Bomba de calor

Bomba de calor é uma máquina termodinâmica de aquecimento a partir de uma única fonte de calor externo cuja temperatura é inferior à do local ou do sistema em aquecimento (BERNIER, 1979).

Segundo CORTEZ & NEVES FILHO, (1996) as bombas de calor, possibilitam uma importante redução na degradação da energia elétrica em processos de aquecimento- resfriamento de fluidos e poderão contribuir de modo efetivo para o uso racional da energia no Brasil. Pouco conhecidas no Brasil, as bombas de calor são empregadas no aquecimento de residências e processos industriais em países mais desenvolvidos. São equipamentos muito eficientes, pois utilizam racionalmente a energia que as acionam, podendo gerar um efeito de 3 a 5 vezes superior a energia elétrica utilizada, pois recupera-se calor de uma fonte térmica como o ar ou água fazendo pouco uso de trabalho mecânico.

BERNIER (1981) citado por JORDAN (2005) afirma que as bombas de calor não são de uma tecnologia recente, o conceito de utilização do “efeito quente” produzido em sistemas de refrigeração teve início em 1852 com William Thompson (Lord Kelvin), a quem é creditada a invenção. As primeiras utilizações comerciais de bombas de calor datam do início do século XX. Hoje, existem muitos tipos e aplicações já conhecidas e comercialmente bem estabelecidas.

Quando a temperatura de evaporação diminui, o volume específico do vapor aspirado aumenta. A sua densidade diminui, e também o fluxo de massa do fluido refrigerante diminui consideravelmente, o compressor aspira menor vazão (m3/s), pois a sua eficiência volumétrica diminui. O coeficiente de performance do sistema diminui e, portanto a capacidade de refrigeração cai por causa destes efeitos (HALÁSZ, 1984).

Há duas principais aplicações de bomba de calor água/água: 1) recuperação de calor do ar-condicionado de grandes edifícios; 2) aquecimento de casas coletivas ou individuais, industrial ou agrícola, entre outros. Nesta segunda aplicação, é essencial ter uma fonte de água fria, fora do edifício, tais como: água de rio ou lagoa; saneamento nuclear ou térmico; águas subterrâneas; águas de esgoto (BERNIER, 1979).

Embora as vantagens da bomba de calor, sob o ponto de vista termodinâmico, sejam reconhecidas desde há muito tempo, seu desenvolvimento como um produto industrial, visando à recuperação de calor de rejeitos de processos, somente foi realmente iniciado nos princípios da década de 70 (WORSE-SCHMIDT, 1981; MOSER & SCHNITZER, 1985) citado por ROSSI (1993). O sistema tem sido empregado, sobretudo, em operações de secagem, particularmente de papel, madeira e alimentos. Nestes últimos, a atenção foi quase exclusivamente voltada para a secagem de grãos, em razão dos elevados consumos de energia elétrica envolvida (PERRY, 1981/1982; HOGAN et al., 1983; ZILLA & STRUMILLO, 1987) citado por ROSSI (1993).

Os trabalhos de DAVIS (1949) e de SHOVE (1953), citados por HOGAM et al. (1983), estão entre os primeiros que relatam o uso da bomba de calor na secagem de grãos.

MARITAN & PANIZZOLO (2008) em trabalho realizado, apresentam o emprego de uma bomba de calor água/água no aquecimento (até 22 °C) uma casa de dois andares (120 m2) em um ambiente onde a temperatura externa encontrava-se abaixo de 0 °C. Segundo os

autores, foi possível uma economia diária de 20% nos custos relacionados ao consumo de energia, quando comparado ao aquecimento via gás natural.

Adotando procedimentos semelhantes, FLIKKE et al. (1975) acoplaram a um secador uma unidade doméstica com compressor de 0,57 kW, operando com R12, com circuito fechado de ar, em que o calor equivalente do trabalho do compressor era transferido ao ambiente através de um trocador de calor auxiliar (ROSSI, 1993). Este sistema foi utilizado em testes de secagem de milho (350 kg) e aveia (227 kg), de 25-28% até 12-13% de umidade, base úmida, em que a temperatura do ar na entrada do secador foi entre 43 e 54 °C, com vazão entre 0,15 e 0,56 m3/s.

