparato son insignificantes, mientras que la cantidad de calor obtenido es bastante notable.
Calentar el fluido caloportador a las mismas temperaturas con un calentador eléctrico para calefacción, por ejemplo, requeriría una cantidad significativamente mayor de electricidad, quizás decenas de veces más. Un calefactor doméstico con ese consumo de electricidad ni siquiera se calentaría.
¿Por qué no están equipados todos los locales residenciales e industriales con estos aparatos? Las razones pueden ser variadas.
En primer lugar, el agua es un fluido caloportador más simple y conveniente que el aceite. No se calienta a temperaturas tan altas, y es más fácil solucionar las consecuencias de una fuga de agua que limpiar el aceite derramado.
En segundo lugar, para cuando se inventó la bomba de Frenette, el sistema de calefacción centralizado ya existía y funcionaba con éxito. Desmantelarlo para reemplazarlo por generadores térmicos habría resultado demasiado costoso y habría causado muchas molestias, por lo que nadie consideró seriamente esa opción. Como se dice, lo mejor es enemigo de lo bueno.
Recomendaciones para el uso del aparato
Vale la pena señalar que existen variaciones de la bomba de Eugenio Frenette que utilizan agua como fluido caloportador. Pero normalmente se trata de grandes modelos industriales que se utilizan en empresas especializadas.
El funcionamiento de estos dispositivos se controla estrictamente mediante instrumentos especiales. Es prácticamente imposible garantizar un nivel similar de seguridad en condiciones domésticas.
La versión más popular de la bomba de Frenette, en la que se utiliza agua como fluido caloportador en lugar de aceite, es el dispositivo desarrollado por los científicos de Jabárovsk: Natalia Ivánovna Nazýrova, Mijaíl Pávlovich Leónov y Alejandro Vasílievich Síarg. En esta construcción con forma de hongo, el agua se lleva deliberadamente a ebullición y se convierte en vapor.
Luego se utiliza la fuerza reactiva del vapor para aumentar la velocidad de desplazamiento del fluido caloportador líquido a través de los canales de la bomba hasta 135 m/min. Como resultado, el consumo de energía para mover el fluido caloportador es mínimo y el rendimiento en forma de energía térmica es muy alto.
Sin embargo, esta unidad debe ser extremadamente resistente y su funcionamiento debe supervisarse constantemente para evitar accidentes.
¿Qué hacer si se planea organizar la calefacción de una habitación grande o de toda una casa con la bomba de Frenette? El agua – el fluido caloportador tradicional, la mayoría de los sistemas de calefacción están diseñados para ella. Además, llenar todo un sistema de calefacción con aceite líquido adecuado puede resultar costoso.
Este problema se resuelve de manera muy sencilla. Es necesario construir adicionalmente un intercambiador de calor común, en el que el aceite caliente calentará el agua que circula por el sistema de calefacción. Se perderá algo de calor, pero el efecto general seguirá siendo bastante notable.
Una idea interesante podría ser el uso de la bomba Frenette en combinación con el sistema de suelo radiante. El fluido caloportador se hace circular por estrechas tuberías de plástico colocadas en una capa de hormigón.
Este sistema de calefacción funciona igual que un suelo radiante de agua normal. Por supuesto, un proyecto de este tipo solo se puede realizar en una casa unifamiliar, ya que en edificios de apartamentos de gran altura solo se permite usar exclusivamente suelo radiante eléctrico.
Una forma práctica y cómoda de utilizar este aparato – la calefacción de una habitación pequeña: garaje, cobertizo, taller, etc. La bomba de Frenet permite resolver de manera eficaz y rápida el problema de la calefacción autónoma en dichos lugares.
El consumo eléctrico para su funcionamiento es bajo en comparación con el efecto térmico obtenido, y construir este aparato no es difícil con los materiales más simples.
