El ciclo de refrigeración por compresión mecánica de un fluido en fase gaseosa, es el más comúnmente utilizado y por lo tanto también el más conocido. En su aplicación convencional, el compresor es accionado por un motor eléctrico, existiendo diversas configuraciones en su acoplamiento: éste puede ser abierto, cuando el eje del compresor está externamente unido al motor eléctrico, hermético cuando ambos están contenidos en sólo envolvente hermético y las partes mecánicas son enfriadas por el propio retorno del refrigerante; semi-hermético cuando ambos dispositivos, compresor y motor comparten su acoplamiento en caja cerrada, pero el motor se enfría de manera convencional por medios externos.

Con este mismo ciclo frigorífico puede accionarse el compresor con un motor endotérmico utilizando como combustible gas natural o GLP en fase vapor. En todos los casos se trata de la configuración abierta, con un compresor conectado al extremo del motor endotérmico mediante un dispositivo amortiguador para evitar la transmisión de vibraciones.

El ciclo de compresión, al igual que en el ciclo de absorción, se obtiene el efecto frigorífico aprovechando que el fluido utilizado como refrigerante necesita obtener de su entorno el calor necesario para pasar del estado líquido al de vapor cuando es introducido en un espacio donde la presión es notablemente inferior a la que estaba sometido cuando se encontraba en fase líquida, antes de entrar en él. La temperatura de evaporación (ebullición) depende de la presión, pero todos los líquidos necesitan calor para hervir e inversamente, su vapor debe perder calor para condensarse y volver al estado líquido.

En la figura 1 puede seguirse el recorrido del refrigerante en el ciclo de compresión.

Figura 1. Ciclo de compresión mecánica

El gas refrigerante es comprimido en el compresor y descargado a alta presión en la tubería que lo conduce al condensador donde, al ser enfriado se condensa cediendo calor al medio enfriador. Ya en fase líquida, el refrigerante, que continua sometido a alta presión por efecto del compresor, se dirige por la tubería llamada línea de líquido hacia la válvula de expansión que permite reducir su presión al entrar dentro del evaporador donde hierve absorbiendo el calor de su entorno, por lo tanto enfriándolo, para dirigirse finalmente a la boca de aspiración donde el ciclo se inicia de nuevo. En determinadas condiciones se coloca un depósito de líquido entre el condensador y la válvula de expansión para poder equilibrar los volúmenes de refrigerante, como es el caso ilustrado en la figura 1. La zona de alta presión se extiende desde la descarga del compresor hacia la válvula de expansión, mientras que la de baja abarca el tramo comprendido desde la descarga de la válvula de expansión hasta la boca de aspiración del compresor.

Los fluidos utilizados como refrigerantes en los ciclos de compresión, son principalmente los que pertenecen a la familia de los hidrocarburos halogenados. No obstante, los del tipo Clorofluorocarbono totalmente halogenados sin presencia de átomos de hidrógeno en su composición química, llamados CFC: (Flúor, Carbono, Cloro), empleados hasta hace relativamente poco (año 1995) han sido prohibidos al agredir en gran medida la capa de ozono y ser responsables del efecto invernadero. También está prevista y regulada la desaparición en el 2015 de los denominados HCFC (Hidrógeno, Carbono, Flúor, Cloro), similares a los anteriores pero que contienen átomos de hidrógeno en su molécula siendo por ello menos estables y descomponiéndose antes el alcanzar la estratosfera, teniendo por lo tanto un reducido potencial de destrucción de la capa de ozono. Por último, existen los llamados HFC: (Hidrógeno, Flúor, Carbono), que son Fluorocarbonos sin cloro, con átomos de hidrógeno, sin potencial destructor del ozono dado que no contienen cloro.

Estos refrigerantes pueden ser puros o mezcla de diferentes gases, las cuales pueden ser azeotrópicas o no serlo. Las mezclas azeotrópicas están formadas por tres componentes y se comportan como una molécula de refrigerante puro.

Figura 2. Clasificación de los refrigerantes

Las mezclas no azeotrópicas están formadas por varios componentes pero la mezcla no se comporta como una molécula de refrigerante puro. Por lo tanto la carga de refrigerante que funciona con estos gases se ha de realizar siempre por líquido ya que cada gas se comporta de diferente manera en estado gaseoso. Además, este tipo de mezclas tiene el llamado deslizamiento, lo que significa que a la misma presión la temperatura es distinta si está en estado gaseoso o en estado líquido. Este deslizamiento puede ser desde 1º hasta 7ºC. También existen refrigerantes que son fluidos inorgánicos, como el amoniaco (NH3), el anhídrido carbónico (CO2) y el anhídrido sulfuroso (SO2). Por último también se utiliza en alguna instalación doméstica el isobutano, denominado R-600 y que es altamente inflamable. En la tabla 2 puede verse la distribución de los distintos refrigerantes comúnmente utilizados.

La bomba de calor es una máquina térmica cuyo principio teórico de funcionamiento fue desarrollado por los físicos Clausius, Kelvin y Carnot durante el siglo XIX.

Una bomba de calor es capaz de transportar calor de un foco frío a un foco caliente. En invierno se toma calor del ambiente (foco frío) y se envía al interior del espacio a climatizar (foco caliente). En verano, ocurre lo contrario, el exterior está más caliente que el interior, por lo que la bomba de calor extrae calor de la zona a climatizar y lo cede al exterior.

Este proceso requiere del aporte de una energía adicional puesto que por las leyes de la termodinámica conocemos que el calor se transfiere de forma natural del foco caliente al foco frío y no al revés.

Los equipos de climatización a gas utilizan el mismo ciclo de compresión de los equipos eléctricos. La diferencia radica en el tipo de motor que acciona el compresor, en un caso se trata de un motor eléctrico y en otro de un motor a gas.

Por tanto, la principal diferencia se encuentra únicamente en la unidad exterior. La instalación de distribución de calefacción o refrigeración a las unidades interiores es igual que en las convencionales eléctricas.

La instalación de gas también es similar a la instalación de otros equipos convencionales de gas, como puede ser una caldera.

Una de las principales ventajas de estos equipos reside en la energía residual disponible, como consecuencia del motor de combustión interna que acciona el ciclo de compresión. Esta energía procedente de la refrigeración del motor y de los gases de escape, en vez de ser disipada a la atmósfera, se aprovecha para la producción de ACS o para evitar los desescarches en condiciones de temperaturas extremas en invierno.

La recuperación de esta energía residual para la producción de ACS se considera en el Código Técnico de la Edificación (CTE) como una alternativa equiparable a la instalación de paneles solares, tal como señala el capítulo HE-4: “la contribución solar podrá disminuirse cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente sanitaria mediante el aprovechamiento de procesos de cogeneración o fuentes de energía residuales”.

Por tanto, las bombas de calor a gas son equipos de climatización integral, que permiten abastecer la demanda de calefacción, refrigeración y ACS de un edificio, siendo una clara alternativa a otras tecnologías, como las calderas o las bombas de calor eléctricas.