Projecto de Uma Bomba de Calor

5/22/2018 Projecto de Uma Bomba de Calor

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Projecto de uma Bomba de Calor com aproveitamento de

Energia Solar

Richworld Renewables

Ricardo Ferreira

Relatrio do projecto final do MIEM

Orientador na Richworld Renewables: Eng. Fernando Ferreira

Orientador na FEUP: Prof. Clito Afonso

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

Julho de 2010


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Projecto de uma Bomba de Calor com aproveitamento de Energia Solar

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Resumo

As bombas de calor so equipamentos que permitem a movimentao de calor de forma

eficiente em sentido contrrio ao natural. Estas mquinas podem ser utilizadas para suprir as

necessidades de climatizao e de aquecimento de guas sanitrias de um domiclio. A fontede energia renovvel mais utilizada neste tipo de aplicaes o solar trmico, pelo que a

associao das duas compatvel e natural. Com este trabalho aspira projectar-se um sistema

deste gnero.

A reviso bibliogrfica pretende ser uma recapitulao dos conceitos tericos e,

simultaneamente, uma recolha de argumentos e prticas que permitam um correcto fabrico

deste tipo de equipamentos.

Define-se concretamente o objectivo da mquina a projectar e dimensionam-se

componentes para um prottipo. Realiza-se uma simulao numrica e modelao a trs

dimenses dos componentes seleccionados. Discutem-se as opes tomadas, avaliam-se as

perspectivas futuras e apresentam-se os argumentos que levaram impossibilidade de

construo do prottipo.

Conclui-se que o sucesso deste projecto passa pela utilizao do ciclo de compresso de

vapor e uma construo do tiposplit. A integrao solar dever ser efectuada no acumulador e

o controlo dever privilegiar esta forma energtica.

H ainda espao para delinear as prximas tarefas.


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Abstract

Heat pumps are equipments that promote efficient heat flux from low to high

temperature sources. These machines can be used to meet air conditioning and domestic hot

water needs. The most common renewable energy source used for this type of application issolar thermal energy, so the association between both comes natural. This work aims to

develop a system of this kind.

During the revision of the theoretical concepts, there was also a gathering of arguments

and practical techniques to help the construction of such equipment.

A clear definition of the project is prepared as well as the sizing of different components

for a prototype. A numeric simulation was run and a three dimensional representation

presented. We then discuss the options taken, assess the future perspectives and present the

arguments that led to the impossibility of building the prototype

We conclude that the success of the project depends on the utilization of the single stage

vapor compression cycle and split construction. Solar integration must be made in the

accumulator and the controller should prioritize this source of energy.

Finally, the next tasks are delineated.


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Agradecimentos

empresa Richworld Renewables e, em especial, ao seu administrador Dr. Pedro

Correia de Carvalho pela inigualvel oportunidade que me proporcionou com este estgio e

respectiva bolsa. Ao meu orientador interno, Eng. Fernando Ferreira, que foi muitas vezes oelo de ligao entre a teoria e a prtica, com a certeza que os seus conhecimentos na rea

foram indispensveis para a concretizao deste trabalho. Ao Eng. Delfim Valente pelo apoio

constante e formao de todos os mbitos. Aos restantes colegas que, embora no tendo tido

participao directa no presente trabalho, ajudaram em grande parte da formao que obtive

com este estgio.

Ao Professor Clito Afonso, meu orientador na Faculdade, pelo apoio prestado em todas

as etapas da tese. A sua ajuda, limitada pelo facto de me encontrar a maior parte do tempo na

empresa, foi de uma exactido sem igual.

Aos meus colegas de curso pelo apoio em todo os momentos de formao que agora se

agregam neste trabalho. Em especial aos amigos Joo Almeida e Hugo Sousa, agradeo a

pacincia e boa disposio com que enfrentaram todos os momentos.

Aos amigos em geral pelos momentos de descontraco que me proporcionam, pois sem

estes seria mais difcil trabalhar.

famlia e namorada pela formao, apoio incondicional e tudo mais.


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ndice

RESUMO .....................................................................................................................................III

ABSTRACT ...................................................................................................................................VAGRADECIMENTOS ...................................................................................................................VII

NDICE ........................................................................................................................................IX

NDICE DE FIGURAS .....................................................................................................................XI

NDICE DE TABELAS .................................................................................................................XIII

NOMENCLATURA ......................................................................................................................XV

1.INTRODUO........................................................................................................................... 1

1.1.ASPECTOS GERAIS.............................................................................................................. 1

1.2.AEMPRESA RICHWORLD RENEWABLES.............................................................................. 2

1.3.ENQUADRAMENTO DA TESE............................................................................................... 3

1.4.OBJECTIVOS....................................................................................................................... 4

2.REVISO BIBLIOGRFICA......................................................................................................... 5

2.1.INTRODUO TERICA....................................................................................................... 5

2.1.1. Ciclo frigorfico de Carnot ......................................................................................... 6

2.1.2. Ciclo de compresso de vapor .................................................................................... 7

2.1.3. Outras consideraes sobre sistemas de refrigerao ............................................... 11

2.2.PRINCIPAIS CONSTITUINTES DO CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR................................... 11

2.2.1. Fludo frigorfico ...................................................................................................... 11

2.2.2. Compressores ........................................................................................................... 14

2.2.3. Sistemas de expanso ............................................................................................... 17

2.2.4. Permutadores de Calor ............................................................................................. 22

2.3.MONTAGEM DE UM SISTEMA FRIGORFICO........................................................................ 28

2.4.ESTADO DA ARTE............................................................................................................. 31

2.4.1. Classificao ............................................................................................................. 31

2.4.2. Performances ............................................................................................................ 32

2.4.3. Breve perspectiva histrica ....................................................................................... 35

2.4.4. Mercado .................................................................................................................... 35

2.4.5. Estudo econmico..................................................................................................... 37

2.4.6. Impacto Ambiental ................................................................................................... 39

2.4.7. Estudo Exergtico ..................................................................................................... 40


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2.5.FONTES DE ENERGIA RENOVVEL.................................................................................... 42

2.5.1. Energia solar trmica ............................................................................................... 42

3.DESENVOLVIMENTOS............................................................................................................ 45

3.1.DEFINIO DE PROJECTO................................................................................................. 45

3.1.1. Reconhecimento da necessidade .............................................................................. 46

3.1.2. Definio do problema ............................................................................................. 47

3.1.3. Sntese ...................................................................................................................... 49

3.1.4. Esquema de Princpio............................................................................................... 50

3.1.5. Anlise e optimizao .............................................................................................. 51

3.2.PROTTIPO E TESTES........................................................................................................ 67

3.3.SIMULAO NUMRICA.................................................................................................... 69

3.4.MODELAO 3D .............................................................................................................. 72

4.DISCUSSO............................................................................................................................ 75

4.1.OPES DE PROJECTO...................................................................................................... 75

4.2.INDUSTRIALIZAO E COMERCIALIZAO....................................................................... 76

4.3.SIMULAO NUMRICA E REFRIGERAO........................................................................ 78

4.4.PRAZOS ESTABELECIDOS.................................................................................................. 79

5.CONCLUSES......................................................................................................................... 83

5.1.TRABALHOS FUTUROS...................................................................................................... 84

6.BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................... 85

7.ANEXOS................................................................................................................................ 87

ANEXO ACOMPRESSORDANFOSS........................................................................................ 87

ANEXO BCOMPRESSOR SIAM.............................................................................................. 93

ANEXO CORIFCIOS PARA VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA................................... 94

ANEXO DDIMENSIONAMENTO DE UM VASO DE EXPANSO................................................. 95


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ndice de figuras

FIGURA 1LOGTIPO DA EMPRESARICHWORLDRENEWABLES.................................................... 2

FIGURA 2DIFERENCIAO ENTRE MQUINA FRIGORFICA E BOMBA DE CALOR. ....................... 5

FIGURA 3CICLO FRIGORFICO DE CALOR CARNOT. .................................................................... 6FIGURA 4DIAGRAMA TEMPERATURAENTROPIA DO CICLO DE CARNOT.................................... 7

FIGURA 5DIAGRAMA TEMPERATURAENTROPIA DO UM CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR. .. 8

FIGURA 6DIAGRAMA PRESSOENTALPIA DE UM CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR. ............ 10

FIGURA 7COMPRESSOR VOLUMTRICO (ALTERNATIVO)E COMPRESSOR CINTICO. ............... 15

FIGURA 8PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM COMPRESSOR SCROLL. ................................ 15

FIGURA 9TUBO CAPILAR COM LIGAES ROSCADAS. ............................................................. 18

FIGURA 10PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DE VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA. ..... 19

FIGURA 11CONDENSADOR A AR. ............................................................................................ 23

