Bombas de calor

A elaboração de uma matriz energética nacional que contabilize, adequadamente, a quantidade e a qualidade da energia necessária aos diversos setores consumidores com a qualidade e a quantidade dos recursos energéticos disponíveis no país passa, necessariamente pela investigação de equipamentos eletro-térmicos de maior rendimento como por exemplo, as bombas de calor (CEMIG, 1992).

As bombas de calor, possibilitam uma importante redução na degradação da energia elétrica em processos de aquecimento/resfriamento de fluídos 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 aciona, podendo gerar um efeito 3 a 5 vezes superior a energia elétrica utilizada, pois recuperam calor de uma fonte térmica como o ar ou a água fazendo pouco uso de trabalho mecânico (CORTEZ & NEVES FILHO, 1996).

Não se trata 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. No entanto as primeiras utilizações comerciais de bombas de calor datam do início do século XX. Hoje, no mundo, existem muitos tipos e aplicações já conhecidas e comercialmente bem estabelecidas (BERNIER, 1981).

Um exemplo, é a instalação em 1981, na Suécia, de uma estação de bomba de calor para aquecimento de água na cidade Uppsala, onde a energia usada para suprir a demanda térmica anual de 750 GWh era advinda da queima de óleo (90%) e incineração de lixo doméstico (10%). O resultado foi, uma diminuição de 15% no consumo de óleo (25000 m3/ano) e uma redução de 500 toneladas na emissão anual de dióxido de enxofre. A Figura 2 mostra um esquema simplificado de operação desta central.

A estação de Uppsala era composta por três bombas de calor operando com R12, cada unidade possuía um compressor com capacidade de 3,8 MW, um condensador de 13 MW e um evaporador com 7-10 MW de capacidade. As bombas de calor recuperavam calor da água de esgoto a uma temperatura de 9 a 18º C e aqueciam água a uma temperatura de 60 a 80º C

com um coeficiente de desempenho (C.O.P.) igual a 3 (Figura 3) . O investimento total foi de 40 milhões de dólares e o retorno com a economia obtida se daria em 3 anos.

Figura 2. Esquema simplificado de operação da central de bomba de calor de Uppsala [Fonte: Stal-Laval].

Segundo BOUMA (2002), nos Estados Unidos, até o ano de 2001 existiam cerca de 1,4 milhões de bombas de calor instaladas em residências e prédios comerciais, sendo que no ano de 1999 foram vendidas aproximadamente 50.000 unidades. No Canadá, foram instaladas na década de 90 aproximadamente 30.000 Bombas de calor, cerca de 20% destas, em setores comerciais e institucionais, principalmente em escolas. No Japão, estima-se que haja aproximadamente 5 milhões de unidades. Estima-se cerca de 5,58 milhões de unidades instaladas na China, com um potencial de crescente de mercado, tendo em vista, que existem aproximadamente 800 milhões de m2 com residências e prédios comerciais e institucionais que necessitam de aquecimento e refrigeração. Na Europa até 2001, os números são de 4,5 milhões de unidades instaladas em residências e 1,5 milhões em prédios comerciais, excluindo o Europa Oriental. Na região Nordeste da Europa, as bombas de calor residenciais são empregadas no aquecimento de água e calefação do ambiente, enquanto que no Sul da Europa, são empregadas no arrefecimento do ambiente. Na Europa, os países mais representativos em números de bombas de calor instaladas, são a Espanha, a Suécia e a França, com 500.000, 36.000 e 15.000, respectivamente, sendo que os quatro países que mais venderam unidades em 2001, foram a Suécia, a Áustria, a Alemanha e Suíça, com 27.000, 4.800, 3.600 e 2.800, respectivamente.

Segundo BAIRD el al. (1993), a Aqüicultura é uma atividade importante na Flórida, responsável pela produção de peixes ornamentais, bagres, jacarés, ostras e outras espécies aquáticas. Neste tipo de atividade é preciso um controle rígido de temperatura nos tanques durante o período de reprodução, onde é necessária uma grande quantidade de água a uma temperatura em torno de 27 oC. Neste contexto, a tecnologia da bomba de calor é ideal para esta aplicação, por utilizar de modo eficiente a energia elétrica para geração de “calor” e “frio”. No período do verão, é utilizada a fonte fria (evaporador) para o condicionamento do ambiente através de dutos, substituindo os aparelhos convencionais (ar condicionado), e a fonte quente para aquecimento da água. Já no período de inverno, utiliza-se a bomba de calor com o único objetivo de aquecer a água dos tanques, sendo que o evaporador trabalha retirando calor do ambiente externo, conforme ilustra a Figura 4.

Figura 4. Sistema de bomba de calor utilizada para aquecimento e refrigeração na Aqüicultura [Fonte: BAIRD et al. 1993]

ALMIN (1980) citado por ARAÚJO e ROCHA (1990), analisou o funcionamento de uma bomba de calor de um estágio empregada em laticínios. O sistema utilizava como refrigerante R114. Para cada 1 kW absorvido no compressor, a bomba de calor fornecia 1,95 kW de potência frigorífica e 2,85 kW de potência calorífica.

LANG (1979) citado por ARAÚJO e ROCHA (1990), cita um sistema instalado em uma queijaria em Ausnang, Bavária (Alemanha). O queijo produzido era do tipo Emmental.