Variantes de construcción de la bomba Frenette
Eugenio Frenet no solo inventó el dispositivo que lleva su nombre, sino que también lo perfeccionó en repetidas ocasiones, ideando variantes cada vez más eficientes del aparato.
En la primera bomba, que el inventor patentó en 1977, solo se utilizaron dos cilindros:
- exterior – un cilindro hueco de mayor diámetro que se encuentra en estado estático
- interior – el diámetro del recipiente es ligeramente menor que las dimensiones de la cavidad del cilindro exterior.
En el estrecho espacio resultante entre las paredes de los dos cilindros, el inventor vertió aceite líquido. Por supuesto, la parte de la estructura que contenía este fluido caloportador fue sellada cuidadosamente para evitar fugas de aceite.
El cilindro interior se conecta al eje del motor eléctrico de modo que gire rápidamente con respecto al cilindro grande estacionario. En el extremo opuesto de la estructura se colocó un ventilador con hélice.
Durante el funcionamiento, el aceite se calentaba y transfería calor al aire que rodeaba el dispositivo. El ventilador permitía distribuir rápidamente el aire caliente por todo el volumen de la habitación.
Dado que esta estructura se calentaba bastante, por comodidad y seguridad, fue oculta en una carcasa protectora. Por supuesto, se hicieron orificios en la carcasa para la circulación del aire.
Un complemento útil para el diseño fue un termostato, con el cual se podía automatizar hasta cierto punto el funcionamiento de la bomba de Frenet.
El eje central en este modelo de bomba de calor está dispuesto verticalmente. El motor está en la parte inferior, luego se instalan los cilindros anidados, y en la parte superior se encuentra el ventilador. Posteriormente apareció un modelo con disposición horizontal del eje central.
Precisamente este dispositivo se utilizó por primera vez en combinación no con un ventilador, sino con un radiador de calefacción. El motor está colocado en un lateral, y el eje del rotor pasa a través de un tambor giratorio y sale al exterior.
En este tipo de dispositivo no hay ventilador. El fluido térmico de la bomba se traslada por las tuberías al radiador. De manera similar, el aceite caliente puede dirigirse a otro intercambiador de calor o directamente a las tuberías de calefacción.
Posteriormente, el diseño de la bomba de calor Frenetta se modificó sustancialmente. El eje del rotor permaneció en posición horizontal, pero la parte interna se fabricó con dos tambores giratorios y un impulsor colocado entre ellos. Aquí se vuelve a utilizar aceite líquido como fluido térmico.
Al girar esta estructura, el aceite se calienta adicionalmente, ya que pasa a través de orificios especiales hechos en el impulsor y luego penetra en la estrecha cavidad entre las paredes de la carcasa de la bomba y su rotor. Así, la eficiencia de la bomba Frenetta se incrementó significativamente.
Sin embargo, cabe señalar que este tipo de bomba no es muy adecuado para fabricarlo en casa. Para empezar, será necesario encontrar planos fiables o calcular el diseño por uno mismo, y esto solo está al alcance de un ingeniero experimentado.
Luego será necesario encontrar un impulsor especial con orificios del tamaño adecuado. Este elemento de la bomba de calor funciona bajo cargas elevadas, por lo que debe estar fabricado con materiales muy resistentes.
Fabricación independiente del dispositivo
Una revisión de las variantes del dispositivo de la bomba Frenetta permite comprender que sus principios de funcionamiento, con cierto grado de eficiencia, pueden utilizarse en diseños de diferentes tipos y formas. La idea principal sigue siendo la misma: un espacio estrecho entre elementos metálicos, lleno de aceite, y la rotación mediante un motor eléctrico.
En condiciones domésticas, se fabrica con mayor frecuencia la bomba Frenett, que consiste en una serie de placas metálicas separadas por un estrecho espacio.
Para fabricar dicho dispositivo, es necesario preparar los materiales necesarios:
- un cilindro hueco de metal;
- un conjunto de discos de acero idénticos con un orificio en el centro;
- un conjunto de tuercas de 6 mm de altura;
- una varilla de acero con rosca:
- un motor eléctrico con eje alargado;
- un rodamiento;
- tubos de conexión.