FIGURA 12-CONDENSADOR DE IMERSO.................................................................................. 24

FIGURA 13CONDENSADOR MULTITUBULAR OU DE CARCAA E TUBOS. .................................. 24

FIGURA 14CONDENSADOR EVAPORATIVO.............................................................................. 25

FIGURA 15CORTE PARCIAL DE UM PERMUTADOR DE PLACAS PLANAS. ................................... 26

FIGURA 16EVAPORADOR DE RECIRCULAO DE LQUIDO POR CONVECO NATURAL. .......... 27

FIGURA 17-CORRECTO POSICIONAMENTO DO BOLBO DE VLVULA TERMOSTTICA. ................ 30

FIGURA 18-CORRECTO ACONDICIONAMENTO DO EXCESSO DE TUBO........................................ 30

FIGURA 19FONTES TRMICAS E FORMAS DE CAPTAO ENERGTICA.................................... 31

FIGURA 20BOMBAS DE CALOR SPLIT( ESQUERDA)E COMPACTAS ( DIREITA). .................... 32

FIGURA 21IMPACTOS AMBIENTAIS DIRECTOS DA OPERAO DE UMA BOMBA DE CALOR....... 39

FIGURA 22CIRCUITO BSICO DE UMA BOMBA DE CALOR PARA ANLISE EXERGTICA........... 40

FIGURA 23RADIAO MDIA MENSAL POR METRO QUADRADO CONSOANTE HORA SOLAR..... 43

FIGURA 24ESQUEMATIZAO DO PROCESSO DE PROJECTO.................................................... 45

FIGURA 25ESQUEMA DE PRINCPIO DA BOMBA DE CALOR COM INTEGRAO SOLAR.............. 50FIGURA 26DIAGRANA PRESSOENTALPIA REFRIGERANTE R410A. .................................... 52

FIGURA 27SOFTWARE DANFOSS RS3+,CURVAS DE PERFORMANCE DE COMPRESSOR. ........... 55

FIGURA 28COMPRESSOR DO FORNECEDORDANFOSSE SIAM. ................................................ 58

FIGURA 29PERMUTADOR DE PLACASALFALAVAL.................................................................. 59

FIGURA 30-VLVULA TERMOSTTICA DE AO INOXIDVELDANFOSS E RESPECTIVO ORIFCIO.

.......................................................................................................................................... 60

FIGURA 31COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA RICWORLD RENEWABLES,A200. .......... 61FIGURA 32ACUMULADOR DE DUPLA SERPENTINA MARCAELBI. ............................................ 62

FIGURA 33FILTRO SECADOR DE MARCADANFOSS. ................................................................. 64
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FIGURA 34VISOR DE LQUIDO MARCADANFOSS. ................................................................... 65

FIGURA 35ACUMULADOR DE LQUIDO MARCA TECNAC. ........................................................ 66

FIGURA 36PRESSOSTATO REGULVEL MARCADANFOSS. ...................................................... 66

FIGURA 37ANALISADOR DE SISTEMAS DE REFRIGERAO MARCA TESTO. ............................. 68

FIGURA 38SIMULAO DE UM CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR SIMPLES. .......................... 70

FIGURA 39DIMENSIONAMENTO DE UM CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR SIMPLES. .............. 71

FIGURA 40UNIDADE INTERIOR DA BOMBA DE CALOR. ........................................................... 73

FIGURA 41-UNIDADE EXTERIOR DA BOMBA DE CALOR............................................................. 74

FIGURA 42ACUMULADOR COM DEPSITO DE INRCIA MARCAELBI....................................... 75

FIGURA 43PLANEAMENTO DO PROJECTO EM MEADOS DE MARO. ........................................ 79

FIGURA 44REAJUSTE DO PLANEAMENTO DE PROJECTO NO INCIO DE JUNHO. ........................ 80


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ndice de tabelas

TABELA 1REFRIGERANTES E GAMAS DE APLICAO. ............................................................. 14

TABELA 2CLASSE DE EFICINCIA ENERGTICA DAS BOMBAS DE CALOR................................. 33

TABELA 3FABRICANTES DE BOMBAS DE CALOR,MERCADO PRINCIPAL E POTNCIAS. ............ 35TABELA 4RESUMO DO ESTUDO ECONMICO. ......................................................................... 38

TABELA 5COMPARAO DE CARACTERSTICAS DE DIFERENTES REFRIGERANTES. ................. 52

TABELA 6COMPARAO DE PROPRIEDADES DE TRANSPORTE A 10C. .................................. 53

TABELA 7CONDIES DE TESTE PARA CERTIFICAOEUROVENTDE BOMBAS DE CALOR. ..... 57

TABELA 8DEFINIO DE ESTADOS PARA ANLISE EXERGTICA. ............................................ 71


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Nomenclatura

A: rea de transferncia de calor [m2]

cpcalor especfico a presso constante [J/kg.K]

: exergia especfica [J/kg]

: exergia [W]

: entalpia especfica [J/kg]

: irreversibilidade [W]

K: coeficiente de transferncia de calor [W/(m.K)]

m: massa [kg]

: caudal mssico [kg/s]

: potncia calorfica de um permutador [w]

qc: calor especfico trocado entre vapor e compressor [J/kg]

Qh: calor cedido fonte quente [J]

Ql:calor retirado fonte fria [J]

: calor especfico retirado fonte fria [J/kg]

: potncia calorfica retirada fonte fria [W].

qreversvel: calor especfico reversvel [J/kg]

s: entropia especifica [J/(kg.K]

: taxa de gerao entrpica [W/K]

T: temperatura [K]

v: volume especfico [m3/kg]

: caudal volmico [m3/s]

W: trabalho fornecido ao sistema [J]

: trabalho real do compressor [W]

: trabalho especfico do compressor [J/kg] : rendimento exergtico

: rendimento indicado (mecnico)


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: rendimento Politrpico

: rendimento Isentrpico

: rendimento Volumtrico

Tdiferena de temperaturas [K]

Tlog: diferena de temperaturas mdia logartmica [K]

ttempo decorrido [s]


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1

1. Introduo

1.1. Aspectos Gerais

A evoluo das solues de conforto humano tem acompanhado a par e passo a prpria

evoluo das comunidades.

Actualmente, a crescente mobilidade das populaes, a industrializao de novas naes

e a referida elevao de requisitos de conforto contribuem para um crescer galopante nos

consumos de energia. Embora as tcnicas de produo desta tenham sofrido grandes avanos,

existem ainda questes problemticas durante estes processos, como os impactos ambientais e

dependncias econmico-sociais gerados.

At h relativamente pouco tempo, os ndices de desenvolvimento dos diferentes paseseram, por vezes, comparados atravs do consumo energticoper capita. Actualmente, embora

nos pases subdesenvolvidos tal prtica seja ainda corrente, as potncias mundiais tendem a

inverter esta abordagem. Poder-se- mesmo afirmar que, para estabelecer comparaes no

nvel de desenvolvimento de um estado, ser mais correcto avaliar o seu desempenho

energtico em vez do consumo. A eficincia do aproveitamento energtico uma das

prioridades dos actuais governos, sobretudo na Unio Europeia. Destacam-se os objectivos

fixados para o ano 2020 (os trs vintes): 20% de reduo nas emisses de gases quepromovem o efeito de estufa, 20% de reduo no consumo energtico atravs de medidas que

promovam a eficincia e 20% de aumento da quota de gerao energtica atravs de fontes de

energia renovveis. Esta ltima cifra-se, presentemente, em 8,5% nos estados membros da

Unio Europeia. Simultaneamente esto tambm a ser delineados objectivos ainda mais

ambiciosos para o ano 2050[1].

Esta preocupao tem vrias fundamentaes. Em primeiro lugar, os impactos

ambientais da actividade humana esto a ter repercusses ainda no completamente definidasno clima do planeta. Por outro lado, a eficincia tambm associada a um factor de

aproveitamento econmico que no deve ser marginalizado. Existe ainda a ameaa de que as

tradicionais fontes de energia, petrleo e seus derivados, se esgotaro ou provocaro graves

conflitos, o que estimula esta nova poltica energtica. Simultaneamente, apesar da grave crise

econmica que se verifica, as fontes de energia renovveis esto cada vez menos dependentes

do apoio financeiro dos estados, sendo j vistas por muitos como negcios e solues

rentveis. Para que esta reputao se solidifique necessrio apostar na qualidade e inovao.


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2

1.2. A empresa Richworld Renewables

ARichworld RenewablesSistemas de Energias Renovveis Limitada uma empresa

com sede em Vila Nova de Gaia, que desenvolve tecnologias e solues no mbito das

energias renovveis e da eficincia energtica que contribuam para a sustentabilidadeenergticae ambiental (figura1). As suas origens remontam ao grupoMartifer. Em Janeiro de2008 inicia a sua actividade enquadrada no referido grupo, tendo sido objecto de um spin off

em Junho de 2009.

Figura 1Logtipo da empresa Richworl d Renewables

No mbito da sua estratgia, aRichworld Renewablesdesenvolveu sobretudo duas reas

de negcio:

Desenvolvimento, design e manufactura de tecnologia trmica, no mbito dasenergias renovveis em regime OEMOriginal Equipment Manufacturer.

Projecto chave-na-mo: para apoiar os clientes oferece projectos com solues

tailor madede elevada eficincia energtica, com base em tecnologias de energias

renovveis.