Cerca de 90.000 litros de soro a 50 ºC eram produzidos diariamente, que juntamente com o calor obtido da planta de refrigeração, dava um total de 16.500 MJ por dia. As necessidades de calor eram para aquecer o leite a 32 ºC e pré aquecer água de limpeza a 45 ºC. O período de geração de calor não era coincidente com o de consumo. Era utilizado um sistema fechado, que usava água como portadora de calor, constituído por um trocador de calor e um tanque de estocagem de água a 45 ºC. O tempo de retorno de investimento suplementar foi de 2 anos.

utilizava R22 e operava gelando água, com a uma temperatura de evaporação de -2 ºC (fonte fria). O segundo circuito utilizava R114 como refrigerante e descarregava calor na fonte quente a 95 ºC.

EDF (1987) citado por ARAÚJO e ROCHA (1990), descreve um sistema de bomba de calor instalado na queijaria Guilhoteau, França, com temperatura de evaporação compreendida entre –5 ºC e 0 ºC e uma temperatura de condensação média de 45 ºC. O compressor utilizado demandava uma potência de 180 kW. O sistema apresentava um COP de 3,1 e utiliza R22 com fluido refrigerante. A água a 40 ºC obtida, era estocada e tinha como função: pré-aquecer o leite a 32 ºC em uma das seções do pasteurizador; aquecimento do ambiente e pré- aquecimento da água de limpeza.

A EDF (1987) citado por ARAÚJO e ROCHA (1990), descreve também a transformação ocorrida na queijaria Roussey, França, em decorrência da ampliação da sua capacidade. Antes da transformação, a indústria possuía um gerador de vapor, com capacidade de 1 t/h e pressão média de 6 bares. O calor gerado permitia aquecer água a 60 ºC, para pré- aquecer o leite de 4ºC para 25 ºC; aquecer a cuba de queijo e a água de lavagem. Foi instalada uma bomba de calor água-água e, dois tanques de estocagem, de 30 m3 cada. O novo sistema utilizava R22 como fluido refrigerante, apresentava uma potência absorvida (compressor) de 52 kW; uma potência calorífica de 170 kW e um COP de 3,2. O gerador de vapor foi mantido para assegurar o aquecimento das cubas de queijo, sendo que a maior necessidade térmica era assegurada pela bomba de calor. Houve uma redução de 22% no custo de processamento do leite.

Segundo ARAÚJO e ROCHA (1990), diversos autores descreveram sistemas de bomba de calor aplicados em laticínios. Dentre as diversas citações, foram obtidos valores de coeficiente de desempenho acima de 3. O tempo de retorno do investimento, foi citado por alguns autores, como sendo 2 anos, porém sendo verificado em alguns casos 4 a 5 anos. Sob o ponto de vista de consumo energético a faixa de economia de energia dos sistemas estão entre 13% e 45%.

No Brasil, alguns trabalhos já demonstraram a potencialidade da bomba de calor em processos de aquecimento de água e ambiente. Como exemplo, pode-se citar o trabalho realizado pela CESP - Companhia Energética de São Paulo (1979), sobre a substituição em

hotéis e residências, de sistemas de aquecimento a GLP (gás liquefeito de petróleo) por bombas de calor, onde, verificou-se uma redução de 50% no custo para aquecimento de água.

Outras experiências demonstraram o potencial para recuperação de calor com bombas de calor montadas a partir de sistemas de refrigeração existentes. Em dois trabalhos realizados em abatedouros de frangos (Soberbo e Cotia), CORTEZ & HALÁSZ (1979) e VILARINHO & HALÁSZ (1980), concluiu-se que com um investimento relativamente baixo, pode-se usar economicamente o calor de superaquecimento dos sistemas de refrigeração para pré-aquecer água de escaldamento de frango e outras aves.

No entanto, não foram encontrados na literatura, exemplos de aplicação de bombas de calor em laticínios no Brasil.

Conforme mostrado, os laticínios se apresentam como clientes potenciais para utilização das bombas de calor. Pela questão da conservação do leite, são obrigados a possuírem em suas plantas um sistema de refrigeração que, por sua vez, rejeita uma grande quantidade de calor para o ambiente, calor este que pode ser utilizado para aquecer água usada no processo de limpeza e em demais fases do processo, dispensando a necessidade de possuir mais um equipamento consumidor de energia para este fim.

Nestas instalações, na maioria dos casos, a demanda térmica para aquecimento de água é suprida com uso de tanques providos com resistências elétricas, denominados de “boilers”. Dentre as características deste equipamento destaca-se o alto consumo de energia elétrica.

Segundo CORTEZ & NEVES FILHO (1996), para um investimento relativamente baixo (da ordem de 20% do equipamento instalado), tem-se uma bomba de calor a partir de um sistema de refrigeração. Esse investimento depende fortemente da quantidade de leite produzida e do preço da energia elétrica, com o tempo de retorno variando entre 2 a 3 anos.

Associado ao potencial de utilização da bomba de calor em instalações leiteiras, está o uso do biogás para acionamento deste equipamento. O esterco de bovinos, seja de corte ou de leite, pelo volume e composição merece especial atenção, pois pode tornar-se um importante elemento na promoção de uma maior autonomia energética nas propriedades onde este é produzido, principalmente, na pecuária leiteira, onde é grande a demanda de energia elétrica para geração de frio e calor.