1 INTRODUÇÃO
2.5 OUTROS TRABALHOS SIMILARES
Foi realizada uma revisão bibliográfica para encontrar outros trabalhos similares. A seguir são apresentadas algumas obras encontradas.
Um artigo de Baldassin Jr. (2006) faz a descrição de uso de bombas de calor em propriedades leiteiras. De início é destacado que o leite é um produto na agropecuária nacional abrangendo cerca de dois terços das propriedades rurais do Brasil, sendo o segundo maior rebanho do mundo e tendo uma representativa participação na economia nacional. Neste artigo é apresentado uma avaliação de uso de energia numa propriedade leiteira no interior do estado de São Paulo no processamento de leite cru refrigerado.
Na figura 19 é apresentado um esquema de arranjo encontrado na propriedade envolvida no artigo. No ponto 1 aparece o processo de ordenha no qual era realizado por uma ordenha mecânica, tendo 10 pontos de extração sendo que são 5 extrações simultâneas e empregando um sistema de vácuo com um motor elétrico de potência nominal de 2,2 kW. No ponto 2 é processo resfriamento que era empregado um tanque refrigerador de expansão direta de capacidade de 1920 litros com operação em 4 ordenhas. No ponto 3 era realizado a coleta de leite.
Figura 19 – Esquema do arranjo de produção em questão.
Fonte: BALDASSIN (2006).
Na figura 20 tem o esquema da adequação realizada no tanque refrigerador de leite. Neste esquema foi inserido no sistema um trocador de placas para aproveitar o calor do processo de condensação que geralmente é descartado no ambiente para aquecer a água. Com isso, tem-se simultaneamente, em um equipamento, a geração de frio e calor.
Figura 20 – Esquema de adequação no tanque refrigerador .
3 PROTÓTIPO
A partir dos dados avaliados foi possível conceber um protótipo de dispositivo para compensação energética no processo de aquecimento de água.
3.1 PROCESSO ORIGINAL
A ideia para concepção do sistema partiu da percepção a respeito do gasto de energia elétrica por parte dos produtores de leite que utilizam o equipamento convencional. Ou seja, eles utilizam um equipamento para aquecer a água com a finalidade de efetuar a limpeza dos equipamentos.
Esse refrigerante não tem reação de deterioração com o cobre, alumínio, ferro e aço. Também vale ressaltar que ele não é propagante de chama.
Nesse sistema convencional é utilizado um resistor para dissipação de calor e aquecimento de água. Esse dispositivo possui um valor de potência de 3000 W e leva em torno de 1,51 horas para aquecer o volume de água de um tanque de 85 litros. A temperatura recomendada para uso dessa água é 70 ºC. Para alcançar essa temperatura o sistema utiliza energia elétrica, utilizando cerca de 4,54 kWh, em média, a partir da potência dissipada, tempo estimado e temperatura inicial da água. A temperatura inicial desse sistema é de 24 ºC.
Esse resistor usa o Efeito Joule e esse efeito transforma energia elétrica em energia térmica. O Efeito Joule ocorre num condutor quando este é submetido a uma diferença de potencial e um campo elétrico nesse condutor é estabelecido, sendo percorrido por corrente elétrica.
As forças elétricas criadas por esse campo elétrico aceleram os elétrons livres contidos no condutor num determinado sentido, com isso os elétrons ganham velocidade naquele sentido. Durante o movimento dos elétrons, esses acabam colidindo com cátions do retículo cristalino do material de que o condutor é feito perdendo velocidade. Mas como as forças elétricas ainda atuam no condutor, os elétrons livres ganham velocidade no sentido anterior e acabam colidindo novamente com cátions. O movimento de ganho de velocidade dos elétrons e colisão com os cátions ocorre sucessivamente.
Com a colisão dos elétrons livres com os cátions, os cátions começam a oscilar e essas oscilações ganham amplitudes maiores acarretando em elevação da temperatura do condutor.
3.2 PROCESSO PROPOSTO
A partir dos dados obtidos na revisão bibliográfica foi montada a concepção de um protótipo para aproveitar o potencial existente e verificar, na prática, a possibilidade de implementação do sistema proposto. A Figura 21 apresenta o esquema.
Figura 21 – Esquema proposto para aquecimento de água.
Fonte: do autor.