Actualmente, o portflio de produtos daRichworld Renewablesabrange trs famlias de

colectores solar trmicos para produo de gua quente sanitria, gua quente para utilizao

industrial e gua quente para piscinas. Os colectores tm certificao Solar Keymark, emitida

pelo CERTIF (Associao para a Certificao de Produtos), com ensaios de laboratrio

realizados pelo CENER (Centro Nacional de Energias Renovables Espanha).Fazem ainda

parte do seu portflio sistemas termossifo e de circulao forada.

Com intuito de afirmar o carcter inovador e ampliar a presena internacional da

empresa existem, de momento, trs apostas no plano dos desenvolvimentos. Com a mxima

prioridade, uma bomba de calor com produo agendada para o final de 2010, um colectorsolar concentrador de elevado desempenho para temperaturas at 250 C e uma membrana

modular de fachadas para isolamento trmico e acstico.


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Em 2009, a empresa registou um volume de negcios na ordem dos 2,5 milhes de

euros, que espera quadruplicar no presente ano. Actualmente em fase de expanso, a

RichworldRenewables emprega directamente cerca de 25 pessoas. A integrao de novos

quadros mdios e superiores uma constante. Em relao produo, uma vez que se aposta

cada vez mais na automatizao, o nmero de funcionrios no sofre um crescimento to

acentuado.

1.3. Enquadramento da Tese

Aproximadamente metade da energia consumida pelo utilizador domstico utilizada

para colmatar as necessidades de climatizao e aquecimento de guas sanitrias.

Uma bomba de calor uma mquina que, atravs de trabalho mecnico, possibilita

fluxos de calor em sentido inverso ao natural. Utilizando uma destas mquinas possvel

suprir as referidas necessidades energticas. A utilizao deste tipo de equipamento tem

vantagens de nvel ambiental e econmico que esto fortemente ligadas aos objectivos

enunciados nos aspectos gerais desta introduo.

A energia utilizada pela bomba de calor maioritariamente proveniente do ambiente, ou

seja, resulta da radiao solar a que o planeta est sujeito. Assim sendo, durante a utilizaodestes equipamentos, existe um menor consumo de energia primria com origem no petrleo

e, consequentemente, um menor custo e redues na libertao de gases que promovem o

efeito de estufa.

Esta soluo apresenta-se como uma alternativa aos actuais padres, como o

esquentador ou a caldeira a gs. luz do recente Regulamento das Caractersticas de

Comportamento Trmico dos Edifcios (RCCTE) prev-se que as necessidades energticas

dos edifcios diminuam. As oportunidades passam, no s pelas novas construes, mastambm pelas renovaes domsticas, onde cada vez mais o utilizador final estar

energeticamente consciente. Estes equipamentos representam investimentos iniciais mais

avultados do que os que utilizam combustveis fsseis, mas tornam-se economicamente

compensatrios, pois reduzem significativamente a factura mensal. Este argumento ter

importante relevncia na comercializao do produto final.

Se falarmos em construo de raiz o custo de uma bomba de calor estar dissolvido no

custo de obra, ao mesmo tempo que se apresenta como uma mais-valia do imvel. NaAmrica, um tero das habitaes unifamiliares construdas na ltima dcada est equipada

com uma bomba de calor.


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4

A bomba de calor a desenvolver pretende ser um complemento a painis solares, que

assegure a energia necessria na ausncia de radiao, por exemplo, durante a noite. Existem

actualmente no mercado produtos que associam bombas de calor a colectores solares

trmicos. Verifica-se, no entanto, que em todos os casos esta associao posterior ao

projecto. Com esta oportunidade possvel dimensionar componentes e controlar o

equipamento de forma a optimizar a eficincia energtica. Recorde-se ainda que, revertendo o

sentido do ciclo em que a bomba de calor trabalha e utilizando exactamente os mesmo

componentes, possvel arrefecer o edifcio.

1.4. Objectivos

Os objectivos desta tese so projectar e construir uma bomba de calor com

aproveitamento de energia solar.

Desde logo ser necessria uma reviso dos contedos tericos, bem como efectuar um

estudo de mercado para decidir que tipo de mquina construir. Ser fundamental a definio

da potncia e alguns dos aspectos construtivos; decidir que tipo de ciclo termodinmico

utilizar, dimensionar componentes, adquirir competncias prticas na rea; preparar um plano

de certificao e estruturar as fases de industrializao e comercializao.

Durante todo este processo ser importante manter a ligao s necessidades do

comprador, nomeadamente em questes como design, controlo e preo.

Pretende desenvolver-se um projecto que, respeitando todos os princpios inerentes

utilizao de uma bomba de calor, tenha um preo competitivoe apresente alguns elementos

de diferenciao.

Posteriormente, a Richworld Renewables pretende dar continuidade e evoluir este

projecto, pelo que todo o processo de aquisio de conhecimentos dever ficar solidamente

documentado e orientado para este efeito.


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2. Reviso bibliogrfica

2.1. Introduo terica

Uma das principais aplicaes da termodinmica a refrigerao. Esta consiste na

transferncia de calor de uma regio a uma temperatura inferior para uma outra a temperatura

superior.

Os dispositivos que realizam a refrigerao denominam-se mquinas frigorficas ou

bombas de calor, conforme o efeito desejado seja arrefecer ou aquecer um espao (figura 2).

Apesar de terem designaes distintas estas mquinas utilizam os mesmos componentes e

operam de maneira semelhante. possvel alternar entre os dois tipos de funcionamento,

munindo o sistema de uma vlvula inversora de ciclo. Verifica-se, no entanto, que por

consideraes de projecto, uma mquina reversvel dificilmente ter o mesmo desempenho a

desempenhar as duas funes.

Figura 2Diferenciao entre mquina frigorfica e bomba de calor.[2]

Ql: calor retirado fonte fria [J].

Qh: calor cedido fonte quente [J].

W: trabalho fornecido ao sistema [J].Na figura acima distinguem-se os dois tipos de funcionamento: esquerda uma

mquina frigorfica e direita uma bomba de calor.


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2.1.1. Ciclo f r igorfico de Carnot

Do estudo da termodinmica sabe-se que o ciclo mais eficiente a operar entre duas

temperaturas o de Carnot. Uma vez que este ciclo reversvel, o seu sentido de

funcionamento pode ser invertido sem prejuzo do seu exerccio, dando origem ao ciclofrigorfico de Carnot. Neste, um fluido a baixa presso recebe calor de uma fonte fria;

submetido a um aumento de presso e, consequentemente, de temperatura atravs do trabalho

do compressor; cede sob a forma de calor o excedente energtico que adquiriu e regressa

sua temperatura e presso originais ao passar por uma turbina.

Idealmente, as fontes de calor tm capacidade para trocar calor sem variaes de

temperatura. Consegue concretizar-se esta ideia imaginando a atmosfera como fonte fria e,

por exemplo, uma reaco qumica exotrmica (combusto) como fonte quente. Este processoencontra-se ilustrado na figura 3.

Figura 3 Ciclo frigorfico de calor Carnot.[2]

Este ciclo constitudo por quatro fases, sendo elas as seguintes:

1-2: Troca de calor isotrmica (absoro Ql);

2-3: Compresso adiabtica reversvel;

3-4: Troca de calor isotrmica (libertao Qh);

4-1: Expanso adiabtica reversvel.


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Termodinamicamente, o percurso descrito anteriormente pode ser esquematizado num

diagrama temperatura-entropia da seguinte forma:

Figura 4Diagrama temperaturaentropia do ciclo de Carnot.[2]

COP do ingls Coefficient Of Performance utilizado para caracterizar o

desempenho dos aparelhos de refrigerao.

COP =Ql

W =

Tf

Tq Tf

COPCalor =Ql + W

W=

Qh

W=

Tq

Tq Tf

Para a definio em funo das temperaturas h que ter em conta que qreversvel = T ds

2.1.2. Ciclo de compresso de vapor

O ciclo frigorfico de Carnot, anteriormente descrito, impossvel de ser materializado.

Pode, no entanto, ser aproximado. As duas trocas de calor isotrmicas no so difceis de

serem obtidas pois, mantendo a presso constante numa mistura lquido-vapor, a temperatura

estar tambm fixa. Note-se, porm, que esta troca de calor se d a uma diferena finita detemperaturas, que varia normalmente entre os 5 e os 15 C, pelo que este processo deixa de

ser reversvel.


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A expanso na turbina de um fluido com duas fases levanta problemas de lubrificao e

resistncia dos materiais. Por outro lado, o trabalho lquido que se obtm pela utilizao desta

muito reduzido em relao ao trabalho necessrio para accionar o compressor, pelo que

financeiramente no compensa a sua utilizao. Na prtica, esta substituda normalmente

por uma vlvula de expanso.

Na etapa de compresso levantam-se questes semelhantes no que toca presena da

fase lquida. A presena desta fase promove o desgaste dos compressores e compromete a

integridade das partes mais sensveis do mesmo. Por estes factos importante que neste

gnero de ciclos se utilize a compresso seca. Existem, contudo, algumas ressalvas a fazer.

Para assegurar a compresso seca fcil promover o sobreaquecimento do fluido antes de

entrar no compressor. Imediatamente o volume especfico do fluido aumenta, pelo que ocompressor ter que assumir maiores dimenses. Com isto corre-se ainda o perigo de elevar

demasiado a temperatura sada do compressor, causando novamente riscos integridade do

mesmo.