Las dimensiones de la bomba pueden ser mayores o menores. Pero la distancia entre los discos debe mantenerse exacta – 6 mm. Como separadores se utilizan tuercas estándar, y la varilla de acero es el centro de la estructura.
Su grosor debe corresponder al diámetro de la tuerca. Si no se dispone de una varilla roscada a mano, habrá que roscarla simplemente.
Es evidente que el orificio en los discos debe ser tal que se puedan colocar libremente sobre la varilla axial. El diámetro exterior de los discos debe ser unos milímetros menor que el de la carcasa. Si no se dispone de elementos prefabricados, los discos se cortan por sí mismos de chapa metálica o se encarga este trabajo a un tornero.
La carcasa cilíndrica se puede hacer de un recipiente metálico viejo de configuración adecuada o soldarla de metal. También sirve un trozo de tubo metálico ancho.
A los extremos del cilindro se sueldan paredes. La carcasa debe ser hermética para que el aceite no gotee. En los extremos superior e inferior de la carcasa se deben hacer orificios adicionales: para la entrada y salida de los tubos de calefacción que conducen al radiador.
Por supuesto, todas las uniones de tuberías deben sellarse. Para las conexiones roscadas se utilizan selladores especiales: cinta de PTFE, estopa, etc. Si se decide usar tuberías de polipropileno, se necesitarán accesorios especiales y, posiblemente, un soldador para instalar dichas tuberías.
Para el funcionamiento de la bomba Frenett no se necesita un motor eléctrico de alto rendimiento. Sirve un dispositivo extraído de un electrodoméstico antiguo o averiado, por ejemplo, de un ventilador común.
La función principal del motor eléctrico – es hacer girar el eje. Una rotación excesivamente rápida puede provocar un funcionamiento incorrecto del dispositivo. Cuanto más rápido gira la estructura, más se calienta el refrigerante.
Para que la barra gire libremente, se necesita un cojinete adecuado de tamaño estándar. Cuando todos los elementos estén preparados, se puede comenzar el montaje del dispositivo. Primero, en la parte inferior dentro de la carcasa se instala un eje central con el cojinete. Luego se enrosca una tuerca separadora en el eje, después se coloca un disco, nuevamente – una tuerca, nuevamente – un disco, etc.
Los discos y las tuercas se alternan hasta que la carcasa esté llena hasta arriba. Ya en la etapa de preparación se pueden realizar cálculos preliminares sobre la cantidad de discos y tuercas necesarios.
Se debe sumar el grosor de la tuerca (6 mm) al grosor del disco. Dividir la altura de la carcasa por este número. El número resultante dará información sobre la cantidad necesaria de pares "tuerca+disco". La última en colocarse es la tuerca.
Una vez que la carcasa está llena de estos elementos móviles, se llena con aceite líquido. El tipo de aceite no importa; se puede usar aceite mineral, de algodón, de colza o cualquier otro aceite que tolere bien el calor y no se solidifique. Después, se cubre la estructura con la tapa superior y se suelda con cuidado.
En ese momento, las tuberías del radiador ya suelen estar conectadas a las tapas. Para mayor comodidad durante el montaje y mantenimiento posteriores del dispositivo, se pueden instalar dos válvulas de cierre en las tuberías. Ahora hay que conectar el eje de la bomba de calor al eje del motor.
Se conecta el sistema a la red, se comprueba si hay fugas y se evalúan las características de funcionamiento del dispositivo.
Si todo se hace correctamente, el eje con los discos comenzará a girar, calentando el aceite que se encuentra dentro del dispositivo. El refrigerante caliente se trasladará a través de la abertura superior por la tubería hacia el radiador de calefacción. El aceite enfriado regresará a la carcasa de la bomba de calor por la tubería inferior para volver a calentarse.