Para a construção do protótipo verificou-se como os tanques refrigeradores a granel eram constituídos como, por exemplo, o tipo de gás refrigerante utilizado. No caso é utilizado o refrigerante R22 ou CHClF2 (monoclorodifluormetano) conforme mostra a figura 22.
Figura 22 – Refrigerante utilizado em tanques resfriadores de leite.
Fonte: do autor.
Para a montagem do protótipo verificou-se outros equipamentos que utilizassem o refrigerante R22 e optou-se por usar partes de condicionadores de ar tipo Split. Na Figura 23 mostra um modelo que opera com esse refrigerante.
Figura 23 – Equipamento que utiliza refrigerante R22.
Fonte: do autor.
O condensador tem o propósito de resfriar e de condensar o refrigerante. O refrigerante aquece devido a ação do compressor que o comprime. Esse calor necessita ser transferido para algum meio e um meio é o ar. O condensador é confeccionado com tubos de cobre e nesses tubos existe aletas para melhorar a troca de calor com o ar. Um condensador utilizado no protótipo é mostrado na figura 24.
Figura 24 – Condensador utilizado no protótipo .
Fonte: do autor.
3.2.2 Dispositivo de expansão
O dispositivo de expansão destina-se a reduzir a pressão do refrigerante que está no estado líquido e junto a isso regular a vazão de refrigerante que entra no evaporador. Um tipo de dispositivo de expansão é o tudo capilar. O refrigerante perde pressão quando está percorrendo o tubo capilar devido ao atrito e também a aceleração do refrigerante.
3.2.3 Evaporador
O evaporador destina-se a efetuarem a retirada de calor de um meio. Nesse sistema o evaporador mantém contato direto com o meio. Esse evaporador trabalha de forma seca fazendo com que o refrigerante acaba saindo em forma de vapor. No
protótipo o evaporador é constituído por tubos de cobre e nos tubos estão instalados aletas para ter melhor contato com o meio, com isso tendo melhor retirada de calor. O evaporador utilizado é mostrado na figura 25.
Figura 25 – evaporador utilizado no protótipo.
Fonte: do autor.
3.2.4 Compressor
O compressor é o equipamento que faz a compressão do refrigerante. No protótipo foi utilizado um compressor tipo hermético, que é um compressor praticamente fechado, com acesso aos bornes de entrada de energia e aos dutos de descarga e sucção. Esse compressor é apresentado na figura 26.
Figura 26 – Compressor utilizado no protótipo .
Fonte: do autor.
3.2.5 Acessório
O acessório proposto é instalado entre o compressor e o condensador. Este acessório tem por finalidade rejeitar calor como um condensador sendo que estará imerso em água. Esse acessório tem a mesma função de um condensador. Ele é constituído por tubos de cobre e esses tubos estão conectados aletas para que a troca de calor seja melhorada. O acessório utilizado no protótipo é mostrado na figura 27.
Figura 27 – Acessório utilizado no protótipo.
Fonte: do autor.
Durante o funcionamento do protótipo notou-se a criação de bolhas ao redor do acessório que está imerso em água. Isto é mostrado na figura 28.
Figura 28 – Aparição de bolhas no acessório.
4 DADOS OBTIDOS
Com objetivo de analisar a viabilidade econômica e técnica do novo sistema proposto, para uso nos resfriadores de leite, foi realizado teste para análise do aquecimento que este protótipo forneceria.
A partir do protótipo construído foi possível medir os valores de energia e realizar os testes necessários para extrair dados e poder obter a avaliação do novo processo proposto.
Um instrumento de medição utilizado para obtenção dos valores de temperatura foi um termômetro digital tipo espeto mostrado na figura 29. Este termômetro tem uma faixa de operação de temperatura entre -45 ºC a 230 ºC, tendo resolução de 0,1 ºC e exatidão de ±1 ºC na faixa de temperatura entre -20 ºC e 80 ºC (INCOTERM,?).
Figura 28 – Termômetro utilizado para obtenção dos valores de temperatura.
Fonte: do autor.
Os dados coletados são mostrados na Tabela 1. Quando no tempo 00:00 são medidas as temperaturas dos recipientes onde, em um recipiente, é retirado calor e no outro esse calor é rejeitado; durante o processo a cada tempo decorrido descrito na tabela é levantado a temperatura de cada recipiente.