Num ciclo de compresso de vapor promove-se normalmente um outro efeito

semelhante, o subarrefecimento, para aumentar o efeito frigorfico e garantir a presena de

lquido entrada do sistema de laminagem.

A figura seguinte traduz um ciclo de compresso de vapor sem sobreaquecimento:

Figura 5Diagrama temperatura entropia do um ciclo de compresso de vapor.[3]


25/111


9

Apesar de o ciclo apresentado diferir do ciclo de Carnot, as principais etapas presentes

nestes so idnticas, distinguindo-as apenas as condies em que se realizam.

Segue-se a anlise deste ciclo (terico), luz da 1 lei da termodinmica, considerando

desprezveis variaes de energia cintica e potencial.

No evaporador:

= 1 4 (efeito frigorfico)

No compressor:

= 2 1 + qc

Na maioria dos casos o valor de qc (calor trocado entre vapor e compressor)

desprezvel face aumento de entalpia verificado.

No condensador:

= 2 3 (efeito em funcionamento como bomba de calor)

No sistema de laminagem (vlvula expansora):

3 = 4

Considerando massa e tempo escrevem-se as seguintes equaes:

= (1 4) (potncia frigorifica)

=

=11

(1 4)

Com esta ltima equao percebe-se que a potncia frigorfica depende

fundamentalmente de dois factores:

Caudal volmico admitido pelo compressor, que depende essencialmente das suas

dimenses e velocidade.

Diferena de entalpias entre estados sobre o volume especifico entrada do

compressor, que depende do fluido frigorignio utilizado e das condies de

trabalho.

Potncia de compresso:

= 2 1 =11

2 1


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10

COP (Coefficient Of Performance):

COP =1 42 1

Se falarmos numa mquina frigorfica a funcionar como bomba de calor ser maisimportante definir a potncia calorfica resultante:

= (2 3)

e

COPCalor =2 32 1

s consideraes anteriormente feitas, em relao aos ciclos tericos h ainda a

acrescentar alguns efeitos que se fazem sentir nas montagens finais. Destacam-se perdas de

carga no condensador, no evaporador e no restante circuito que, aliadas ao facto da

compresso no ser isentrpica, resultam num aumento do trabalho de compresso. Tomando

em conta todos estes factores, o ciclo real pode ser representado num diagrama presso-

entalpia da seguinte forma:

Figura 6Diagrama pressoentalpia de um ciclo de compresso de vapor.[3]

Da figura acima apresentada destacam-se as quedas de presso nos permutadores de

calor e a visualizao do subarrefecimento e sobreaquecimento presentes nos ciclos reais.


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11

2.1.3. Outr as consideraes sobre sistemas de refr igerao

Um sistema de refrigerao pode ser accionado de diversas formas. Tradicionalmente, a

maioria dos sistemas de refrigerao que fazem uso do sistema de compresso de vapor

operada electricamente. Tal facto deve-se simplicidade e conhecimentos prticos que j seadquiriram sobre este tipo de mquinas. Opcionalmente, os equipamentos de refrigerao

podem ser accionados termicamente ou de forma hbrida.

Existem ciclos termodinmicos mais complexos, como o ciclo de compresso a vapor

em andares ou os sistemas em cascata. Estes permitem, ainda que a custo de um aumento de

complexidade e consecutivamente de preo, uma melhoria nas performances e capacidade dos

sistemas trabalharem com temperaturas mais extremas.

Por fugirem ao mbito do presente trabalho, outros ciclos como os transcrticos ou os a

gs no sero abordados, embora apresentem ptimas caractersticas para realizar este tipo de

funes, sobretudo em aplicaes industriais.

2.2. Principais constituintes do ciclo de compresso de vapor

At a este ponto, todas as apreciaes feitas sobre o ciclo de compresso de vapor no

tiveram em considerao as solues utilizados para o realizar. Existem diversas opes paraos vrios elementos, pelo que de seguida se apresentam as que tem sido mais utilizadas nesta

indstria.

2.2.1. F ludo fr igorfico

O refrigerante utilizado tem grande influncia no desempenho dos sistemas de

compresso de vapor. A adequao de um fludo frigorignio a uma dada aplicao determinada pelas suas propriedades fsicas, termodinmicas, qumicas e por uma srie de

outros factores como, por exemplo, o seu potencial de devastao ambiental.

Cada um dos factores, seguidamente evidenciados, pesar na escolha do fludo

frigorignio mais indicado para uma dada aplicao.

Presso de evaporao. de grande relevncia que o seu valor seja sempre superior

presso atmosfrica, mesmo para baixas temperaturas. Desta forma, caso existam

fugas, garante-se que no existem infiltraes de ar que prejudicam o desempenho da

instalao.


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12

Presso de condensao. Um valor demasiado elevado obriga utilizao de

componentes no circuito de alta presso com propriedades mais exigentes. Com isto,

crescem riscos e custos.

Temperatura de congelao. Projectam-se os sistemas para que em nenhum pontoexista o risco de congelao.

Calor latente de vaporizao. Atravs deste dar-se- o transporte energtico. Convir,

portanto, que o seu valor seja to elevado quanto possvel para que se obtenha um

grande efeito frigorfico por unidade de massa.

Inflamabilidade. importante que o fludo no seja inflamvel qualquer que seja a

sua concentrao no ar.

Toxicidade. Obviamente a toxicidade para o ser humano algo que deve ser evitado.

Apesar disso, verifica-se que esta toxicidade est muitas vezes relacionada com a

concentrao do fluido no ar.

Estabilidade relativamente aos materiais dos componentes. Os diversos materiais

constituintes da instalao frigorfica no devero ser atacados pelo fludo

refrigerante.

Deteco. As fugas de refrigerante devero ser pronta e facilmente detectadas para

minimizar perdas e garantir a sua rpida reposio.

Viscosidade e condutibilidade trmica. Para maximizar a transferncia de calor

convm que a viscosidade seja mnima e a condutibilidade trmica o mais alta

possvel.

Solubilidade no leo. A indstria utiliza as duas possibilidades e adopta para cada

uma delas diferentes solues. Se o fludo no for solvel no leo necessrio munir

a instalao de separadores. Caso seja miscvel, a velocidade no evaporador e na

linha de suco devem ser suficientemente elevadas.

Custos. Quanto mais baixo o custo do refrigerante mais apelativo se torna. Verifica-

se, no entanto, que o custo de enchimento da instalao muitas vezes uma pequena

percentagem do custo total, pelo que este ponto perde alguma relevncia.

Na prtica, diferentes aplicaes tm diferentes requisitos, pelo que se utilizam

diferentes refrigerantes. Embora os pontos indicados sejam globalmente aceites como os mais

desejveis, cada instalao ter as suas caractersticas especficas e, consequentemente,poder exigir um outro pressuposto ou relaxar um dos apresentados.


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13

A nomenclatura dos fluidos frigorignios respeita normas especficas desenvolvidas

pelaASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers).

Assim, os fluidos so designados pela letra R de refrigerantes e seguidos por um nmero

relacionado com a sua composio qumica. Em alguns casos, estas designaes so

substitudas por nomes comerciais como, por exemplo, Freon-12.

Os refrigerantes podem ser divididos em dois grandes grupos: os sintticos e os

naturais. Os sintticos provm da sintetizao do metano (CH4) ou do etano (C2H6), em que

um ou mais tomos de hidrognio so substitudos por tomos de cloro, flor e bromo.

Independentemente de provirem do metano ou etano comum agrupar os refrigerantes

sintticos nos trs grandes grupos que a seguir se apresentam:

CFCs - clorofluorcarbonetos (dos quais se destacam R11, R22 e R502);

HCFCs - hidroclorofluorcarbonetos, que so CFCs halogenados (por exemplo, R22

e R123);

HFCshidrofluorcarbonetos, que no contm cloro na sua estrutura molecular (por

exemplo, R32 e R134a).

Verifica-se tambm que, por vezes, se trabalha com refrigerantes que no so puros, isto

, so uma mistura de dois refrigerantes. Uma mistura azeotrpica aquela que no pode ser

separada por destilao nos seus constituintes. Este tipo de mistura evapora e condensa como

uma nica substncia de propriedades diferentes dos seus constituintes. Estes compostos so

designados pelo nmero 5xx, por exemplo, R507. Em oposio, as misturas zeotrpicas so

designadas pelo nmero 4xx, por exemplo, R410a ou R407c.

Conseguem destacar-se trs fases na utilizao dos diferentes fluidos refrigerantes.

Inicialmente, os refrigerantes naturais, como o amonaco (NH3), o dixido de carbono (CO2),

a gua (H2O), o ar e os hidrocarbonetos (butano e propano) eram os nicos conhecidos e,

portanto, os nicos utilizados.

Em 1928, com a descoberta dos CFCs e HFCs houve uma mudana para a utilizao

destes na quase totalidade dos sistemas de refrigerao. Em 1970, com o despertar para a

proteco ambiental do planeta, constatou-se que os refrigerantes utilizados, no s destruam

a camada de ozono da atmosfera terrestre, como promoviam o efeito de estufa e

consequentemente o aquecimento global. Foram feitos esforos para quantificar estes

malefcios com a definio de Potencial de Destruio do Ozono (ODP do ingls Ozone

Depletion Potencial) e o Potencial de Aquecimento Global (GWP do ingls Global Warming

Potential).