Sob as condições de seus experimentos, FLIKKE et al. (1975) constataram que o consumo total mínimo foi encontrado quando o sistema foi operado com vazão de ar entre 0,18 e 0,25 m3/s. Nesta situação, o consumo específico de energia elétrica foi de 0,28 kWh/kg de água evaporada (ROSSI, 1993).

MEYER & GREYVENSTEIN (1992) estudaram a viabilidade econômica da aplicação da bomba de calor como secador de grãos e verificaram a redução do período operacional mínimo que a torna mais econômica que os outros secadores.

Alguns autores citam que o aumento da temperatura de secagem tem o mesmo efeito que o aumento da vazão de ar. Entretanto, como no motor do ventilador, o aumento da vazão de ar acarretava aumento no consumo de energia elétrica.

VAZQUES et al. (1997) determinaram a influência de vários parâmetros na cinética de secagem de uva, tais como variedade da fruta, tempo, temperatura e tipo de pré- tratamento químico, temperatura e umidade relativa do ar de secagem, utilizando um secador acoplado a uma bomba de calor escala piloto.

Um estudo sobre o desempenho da bomba de calor na secagem de produtos agrícolas foi realizado por PRASERTSAN & SAEN-SABY (1998), que discutiram também o custo da utilização deste tipo de secador em comparação com outras fontes de calor.

RAHMAN et al. (1998) desenvolveram dois modelos exponenciais em função da temperatura e da umidade relativa do ar para predizer o conteúdo de umidade na secagem de ervilhas utilizando um sistema com bomba de calor.

BRAUN et al. (1990), compararam o desempenho de um secador acoplado a uma bomba de calor com um secador elétrico convencional para secagem de roupas, e observaram que o primeiro ofereceu uma melhora de até 40% na eficiência energética.

KOHAYAKAWA (2004), trabalhando na secagem de manga onde utiliza secador acoplado a bomba de calor, concluiu que o uso de bomba de calor é justificado ao observar o valor do COP, apresenta a eficiência do equipamento em relação à conversão de energia mecânica em energia térmica, posteriormente absorvida pelo ar de secagem ao passar pelo condensador. Mostra que o aumento do potencial de secagem do ar quando se utiliza a bomba de calor para secar hortaliças gera uma economia de energia elétrica na faixa de 14 a 31% em relação a um secador resistivo com o mesmo aumento de potencial de secagem.

Em trabalho realizado por JORDAN (2005) de desenvolvimento de uma bomba de calor água/água para de aquecimento e resfriamento em laticínios mostrou a viabilidade da bomba de calor, tanto com acionamento elétrico, como a biogás, o potencial de economia da bomba de calor foi entre 65 e 93%.

HALÁSZ (1984) em trabalho realizado para avaliação experimental do desempenho de bombas de calor concluiu que a bomba de calor mostrou uma queda de capacidade calorífica com o aumento da temperatura da água aquecida e a temperatura de condensação.

O uso de bomba de calor no aquecimento do ar ambiente utilizado na secagem de cebolas fatiadas, apresentou resultados bem mais favoráveis, sob as condições adotadas nos experimentos, quando a utilização de energia e qualidade do produto desidratado, quando comparado ao sistema de secagem a base de resistências elétricas (ROSSI, 1993). Esta mesma bomba de calor utilizada para a secagem de cebolas fatiadas aumentou em 20 a 25 vezes o potencial de secagem do ar ambiente, para temperaturas de evaporação entre -3,5 e 0 °C e umidades relativas acima de 90%, correspondente a uma economia de energia elétrica em torno de 40%, quando comparado com resultados estimados de um sistema de aquecimento por resistências elétricas.

De acordo com algumas estimativas mais de 60% dos industriais utilizam a energia térmica a temperaturas inferiores a 300 °C e em torno de 20-30%, é inferior a 150 °C. Este último é o limite superior para as bombas de calor. Sua possível utilização é dentro dessa

generalização da utilização das bombas de calor, em muitos setores industriais (LAZZARIN, 1994).