Tabela 1 – Tempo e temperaturas dos tanques. Tempo (h) Temperatura do tanque de resfriamento (°C) Temperatura do tanque de aquecimento (°C) 00:00 22,2 22,2 00:15 22,2 23,8 00:25 21,6 24,1 00:45 19 30 01:04 16,4 34,2 01:25 14,1 38,8 01:45 11,5 42,5 02:05 9,8 45,3 02:25 8,3 48 02:45 7 50 03:05 5,8 51,4 03:25 4,8 52,8 Fonte: do autor.
Observa-se no gráfico a evolução das temperaturas nos tanques conforme o tempo de funcionamento vai evoluindo. Nos primeiros 25 minutos verifica-se que as temperaturas não se alteram com grande velocidade no qual se necessitou proceder um ajuste do protótipo.
Esse ajuste consistiu em adicionar mais refrigerante ao sistema. De início o equipamento foi ajustado com a quantidade de 800 gramas de refrigerante antes do protótipo ser utilizado para a aquisição dos dados. Após o acionamento e iniciada a coleta dos dados, o protótipo foi sendo monitorado e durante os primeiros 25 minutos de funcionamento verificou-se a necessidade de adicionar mais refrigerante ao sistema. Necessitou-se adicionar mais 600 gramas de refrigerante totalizando 1400 gramas de refrigerante no sistema. Isso ocorreu porque anteriormente o sistema tinha um percurso menor para o refrigerante percorrer. Com a nova adaptação, esse percurso foi estendido, necessitando de mais refrigerante para realizar a mesma função.
A figura 30 apresenta a evolução da temperatura no tanque de resfriamento, que representa o leite para ser resfriado no recipiente destinado ao mesmo no equipamento. Neste caso foi utilizada água neste tanque para o teste.
Na mesma figura também mostra a evolução da temperatura no tanque de aquecimento, que é utilizado água para limpeza dos equipamentos de ordenha, onde originalmente é aquecida com resistência elétrica.
Figura 30 – Gráficos das temperaturas dos tanques .
Fonte: do autor.
Após os 25 minutos nota-se o aumento significativo das temperaturas dos tanques e com isso utilizam-se os dados a partir daí para a realização dos cálculos e prover a avaliação dos resultados. A Figura 30 apresenta um gráfico evolutivo desses resultados. Esse gráfico mostra o tempo em horas, a temperatura do tanque de resfriamento em graus Celsius e a temperatura do tanque de aquecimento também em graus Celsius.
Entre o tempo 00:25 h e o tempo 00:45 h a variação de temperatura do tanque de resfriamento de -2,6 ºC e no tanque de aquecimento a variação de temperatura chega a +5,9 ºC. No período de tempo 00:45 h e 01:04 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento continua em -2,6 ºC e no tanque de aquecimento essa variação é de +4,2 ºC. No período que compreende os tempos
22,2 22,2 21,6 19 16,4 14,1 11,5 9,8 8,3 7 5,8 4,8 22,2 23,8 24,1 30 34,2 38,8 42,5 45,3 48 50 51,4 52,8 00:00 00:15 00:25 00:45 01:04 01:25 01:45 02:05 02:25 02:45 03:05 03:25 Te mp erat u ra (º C) Tempo (h)
01:04 h e 01:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -2,5 ºC e no tanque de aquecimento a variação eleva para +4,6 ºC.
Analisando o período entre os tempos 01:25 h e 01:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento aumenta para -2,6 ºC e no tanque de aquecimento a variação de temperatura diminui para +3,7 ºC. Entre os tempos 00:25 h e 01:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento comporta-se com decrescimento praticamente de forma linear e no tanque de aquecimento as variações são ao contrário, crescimento praticamente linear. Isso ocorre porque o calor retirado do tranque de resfriamento é transferido para o tanque de aquecimento, onde é possível perceber que há um bom aproveitamento da energia nessa transferência, pois as variações dos gráficos são parecidas.
Já no período de 01:45 h e 02:05 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -1,7 ºC e no tanque de aquecimento a variação diminui para +2,8 ºC. Entre os tempos 02:05 h e 02:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento é de -1,4 ºC e no tanque de aquecimento é de +2,7 ºC. Entre os tempos 02:25 h e 02:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -1,3 ºC e no tanque de aquecimento diminui para +2 ºC.