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14

O ODP a razo entre o impacto no ozono de uma dada substncia qumica comparada

ao impacto da mesma massa de R11. O GWP a razo entre o aquecimento provocado por

uma substncia e o provocado por igual massa de CO2. do senso comum que, por exemplo,

as viaturas emitem quantidades elevadssimas de CO2, pelo que o efeito dos gases

refrigerantes no aquecimento global poder ser considerado diminuto. Por outro lado, a

debilitao da camada de ozono revelou-se, at dcada de 90, um problema galopante.

Posto isto, as comunidades internacionais decidiram impor medidas rgidas para banir o

cloro dos sistemas de refrigerao. Neste momento, os CFCs no se produzem nem so

utilizados. Quanto aos HCFCs, por se tratarem de gases de transio, esto ainda em

utilizao, se bem que muitos dos fabricantes de equipamentos s disponibilizam unidades de

reposio, contribuindo assim para o esforo de substituio deste tipo de fluidos. Nestemomento, a maioria dos fabricantes projecta para refrigerantes cujo ODP e GWP so

referncias.

Apresenta-se em seguida um quadro resumo deste ltimo passo de transio.

Tabela 1Refrigerantes e gamas de aplicao. [3]

Gama de

T (C)

AplicaoRefrigerante

Clssico

Refrigerante

substituto0 a 10 Ar condicionado

CFC: R11, R12HCFC: R22

R134AR410A

-25 a 0 RefrigeraoCFC: R12

HCFC: R22

R134AR290

R410A

-50 a -25 Refrigerao a baixastemperaturas

CFC: R502R507

R407A

< -50 Refrigerao a muito baixastemperaturas

CFC: R13 R23

2.2.2. Compressores

Os compressores utilizados nas instalaes frigorficas so de primordial importncia.

Este componente responsvel pela transformao de energia elctrica em trabalho. Quanto

mais alto for o rendimento desta transformao, mais elevado ser o rendimento da instalao.

Existem diversos tipos de compressores que so normalmente agrupados em dois

grandes grupos: volumtricos ou de deslocamento positivo e os roto-dinmicos ou dedeslocamento cintico.


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15

Nos compressores volumtricos a compresso executada num espao fechado,

existindo uma separao fsica do refrigerante a baixa presso (admisso) e do refrigerante a

alta presso (escape). J nos do segundo grupo, a compresso obtida pela transformao de

energia cintica em energia de presso. A figura 7 pretende realar estas diferenas.

Figura 7Compressor volumtrico (alternativo) e compressor cintico.

Uma vez que os compressores roto-dinmicos so utilizados em aplicaes muito

especficas no sero abordados no presente texto.

Dentro dos compressores volumtricos existem vrias classificaes possveis. Porexemplo, os compressores alternativos so normalmente classificados quanto forma

(horizontal, vertical em Vou em W), quanto ao tipo de construo (aberto, semi-hermtico ou

hermtico), quanto ao nmero de efeitos (simples ou duplo) e quanto ao nmero de estgios

de compresso (num andar, dois andares). Quanto aos compressores rotativos, estes so

normalmente divididos em dois grupos: pisto e alhetas. J os compressores de parafuso so

classificados como mono parafuso ou de duplo parafuso. Em relao aos compressores

helicoidais no corrente qualquer subdiviso, a construo deste tipo de compressores normalmente bastante semelhante, havendo apenas diferenciao na geometria dos

componentes que realizam a compresso. A figura que se segue esquematiza o princpio de

funcionamento de um compressorscroll (helicoidal).

Figura 8 Princpio de funcionamento de um compressor Scroll.


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16

Neste tipo de compressores existe uma espiral fixa e uma mvel que desenvolve um

movimento rotativo sobre a primeira. Com isto conseguem-se variaes de volume que

foram o aumento de presso.[4]

Uma vez que as cargas trmicas variam consideravelmente, raramente um compressorfunciona sua carga mxima. , portanto, interessante existir a possibilidade de modular a

potncia frigorfica de um compressor. A regulao da capacidade dos compressores feita

fundamentalmente das seguintes formas:

Tudo ou nada (on-off);

Variando a velocidade do compressor;

Controlo por degraus;

Variando o volume da cmara de compresso;

Expandindo o vapor na conduta de admisso;

Forando o retorno de algum vapor quente admisso do compressor.

Existem situaes especficas para cada tipo de compressor que no justifica aqui tratar.

O controlo tudo ou nada o mais comum, principalmente para compressores de

pequena dimenso que podem parar e arrancar frequentemente. O controlo facilmente

efectuado por um termstato, devidamente ajustado para o diferencial de temperaturadesejado. Para se utilizar o controlo por variao de velocidade do compressor necessrio

que o motor tenha tambm essa capacidade. Podem por ventura usar-se caixas de velocidades

ou motores de combusto interna.

O controlo por degrau pode ser efectuado recorrendo-se s tcnicas referidas no perodo

anterior ou pela associao de vrios compressores. A variao de volume da cmara de

compresso facilmente compreensvel quando est presente o conceito de espao morto num

cilindro alternativo. Associado a este espao cria-se uma cmara auxiliar que permite ajustar ovolume de compresso. Actualmente, nos compressores helicoidais tambm possvel variar

o volume de compresso. As duas ltimas regulaes apresentadas so semelhantes, uma vez

que utilizam a capacidade de manipular o fluido para que o resultado do trabalho se aproxime

do pretendido.

Existem vrias explicitaes termodinmicas do processo de compresso. Por motivos

de simplicidade matemtica, estas recaem sobre os compressores alternativos. Alguns dos

conceitos desenvolvidos so relevantes para todos os tipos de compressor, pelo que seexplicitam de seguida.


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17

Rendimento Volumtrico ()- a razo entre o volume de refrigerante admitido emcada ciclo e o volume da cmara de compresso. Quanto mais elevado o rendimento

volumtrico de um compressor, maior ser a potncia debitada.

Rendimento Isentrpico ()representa a razo entre a diferena de entalpia do fluido entrada e sada do compressor, se fosse comprimido de forma isentrpica, e a diferena de

entalpia entre entrada e sada do compressor.

=

Rendimento indicado (mecnico) () a razo entre a energia recebida pelorefrigerante e a energia que necessrio fornecer para efectuar a compresso. determinado

experimentalmente.

=

Rendimento Politrpico( )- representa a razo entre o trabalho de compresso e aenergia necessria compresso. sobretudo utilizado para evidenciar a relao entre as

quantidades de calor e trabalho postas em jogo.

=

2.2.3. Sistemas de expanso

A indstria usa diferentes dispositivos para realizar a fase de expanso, consoante o

grau de preciso necessrio. Globalmente, um elemento de expanso no mais do que um

orifcio ou qualquer outro tipo de restrio, que est presente para assegurar a reduo de

presso necessria para que a mudana de fase no evaporador se processe a baixa temperaturae garantir uma regulao de caudal de refrigerante no evaporador que vena a carga trmica a

presente. Em alguns sistemas simples, a vlvula tem ainda a funo de controlar o estado do

vapor sada do evaporador para que a compresso se realize eficientemente.

Vlvula de Expanso Manual

o tipo mais antigo de vlvulas de expanso. Tal como o nome indica, requer a

monitorizao contnua de um operador que, abrindo ou fechando a vlvula, ajusta o caudal

carga trmica presente e assegura a presena de vapor sobreaquecido entrada do


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compressor. O operador verifica as condies do fludo atravs de um manmetro e de um

termmetro. Se o sobreaquecimento for demasiado, o operador abre a vlvula para permitir a

passagem de mais fludo frigorifico. Em condies opostas age de forme inversa, fechando a

vlvula e aumentado o grau de sobreaquecimento presente. A queda de presso conseguida

na restrio colocada por uma agulha ao escoamento.

Hoje em dia, este tipo de vlvulas tem uma utilizao secundria. Muitas vezes so

usadas como recurso em situaes de manuteno dos mais banalizados sistemas de expanso

auto-regulveis.

Tubo Capilar

Um tubo capilar um sistema de expanso constitudo por um tubo de comprimento

varivel entre 1 e 6 metros e cujo dimetro interior varia, geralmente, entre os 0,5 e os 2

milmetros. Como se deduz pela explicitao do sistema, este muito simples e

consequentemente econmico (figura 9). A sua utilizao muito frequente, especialmente

nos sistemas de baixa potncia (inferior a 10 kW).

Figura 9Tubo capilar com ligaes roscadas.

A queda de presso no tubo capilar acontece por perdas de carga associadas ao

escoamento do fludo e tambm pela sua acelerao. A seleco de um tubo capilar est

intimamente ligada carga trmica presente e ao compressor a utilizar na instalao. O caudal

aspirado pelo compressor obrigatoriamente aquele a que o tubo capilar permite a passagem.

Verifica-se, no entanto, que variando a carga trmica se variam as presses de evaporao e

condensao. Isto provoca uma alterao do caudal que passa no tubo capilar at que seencontre um novo ponto de equilbrio de funcionamento.


