Instalação e instrumentação das bombas de calor

A instalação das bombas de calor consistiu basicamente na conexão dos trocadores de calor com os tanques de termo-acumulação de “frio” e “calor”, na alimentação elétrica dos painéis de controle e das bombas e, na conexão dos tanques a rede de água. As bombas de calor “B1” e “B3” foram instaladas no Laboratório de Termodinâmica e Energia da Faculdade de Engenharia Agrícola da Unicamp e, o protótipo “B2”, no Campo Experimental de Produção de Biogás da Faculdade Ciências Agrárias e Veterinárias da Unesp de Jaboticabal.

A Figura 19 mostra os protótipos “B1” e “B3” instalados no laboratório, onde pode ser visto também, o cilindro de gás natural, usado para alimentação do motor a combustão nos testes. Ao fundo podem ser vistos os tanques de termo-acumulação, tem-se a esquerda da bomba de calor “B3” o tanque de 1000 litros de solução água-álcool, e a direita, o tanque de 500 litros, compartilhado com o protótipo “B1”, para acumulação de água quente.

Figura 19. Protótipos “B3” e “B1” instalados em laboratório, conectados aos reservatórios térmicos.

A Figura 20 mostra as tubulações conectando os trocadores de calor aos reservatórios térmicos de água quente e de solução água-álcool. Para reduzir a transmissão de calor, as mangueiras foram isoladas com tubos de borracha esponjosa, com 10 mm de espessura.

Figura 20. Reservatórios térmicos conectados aos trocadores de calor das bombas de calor.

A Figura 21 mostra a bomba de calor “B2” instalada em Jaboticabal para testes com biogás.

Figura 21. Bomba de calor “B2” instalada em Jaboticabal para testes com biogás. Para instrumentação das bombas de calor, tendo em vista os dados a serem coletados nos ensaios a serem realizados, necessários para determinação das propriedades para as análises termodinâmicas e também, para a análise econômica, verificou-se necessidade de medição dos seguintes parâmetros: temperatura, pressão, vazão mássica de refrigerante, vazão de água nos trocadores de calor, consumo de gás do motor a combustão, consumo e potência das bombas d’águas e, consumo e potência elétrica do motor elétrico, no caso do acionamento elétrico das bombas de calor. No Apêndice B são mostrados os fluxogramas de instalação dos instrumentos de medição nas bombas de calor.

Para medição de temperatura foram utilizados termopares tipo “T” com isolação mineral (Figura 22). Os termopares foram instalados na entrada e saída de cada componente das bombas de calor: condensador, evaporador, compressor e válvula de expansão. No caso dos trocadores a placas, foram instalados termopares na entrada e saída do fluxo, para

reservatórios térmicos, foram utilizados termopares conjugados, permitindo a medição em várias profundidades (Figura 23).

Figura 22. Termopares com isolação mineral, com pote liso e pote com rosca para conexão nas tubulações dos trocadores de calor.

Figura 23. Termopar conjugado ou tipo poço utilizado para medição da variação da temperatura nos reservatórios térmicos.

O termopar conjugado ou tipo poço é composto por vários termopares montados no interior de uma haste metálica com isolação mineral, distribuídos em pontos diferentes, permitindo a medição em vários níveis dentro do reservatório de água.

Para a correção dos erros de leitura dos termopares utilizados foram traçadas curvas de correlação (Apêndice C). Para traçar as curvas de correlação utilizou-se de um banho térmico e um termômetro padrão de mercúrio, com fundo de escala de 0,1 ºC e erro de aproximadamente 0,05 ºC. Com os termopares mergulhados no banho térmico, após 15 minutos em uma determinada temperatura, era feita a leitura com o sistema de aquisição e registrada a temperatura lida no termômetro padrão. As curvas foram traçadas, colocando-se nos gráficos, os valores de temperatura do termômetro padrão (temperatura real) em função da temperatura lida com os termopares pelo sistema de aquisição. Para isto, os termopares foram separados por faixa de temperatura de trabalho.

Para medição de pressão foram utilizados transmissores de pressão (Figura 24) da marca Wika, entrada de alimentação de 10 a 30 Volts, faixa de medição de 0 a 40 bar, sinal de saída de 0 a 20 mA. No caso dos protótipos “B2” e “B3”, foram instalados transmissores de pressão na entrada do evaporador e, na sucção e descarga do compressor.

Para o protótipo “B1” foram instalados transmissores de pressão somente na sucção e descarga do compressor, sendo a pressão de entrada do evaporador determinada em função da temperatura de evaporação, como sendo a pressão de saturação correspondente.