Entre os pontos 02:45 h e 03:05h no tanque de resfriamento a variação de temperatura é de -1,2 ºC e no tanque de aquecimento essa variação é de +1,4 ºC. Já entre os pontos 03:05 h e 03:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento e no tanque de aquecimento é respectivamente -1 ºC e +1,4 ºC. Verifica-se que entre os tempos 01:45 h e 03:25 h a variação de temperatura não se comporta de forma linear, essa variação tem um comportamento de forma exponencial em ambos os tanques.
Tabela 2 – Dados utilizados para o cálculo de aproveitamento energético. Tempo (h) Temperatura do tanque de resfriamento (°C) Temperatura do tanque de aquecimento (°C) 00:25 21,6 24,1 00:45 19 30 01:04 16,4 34,2 01:25 14,1 38,8 01:45 11,5 42,5 02:05 9,8 45,3 02:25 8,3 48 02:45 7 50 03:05 5,8 51,4 03:25 4,8 52,8 diferença 16,8 28,7 Fonte: do autor.
A cada tempo indicado na tabela foi efetuado a leitura da temperatura em cada recipiente. No tempo 00:25 h a temperatura da parte em que foi retirado o calor apresentava a temperatura de 21,6 ºC e na parte em que foi rejeitado o calor apresentava a temperatura de 24,1 ºC. Esta sistemática apresenta-se nos tempos subsequentes até que em 03:25 h a temperatura na parte no qual foi retirado calor a temperatura apresentava 4,8 ºC e na parte no qual foi rejeitado o calor a temperatura apresentava 52,8 ºC.
No final da tabela apresentam-se as diferenças de temperatura das partes. Na parte em que foi retirado o calor a diferença ficou em 16,8 ºC e na parte em que foi rejeitado o calor ficou em 28,7 ºC.
4.1 DIMENSIONAMENTO DE POTÊNCIA
Para este teste foi utilizado como fluido a água. Esta apresenta massa específica de 1 grama por centímetro cúbico e calor específico de 1 caloria por grama graus Celsius. E para converter calorias em joules tem a relação de 1 caloria para cada 4,186 joules (ÇENGEL, 2013). A equação 1 mostra o calor que um corpo recebe ou cede:
Onde:
Q = quantidade de calor transferido em calorias (cal),
m = massa específica de uma substância em gramas por centímetro cúbico (g/cm3),
c = calor específico de uma substância em caloria por grama graus Celsius (cal/gºC),
t2 = temperatura final em graus Celsius (ºC),
t1 = temperatura inicial em graus Celsius (ºC).
A equação 2 nos mostra a densidade de uma substância:
D = m/V (2)
Onde:
D = densidade de uma substância em gramas por centímetro cúbico (g/cm3),
m = massa de uma substância em gramas (g),
V = volume de uma substância em centímetros cúbicos (cm3).
Na parte no qual foi retirado o calor tem-se 176 litros de água, convertendo para quilos obtém-se 176 quilos de água. Utilizando 176 quilos sendo multiplicados por 1 quilocaloria e por uma diferença de 16,8 ºC obtém-se 2956,8 quilocalorias. Transformando calorias em joules obtém-se um total de 12377 quilojoules de calor retirado.
Na parte no qual foi rejeitado o calor tem-se 127 litros de água convertendo para quilos obtém-se 127 quilos de água. Utilizando 127 quilos sendo multiplicados por 1 quilocaloria e por uma diferença de 28,7 ºC obtém-se 3644,9 quilocalorias. Transformando calorias em joules obtém-se um total de 15257 quilojoules de calor rejeitado.
Dividindo-se o valor de 15257 quilocalorias pelo período de 3 horas, sendo o tempo em horas transformado em segundos, chega-se ao resultado de 1,41 quilojoules por segundo. Como 1 Watt é equivalente a 1 joule por segundo a potência do sistema será de 1,41 quilowatts.
Multiplicando o valor de 1,41 quilowatts pelo período de 3 horas obtém-se o valor de 4,23 quilowatts-hora de energia. Com um valor estimado da energia elétrica de 0,45 reais por quilowatt-hora resulta em um valor de 1,90 reais. Neste período se estaria economizando 1,90 reais em aquecimento de água.
5 ANÁLISE E DISCUSSÕES
Conforme dados apresentados nos capítulos anteriores, faz-se a análise dos mesmos.