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Este tipo de sistema de expanso tem grande interesse prtico e, por isso mesmo, tem

sido alvo de alguns estudos tericos que permitem o seu dimensionamento. possvel

encontrar na bibliografia extensos desenvolvimentos matemticos que permitem estimar as

caractersticas necessrias a um tubo capilar para garantir uma boa expanso e, por

consequncia, um correcto desempenho da instalao. Destaque-se que, pelas caractersticas

anunciadas anteriormente, este sistema no indicado para variaes de carga trmica

acentuadas.

Vlvula de expanso termosttica

Uma vlvula termosttica capaz de controlar o grau de sobreaquecimento do vapor

sada do evaporador, conseguindo desta forma uma alta eficincia deste equipamento,

independentemente de menores ou maiores variaes na carga trmica presente.

Para ser capaz de regular o grau de sobreaquecimento do fluido, esta vlvula necessita

de feedback sada do evaporador. Esse feedbackpode ser feito por equalizao interna, em

que um bolbo posto em contacto com a tubagem, imediatamente aps o evaporador. Em

caso de evaporadores com grande queda de presso (correspondente a 2 K), a vlvula deve ser

auxiliada por equalizao externa. Esta exige uma tomada de presso junto ao bolbo.

Uma vlvula vem preparada para um determinado fluido, atravs de uma tenso

provocada por uma mola. A construo da vlvula (figura 10) proporciona que se estabelea

uma relao entre as foras concorrentes: resultante da presso do bolbo (P1), resultante da

baixa presso (evaporador, P2) e resultante da tenso da mola (P3).

Figura 10Princpio de funcionamento de uma vlvula de expanso termosttica. [5]


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20

Com o resultado das foras concorrentes, a vlvula abre ou fecha consoante a variao

da carga no evaporador. Esta abertura regulada por uma agulha e orifcio que, muitas vezes,

substituvel, permitindo desta forma que uma vlvula consiga lidar com vrias gamas de

potncias. Exemplificando, se o vapor sada do evaporador tiver uma temperatura elevada, a

presso transmitida pelo bolbo ser tambm elevada, o que causa a abertura da vlvula.

Verificando-se que a temperatura sada do evaporador no suficiente, as foras resultantes

da tenso da mola e do circuito de alta presso garantem o fecho da vlvula, permitindo assim

que o fluido presente no evaporador absorva toda a carga trmica e, consequentemente,

aumente o seu grau de sobreaquecimento. A tenso da mola normalmente ajustvel, isto ,

pode controlar-se o grau de sobreaquecimento do fluido. Normalmente este estabelecido nos

7 C.

Embora o uso da equalizao interna seja o mais corrente, a equalizao externa ser a

mais fivel, pois em sistemas reais existem perdas de carga no evaporador. Com isto poder-

se-ia comprometer de alguma forma o balano de foras que se pretende estabelecer na

vlvula. Ao utilizar a equalizao externa, a medio efectuada pelo bolbo independente da

presso que se verifica no evaporador.

No entanto, quando utilizada devidamente, a equalizao interna garante um bom

desempenho de instalaes frigorficas simples. Um correcto posicionamento do bolbo umdos cuidados a ter. Idealmente, este dever ser posicionado num troo horizontal da tubagem

antes de um sifo para que a transferncia de calor da tubagem para o bolbo seja maximizada.

Os bolbos podero vir carregados com 3 tipos de carga:

Carga universal utilizada onde no h nenhuma exigncia de limite de presso e

onde o bolbo pode ser colocado mais quente que o elemento ou em

temperatura/presso de evaporao alta.

Carga MOP (Maximum Operating Pressure) Limita a presso no fim do

evaporador. As vlvulas de expanso com MOP tm uma carga muito pequena no

bolbo. Isto significa que a vlvula ou o elemento deve ser colocado mais quente do

que o bolbo. Se tal no acontecer, a carga pode migrar do bolbo para o elemento e

evitar que a vlvula de expanso funcione. A carga ter evaporado quando a

temperatura atingir o ponto MOP, garantido assim o fecho total da vlvula. MOP

frequentemente denominado como Motor Overload Protection, ou seja, Proteco

contra Sobrecarga do Motor.

Carga de ballast MOPfunciona do mesmo modo da anterior, mas o bolbo tem uma

construo que garante uma maior inrcia na transmisso dos sinais. Esta vlvula


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tem, portanto, um efeito amortecedor no controlo dos sistemas e utilizada naqueles

em que a carga trmica sofre variaes contnuas.

Por razes de custo facilidade de instalao, as vlvulas de carga universal so as mais

comuns.

Vlvula de expanso de controlo electrnico

Seguindo a tendncia do controle electrnico utilizam-se, em vrios sistemas, vlvulas

de expanso cujo controlo feito electronicamente. Este gnero de vlvulas deriva das

vlvulas de expanso termostticas. Um sensor regista as condies do fluido sada do

evaporador, transmite-as a um elemento de controlo que, por sua vez, envia um potencial

elctrico para a vlvula. Este potencial elctrico , ento, transformado numa posio da

agulha da vlvula, controlando assim o caudal que por ela passa.

Este tipo de vlvulas apresenta grandes vantagens face s vlvulas de expanso

termostticas. A monitorizao das condies do fluido imediata, ao contrrio do tempo que

o bolbo demora a absorver e a transmitir essa mesma informao. O controlo da agulheta

pode ser extremamente preciso e diligente, com algumas das vlvulas a ocuparem uma de

2000 posies no espao de 20 milmetros e com tempos de reaco inferiores a 1 segundo.Por outro lado, estas vlvulas implicam ainda custos elevados que, muitas das vezes, no

justificam o investimento.

Vlvula automtica

Uma vlvula automtica regula a injeco de lquido no evaporador, de forma a manter

a presso de evaporao constante. So, normalmente, utilizadas em instalaes com

evaporadores do tipo seco, especialmente em refrigeradores comerciais, em que os produtos

so sensveis a variaes da temperatura de evaporao.

Este tipo de vlvulas no controla o estado do refrigerante sada do evaporador, logo

no adequado para aplicaes onde se prevejam grandes variaes de carga trmica.

Adicionalmente, estes sistemas devero estar munidos de controlo, para que o compressor no

funcione em condies adversas, isto , prximas da regio de vapor hmido. O

funcionamento deste tipo de vlvulas semelhante ao das vlvulas termostticas; no entanto,

no somatrio das foras entra tambm uma resultante da presso atmosfrica e a do bolbo

substituda pela presso entrada do evaporador


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Vlvula de flutuador

Para maximizar o desempenho dos evaporadores do tipo inundado e do tipo de carcaa e

tubos conveniente que se mantenha neles um nvel de lquido aproximadamente constante.

As vlvulas de flutuador servem tal propsito. Estas podem ser utilizadas no lado de baixa oualta presso. Um flutuador inserido num acumulador de lquido colocado imediatamente

antes ou depois da vlvula. A posio deste flutuador transmitida vlvula por elementos

mecnicos que, conforme a presena de caudal excessivo num dos lados, promove a abertura

ou fecho da vlvula.

2.2.4. Permutadores de Calor

A transferncia de calor um dos tpicos em que se tm feito grandes investimentos,

uma vez que do melhoramento deste aspecto podem resultar aumentos de desempenho

considerveis das instalaes.

Os permutadores de calor so objecto de estudos muito detalhados. Interessa, no

presente documento, destacar as principais tecnologias utilizadas em condensadores e

evaporadores.

Anlise trmica

A potncia calorfica trocada num permutador de calor calculada pela seguinte

frmula:

=

Potncia calorfica [W]

Kcoeficiente de transferncia de calor [W/(m2.K)]

Area exterior de transferncia de calor [m2]

Tlogdiferena de temperatura mdia logartmica [K]

O coeficiente de transferncia de calor K funo dos materiais e solues

construtivas utilizados no fabrico do permutador. A rea exterior de transferncia de calor

A tambm funo da soluo construtiva. A diferena de temperatura mdia logartimica -


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Tlog - poder variar, em funo do permutador utilizado, mas em parte imposta pelas

condies de funcionamento da instalao.

Na prtica verifica-se que, usando materiais de excelente condutibilidade trmica, os

permutadores deixam de ser economicamente viveis e se, por outro lado, se aumentar emdemasia a rea de transferncia de calor, estes deixam de ter uso prtico. Os permutadores de

calor que aqui se retratam so, portanto, um compromisso entre eficincia e ponderaes

econmicas.

Condensadores

Este tipo de permutadores de calor tem como objectivo a rejeio de calor latente do

circuito frigorfico. Simultaneamente, pretende-se que sada deste elemento o fluido esteja

completamente condensado para garantir o melhor desempenho dos restantes componentes da

instalao. Usualmente, para que se verifique a total condensao do fluido, promove-se o seu

subarrefecimento.

Os condensadores dos sistemas frigorficos so, usualmente, classificados de acordo

com o fluido disponvel para o seu arrefecimento.