Para automatizar el funcionamiento del sistema, se puede utilizar un relé especial con un sensor térmico que detecta el calentamiento de la carcasa de la bomba de calor y apaga o enciende el motor según sea necesario. Esto permitirá evitar el sobrecalentamiento del sistema, la avería del motor eléctrico y, en general, aumentará la vida útil del dispositivo.
Conclusiones y video útil sobre el tema
Una interesante variante de la bomba de Frenet se presenta en este material de vídeo:
Lamentablemente, la bomba de Frenette no ha encontrado una amplia aceptación en el ámbito de la calefacción. Es difícil encontrar un dispositivo de fabricación industrial para uso doméstico en las tiendas de electrodomésticos. Sin embargo, muchos artesanos populares han utilizado con éxito los desarrollos de este científico y los han aplicado en sus hogares, baños, garajes, etc.
¿Quizás usted es ese mismo aficionado al bricolaje que logró hacer realidad la idea de Frenette? Por favor, comparta su experiencia – deje comentarios en el artículo y añada fotos de sus productos. El formulario de contacto se encuentra más abajo.
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En el funcionamiento de los mecanismos siempre hay fricción, que en la gran mayoría de los casos no es deseable. En el motor de un automóvil, por ejemplo, supone alrededor del 10%. En otros dispositivos, el porcentaje puede ser diferente, pero no puede superar el 100% a priori, de lo contrario toda la energía se convertiría en calor. Esto lo sabe incluso un escolar. Por lo tanto, esta bomba – es una estafa común. Es más fácil y sencillo convertir la energía eléctrica en calor directamente sin mecanismos estúpidos.
Aquí se refiere al rendimiento no en el sentido físico (en el que, por supuesto, no puede ser superior al 100%), sino en términos de la energía gastada de un tipo (electricidad) para obtener energía de otro tipo. Bueno, por ejemplo, para encender una cerilla, usted la frota contra la caja, crea un calentamiento inicial mediante la fricción, y luego la cerilla comienza a arder y le “regala” mucha más energía de la que usted gastó. Desde el punto de vista de la física, por supuesto, no hay un rendimiento superior a uno, pero desde el punto de vista del consumidor de energía – la persona, gastó mucho menos de lo que obtuvo. Especialmente si con esa cerilla enciende una hoguera.
Es como encender una hoguera con yesca en lugar de cerillas. La idea es interesante, pero solo en cuanto a su uso como conversión de energía mecánica en calor, por ejemplo, de un molino de viento o una rueda hidráulica, o de esclavos 🙂
La conversión de energía eléctrica en mecánica y luego en térmica – no es eficiente.
Al frotar la cerilla, usted inicia el proceso de liberación de energía química, por lo que el ejemplo no es correcto.
En la bomba de calor de Carnot, se produce una transferencia de calor de una parte del sistema a otra, por lo que realmente se puede obtener en el receptor más calor del que se gastó en su transferencia.
Aquí no hay ninguna “transferencia” de calor – es una conversión pura de energía mecánica en térmica, por lo que no se puede hablar de ningún “más del 100%”.
¿Y dónde están los discos fijos entre los que giran? ¿Por qué no se dice nada de ellos?
Porque el artículo describe el principio general de funcionamiento de la bomba de Frenette, y también se habla de esquemas y algunas variantes de bricolaje. En realidad, con esta bomba hay más problemas que beneficios, siendo sinceros: el equipo es inestable, no se recomienda ponerlo en funcionamiento por su cuenta, es posible que se produzcan accidentes.
La cantidad de vórtices fijos en la bomba de Frenette puede variar, dependiendo de los parámetros que se deseen alcanzar. Incluiré parte del plano para mostrar con más detalle la estructura de dicho equipo. En general, todos los proyectos relacionados con la bomba de Frenette son experimentales. Si se vierte agua y se “excede” con las revoluciones, se puede descomponer en hidrógeno y oxígeno, y eso ya es otra historia completamente diferente.