Para medição da vazão mássica de fluído refrigerante foram utilizados medidores de vazão tipo Coriolis, marca Danfoss, faixa de medição de vazão de 0 a 1000 kg/h, equipados com conversor/transmissor de sinal, com alimentação de 50 a 220 V e faixa de saída de 4 a 20 mA. Os sensores de vazão foram instalados nas linhas de liquido dos protótipos “B1” e “B3” (Figura 25).

Para medir e auxiliar no controle da vazão de água no condensador e evaporador do protótipo “B3” e no condensador do protótipo “B1”, tendo que vista que, durante os ensaios a vazão seria mantida fixa, foram utilizados medidores de vazão tipo rotâmetro (Figura 26). A variação de vazão era feita através de um “by-pass” entre a tubulação de sucção e descarga das bombas. Abrindo ou fechando a passagem pelo “by-pass” tinha-se a diminuição ou aumento

vazão volumétrica pela densidade da água, obtida através das tabelas termodinâmicas de estado em função da temperatura.

Figura 24. Fonte de alimentação e transmissores de pressão utilizados para medição pressão do circuito frigorífico das bombas de calor.

Figura 25. Sensor tipo Coriolis utilizado para medição de vazão de fluído refrigerante das bombas de calor.

Figura 26. Rotâmetro utilizado para controle e medição de fluxo de água e solução nos trocadores de calor das bombas de calor.

Para facilitar a coleta dos dados, foi utilizado um sistema de aquisição ligado a um micro computador, composto por uma placa A/D CAD 12/32-32 da marca Lynx e dois condicionadores de sinais MCS-1000, também da marca Lynx, onde foram conectados os sensores de vazão, pressão e temperatura. Para facilitar a movimentação e a utilização do sistema de aquisição de dados pelas bombas de calor “B1” e “B3”, o sistema de aquisição de dados foi montado num armário com rodas. A Figura 27 mostra o sistema de aquisição montado. Na prateleira do meio, a esquerda, tem-se os condicionadores de sinais com os cabos dos termopares e dos sensores de pressão e vazão conectados. A placa A/D foi instalada no gabinete da CPU do microcomputador. A Figura 28 mostra o sistema de aquisição conectado a bomba de calor “B3”.

A Figura 29 mostra os transmissores de pressão e os termopares instalados na bomba de calor “B1”.

Figura 27. Sistema de aquisição de dados montado em armário.

Para medição dos dados de potência e consumo de energia elétrica das bombas de solução e água e das bombas de calor, quando acionadas com energia elétrica, utilizou-se um medidor registrador de energia elétrica, SAGA 4000 modelo 1380 da ESB Medidores (Figura 31).

Figura 31. Medidor Eletrônico Digital ESB Medidores, família SAGA 4000, Modelo 1380.

Para quase todos os dados de funcionamento das bombas de calor, foi possível fazer a monitoração e gravação pelo sistema de aquisição de dados. Somente para os dados de consumo do motor a biogás e variação do diâmetro de gelo, realizou-se a coleta manualmente.

Para medição do consumo de gás do motor a combustão, utilizou-se um medidor mecânico, do mesmo tipo utilizado para medição de consumo de gás em residências (Figura 32). O medidor media a vazão acumulada em metros cúbicos, com uma precisão de 0,001 m3. Os dados eram anotados numa prancheta para posteriormente serem juntados com os dados gravados pelo sistema de aquisição. As leituras de consumo de gás foram feitas a cada 10 minutos, sendo a vazão de gás em m3/h, calculada pela diferença entre a leitura anterior e a posterior, dividida pelo intervalo de tempo.

A Figura 33 mostra o medidor de gás instalado na bomba de calor “B2” para medição de biogás em teste de campo.

Para fazer a gravação dos dados de consumo de gás pelo sistema de aquisição de dados, tentou-se utilizar um medidor eletrônico tipo turbina. Mas, mesmo sendo indicado pelo fabricante, para a faixa de vazão calculada para o motor a combustão, de 0 a 2 m3/h, o medidor não funcionou corretamente, pois media valores muito inferiores, outro problema era a perda de carga causada pelo mesmo, influenciando negativamente no funcionamento do motor. No caso do medidor mecânico não houve problemas de alimentação do motor devido a perda de carga na admissão. A vazão mínima do medidor mecânico era de 0,016 m3/h e a máxima, de 1,7 m3/h.

A medição do diâmetro de gelo da bomba de calor “B1”, foi feita com o auxílio de um paquímetro digital (Figura 34), também, em intervalos de 10 minutos. As medidas eram tomadas no centro do evaporador, pois havia uma pequena diferença no diâmetro entre a entrada e a saída das serpentinas do evaporador. Assim, trabalhou-se com valores médios para o diâmetro de gelo formado.

Figura 34. Paquímetro digital usado para medição do diâmetro de gelo formado no evaporador da bomba de calor “B1”.