Nos condensadores a ar (figura 11), o frigorignio condensa dentro de tubos expostos aoar. Uma vez que o coeficiente de transferncia de calor do ar muito pequeno, os tubos so

geralmente alhetados. Se, ainda assim no se conseguir a transferncia de calor necessria,

abandona-se a conveco natural, em que os fluxos de ar se do por meios exclusivamente

naturais e recorresse conveco forada, em que o caudal de ar que passa pelo permutador

funo de um ventilador.

Atente-se que a disposio do ventilador tem grande relevncia no efeito de

transferncia de calor. Outra caracterstica que tem grande influncia na eficincia destes

permutadores a deposio de elementos sobre o prprio permutador. Por exemplo, p e

outras sujidades implicam grandes perdas no coeficiente de transferncia de calor.

Figura 11Condensador a ar.


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Dos condensadores a gua destacam-se sobretudo trs tipos.

Os condensadores de tubo duplo em contra corrente so essencialmente constitudos por

dois tubos concntricos de dimetros diferentes. Enquanto o frigorignio passa entre os dois

tubos, a gua de arrefecimento passa pelo interior do tubo de menor dimetro.

Os condensadores de imerso (figura 12) so constitudos, basicamente, por um

depsito no interior do qual se situa uma serpentina por onde passa a gua de refrigerao. Os

maiores problemas destes permutadores so a sua difcil limpeza e o facto de o cobre,

utilizado na serpentina, ser um metal macio e, por isso mesmo, no permitir velocidades de

escoamento muito elevadas (sempre inferiores a 2 m/s). Para alguns dos fluidos frigorignios

no admissvel a utilizao do cobre, visto que este pode reagir com os mesmos.

Figura 12 - Condensador de imerso

Os condensadores multitubulares ou de carcaa e tubos (figura 13) so em tudo

idnticos aos condensadores de imerso. Contudo, a serpentina substituda por diversos

tubos por onde passa a gua de refrigerao.

Figura 13Condensador multitubular ou de carcaa e tubos.

Neste tipo de sistemas prtica comum recorrer-se recuperao da gua atravs de

uma torre de arrefecimento. Nesta, pulveriza-se a gua quente, proveniente do condensador,

sobre superfcies de madeira ou plstico em contra-corrente com ar.


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25

Os condensadores evaporativos (figura 14) tm um princpio de funcionamento

semelhante ao das torres de arrefecimento. Nestes, os tubos de fluido frigorignio so

pulverizados com gua ao mesmo tempo que, em sentido contrrio, se desloca um fluxo de ar

impulsionado por um ventilador. Atravs da evaporao da gua no exterior dos tubos,

consegue-se a condensao do fluido no interior. O desempenho destes condensadores

depende, em grande parte, das condies do ar atmosfrico, sendo o seu uso indicado para

climas secos. Simultaneamente, a necessidade de grandes tubagens de refrigerante implica um

maior risco de fugas.

Figura 14Condensador evaporativo

Quando existirem problemas no espao disponvel para a instalao poder-se- utilizar

um permutador de placas planas. Este tipo de permutador apresenta uma enorme rea til de

transferncia de calor, face s suas dimenses de atravancamento. Essencialmente constitudo por um nmero varivel de placas sobrepostas que criam canais por onde circulam

os diferentes fluidos (figura 15). Alternando o fluido que passa por camadas sucessivas

assegura-se uma excelente distribuio energtica e, assim, uma grade eficincia de permuta.


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Figura 15Corte parcial de um permutador de placas planas.

Para sistemas mais complexo e mais exigentes usam-se, por vezes, vrias destas

solues em srie, dando origem a condensadores mistos (ar e gua).

Evaporadores

Os evaporadores apresentam uma panplia de solues construtivas muito diversa. Uma

maneira de os classificar, de forma prtica, consiste em dividi-los em evaporadores secos,

inundados e de carcaa e tubos. Todos estes princpios construtivos podem ser comparveis

aos de construo de condensadores e vice-versa.

Nos evaporadores secos, o refrigerante proveniente do sistema de laminagem

directamente admitido, sendo totalmente evaporado ao longo do seu comprimento. A

constituio bsica deste tipo de permutador um tubo moldado da forma mais conveniente

idntico a um condensador a ar. Por vezes, ao invs de se utilizar apenas um tubo, o fluido

encaminhado para diversos tubos atravs de um distribuidor. Para aumentar o coeficiente de

transferncia de calor neste tipo de permutadores normal alhetar o tubo ou tubos que o

formam.

Os evaporadores de carcaa e tubos so, normalmente, utilizados para o arrefecimento

de lquidos por expanso directa do refrigerante. So constitudos por um feixe de tubos

envolvidos por um cilindro idntico a um condensador de carcaa e tubos. O refrigerante


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poder circular no interior dos tubos e o lquido a arrefecer circular livremente pelo cilindro,

ou vice-versa.

Nos evaporadores inundados ou de recirculao de lquido circula mais refrigerante do

que aquele que possvel evaporar. O fluido proveniente do sistema de expanso separadonas suas fases constituintes num depsito apropriado. Enquanto o vapor segue para o

compressor, o lquido vai para o evaporador, obtendo-se sua sada vapor hmido que

separado nas suas duas fases no mesmo depsito. Este possui uma vlvula de nvel que

permite que passe uma quantidade de refrigerante igual que foi evaporada. A circulao do

lquido pode ser feita por conveco natural (figura 16) ou por circulao forada.

Figura 16Evaporador de recirculao de lquido por conveco natural.

Em alguns tipos de evaporadores, sujeitos a temperaturas inferiores de solidificao da

gua, existem problemas de congelamento. Com esta solidificao em volta do evaporador

cria-se uma camada isolante que prejudica o desempenho do mesmo. Para prevenir tal facto

importante escolher evaporadores com espaamento entre alhetas suficiente para minimizar

este fenmeno. Ainda assim, grande parte das instalaes frigorficas tem capacidade para

realizar descongelao dos evaporadores. Destacam-se os seguintes mtodos:

Arpara espaos em que o ar esteja a uma temperatura ligeiramente superior a 0 C

frequente desligar-se a instalao e deixar que o prprio ar funda o gelo existente

nos evaporadores.

guaaspergindo gua sob presso nas camadas de gelo, provoca-se a sua fuso.

Salmourano caso das temperaturas de evaporao serem muito baixas, a gua deve

ser substituda por uma substncia com uma temperatura de solidificao inferior

como, por exemplo, salmoura.

Aquecimento elctrico com um conjunto de resistncias elctricas acopladas ao

evaporador consegue-se um aquecimento que promove a fuso de todo o gelo.


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Gs quenteutiliza-se uma deriva de gs quente sada do compressor ou inverte-se

o sentido do ciclo para que este funcione com uma bomba de calor. Quando o gs

quente entra no permutador inicia-se a fuso do gelo.

2.3. Montagem de um sistema frigorfico

O instalador do sistema de refrigerao tem um papel preponderante na performance

dos sistemas projectados. A correcta montagem de um sistema deste tipo pode significar a

diferena entre uma instalao com um funcionamento adequado ou uma constantemente

parada. Os fabricantes de componentes de refrigerao esto de tal forma sensibilizados para

este assunto que publicam revistas, de periodicidade varivel, sobre este assunto. Nestas

publicaes encontram-se alguns conselhos de cariz prtico, devidamente fundamentados anvel terico. Seguem-se alguns destes exemplos.

Compressor

Os compressores devem ser instalados e mesmo transportados na posio vertical. Isto

reduz o risco de movimentao do leo do compressor para zonas onde este no se deve

encontrar.A maioria dos compressores tem um dispositivo de proteco do motor elctrico que o

acciona. Quando se atingem temperaturas demasiado elevadas, a operao do compressor pra

durante alguns minutos para permitir o arrefecimento do motor elctrico.

Brasagem

A brasagem chama um processo de unio de materiais metlicos com a ajuda de ummaterial adicional fundido, a solda. Ao contrrio do que acontece com a soldadura, no so

fundidos os materiais a unir, apenas a solda. Por essa razo, a solda deve ter um ponto de

fuso inferior quele dos materiais base a unir. Uma das vantagens da brasagem, em relao

soldadura, que com ela podem ser unidos entre si muitos tipos de materiais diferentes.

As tcnicas de brasagem distinguem-se consoante a temperatura de trabalho da solda

utilizada. Assim, teremos dois tipos de brasagem: a brasagem fraca e a brasagem forte.

Considera-se temperatura de trabalho, a temperatura a que a solda funde, tornando-setotalmente lquida e fcil de aplicar. Fala-se em brasagem fraca quando temos temperaturas de

trabalho at 450 C e de brasagem forte acima dos 450 C.


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A brasagem de alguns equipamentos sensveis deve ter alguns cuidados extra. O calor

aplicado deve ser sempre desviado, tanto quanto possvel dos equipamentos e. em alguns

casos, dever-se- protege-los promovendo a circulao de um gs como o N 2no interior da

tubagem. Desta forma, garante-se que o calor acumulado mnimo.

Controlo de humidade no sistema

A presena de humidade numa instalao frigorfica no s prejudica o seu

funcionamento, como pe em causa a sua integridade. A humidade do sistema pode provocar

a obstruo do dispositivo de expanso por formao de gelo, a corroso de peas metlicas e

outros danos qumicos, como a deteriorao de vedantes.

A humidade entra no sistema na fase de produo, quando este aberto para

manuteno, e no caso de existir alguma fuga de fluido, tanto nos seus diversos componentes,

como tubagens.

Uma das mais importantes operaes, aquando da montagem do sistema, assegurar

uma correcta eliminao da humidade e restantes contaminantes que se tenham acumulado

nos seus diversos componentes.

Evacuao e carregamento do sistema

Para alm da humidade, outros contaminantes esto normalmente presentes num

sistema:

Escrias provenientes dos processos de soldadura;

Gases externos;

Raspas e resduos de cobre provenientes da tubagem.

Existem vrias formas de efectuar a evacuao de um sistema. Esta pode ser feita,

simultaneamente, pelo lado de aspirao e descarga, ou alternadamente entre estes com

perodos de equalizao de presses sucessivos.

Se a bomba de vcuo disponvel tiver capacidade para tal, possvel submeter o sistema

a uma presso absoluta to baixa (da ordem dos mbar), que sirva simultaneamente para

verificar a estanquicidade do sistema. O vcuo do sistema , normalmente, mantido durante

aproximadamente 5 minutos. sabido, de projectos anteriores na empresa, que este processo

determinante no correcto funcionamento da instalao.


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A carga do sistema , normalmente, efectuada com base em dados do fabricante do

compressor. A sua quantidade controlada, na maioria das vezes, pela massa de refrigerante.

Depois de carregado, o sistema deve ser selado. Isto normalmente conseguido, soldando o

tubo utilizado para o carregamento do sistema.

Vlvula de expanso termosttica

A vlvula de expanso deve ser instalada na linha de lquido, antes do evaporador com o

bolbo preso linha de suco, to prxima do evaporador quanto possvel. O bolbo fica

melhor montado no tubo da linha de suco horizontal e numa posio entre 1 e 4 horas

(figura 17).

Figura 17 - Correcto posicionamento do bolbo de vlvula termosttica.[5]

O bolbo no deve, em circunstncia alguma, ficar na parte de baixo da tubagem, dado

que qualquer ligeira contaminao da linha poder originar sinais falsos. Este deve ser capaz

de detectar a temperatura do vapor de suco sobreaquecido e, portanto, no deve estar

exposto a calor ou frio. Idealmente, deve estar isolado do ambiente em redor e to distante

quanto possvel de outros componentes da instalao. O excesso de tubo que liga o bolbo

vlvula dever ser acondicionado, de maneira a no por em causa uma correcta transmisso

dos sinais (figura 18).

Figura 18 - Correcto acondicionamento do excesso de tubo. [5]


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2.4. Estado da Arte

2.4.1. Classif icao

As bombas de calor so normalmente divididas quanto sua fonte de calor (meio com o

qual fazem a permuta exterior). A figura 19 ilustra as 3 fontes disponveis e algumas das

variaes utilizadas na captao de energia.

Figura 19Fontes trmicas e formas de captao energtica.[6]

Da figura distinguem-se trs fontes de calor: o ar, a gua e o solo. Existem depois

variaes quanto disposio dos permutadores.

A fonte de calor mais estvel ser o solo (geotermia). Em muitos casos mesmo

possvel que a temperatura deste, a alguns metros de profundidade, no varie ao longo do ano.

A gua tambm uma fonte de calor com elevadssimo potencial. No entanto, emclimas rigorosos, necessrio ter o cuidado de assegurar que poos, lagos ou lenis de gua

utilizados no corram o risco de congelar.

O ar ambiente , em climas moderados, uma fonte de calor suficiente. Tem como

vantagem, face aos outros dois meios, custos de instalao muito inferiores, pelo que a fonte

de calor mais utilizada na tecnologia das bombas de calor.

Existe tambm a possibilidade de se relacionarem os fluidos usados na permuta, sendo

portanto as bombas de calor classificadas como:

guagua;


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guaar;

Arar;

Argua;

Sologua; Soloar.

Neste caso, em primeiro lugar surge a fonte de calor exterior, seguida do fluido utilizado

para a climatizao do espao.

usual uma outra subdiviso: unidadessplit (divididas) ou compactas.

Nas unidades compactas, todos os constituintes da bomba de calor, excepto o

acumulador, encontram-se no mesmo local fsico.

As unidadessplitapresentam normalmente duas unidades, uma interior e outra exterior.

A maioria das bombas de calor do tiposplit.

A seguinte figura demonstra as diferenas supramencionadas:

Figura 20Bombas de calor split( esquerda) e compactas ( direita).

2.4.2. Performances

Da literatura destacam-se sobretudo ts critrios utilizados para definir a performance

de uma bomba de calor.

Apesar de j se ter referido o sentido termodinmico de COP ser agora premente

demonstrar o seu significado prtico.

=


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Tal como referido anteriormente, possvel definir tambm um COP de frio por

alterao da potncia em denominador (potncia frigorfica). Os valores de COP so obtidos

por via experimental, o que muitas vezes no reflecte com exactido a performance que uma

bomba de calor ter. Veja-se que estes valores no contm, muitas vezes, consumos

considerados extraordinrios, mas necessrios ao correcto funcionamento do equipamento.

Nestes destaca-se a inverso do ciclo para descongelamento de evaporador.

importante sublinhar que o COP no reflecte o desempenho dos equipamentos de

climatizao, mas antes o desempenho da bomba de calor. Quando esta mquina no for

capaz de colmatar a carga trmica presente podero, por exemplo, utilizar-se equipamentos de

aquecimento elctrico cujo COP de apenas 1. Para comparao, apresenta-se a tabela

seguinte, que classifica as bombas de calor cuja fonte de calor o ar, quanto sua eficinciaenergtica quando em funo de aquecimento (7 C evaporao para 35 C condensao).

Tabela 2Classe de eficincia energtica das bombas de calor

Classe de Eficincia

EnergticaSplit Compactas

A 3,6 < COP 3,4 < COP

B 3,6 > COP > 3,4 3,4 > COP >3,2C 3,4 > COP > 3,2 3,2 > COP >3,0

D 3,2 > COP > 3,0 3,0 > COP >2,8

E 3,0 > COP >2,8 2,8 > COP > 2,6

F 2,8 > COP > 2,6 2,8 > COP > 2,6

G 2,4 > COP 2,2 > COP

Clarificando o conceito de COP, por cada Watt de energia elctrica consumida, um

equipamento de classe energtica A dever ser capaz de produzir, pelo menos, 3,6 Wattde

potncia calorfica.

Um outro parmetro adiciona equao a energia primria consumida para accionar a

bomba de calor, PER do inglsPrimary Energy Ratio:

=

a eficincia com que a energia primria convertida no trabalho que chega ao veio

do compressor. Por exemplo, em Portugal, comum utilizar-se 0,3 para a energia elctrica de

consumo domstico.


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Dado o aumento de conscincia energtica da populao em geral, a indstria aproxima-

se cada vez mais da utilizao de uma medida de eficincia energtica cujo valor tenha um

significado prtico. O conceito de COP sazonal (COPs) no mais do que a razo entre o total

energtico retirado ou cedido a um espao sob a forma de calor e o total de energia elctrica

consumida.

=

Aqui importante perceber que falamos em valores totais, o integral da potncia

produzida ao longo de uma estao, como por exemplo a de aquecimento, sobre o total da

energia elctrica consumida no s para accionamento do compressor, mas tambm de todos

os aparelhos auxiliares como bombas circuladoras, ventiladores e dispositivos de controlo.Esta eficincia pode facilmente ser tambm utilizada para quantificar a eficincia na

estao de arrefecimento. Neste caso, o numerador (efeito benfico) substitudo pelo calor

total retirado de um espao, e o denominador (efeito adverso) pelo total energtico necessrio

para o conseguir. O uso das eficincias sazonais representa grandes vantagens face ao COP

simples, uma vez que a variao na eficincia de uma bomba de calor instalada depende

sobretudo da temperatura das suas fontes.

Se tivermos em conta que as bombas de calor, cuja fonte trmica o ar exterior, chegam

a sofrer variaes de temperatura de 40 C ao longo de um ano, facilmente se percebe a

necessidade de utilizao deste parmetro. Outros factores que afectam a performance de uma

bomba de calor so os seguintes:

A energia auxiliar consumida, por exemplo, para alimentao de ventiladores,

bombas circuladoras de caudal, sistema de controlo etc.;

O desenvolvimento tecnolgico da bomba de calor;

O dimensionamento da bomba de calor em relao s necessidades reais;

O sistema de controlo da bomba.

Uma bomba de calor um dos equipamentos mais eficientes para a climatizao de

espaos. Alm das consideraes de projecto referidas anteriormente, alguns procedimentos

no mbito da utilizao prtica destas podem ter influncia na sua performance. importante

que uma bomba de calor tenha um funcionamento to regular quanto possvel. Para isto,

importa que no se definam constantemente temperaturas diferentes a alcanar (set points).

Alterando o set point normalmente necessria a interveno dos sistemas de apoio como as

resistncias elctricas, o que prejudica o rendimento da instalao. Qualquer que seja a fonte


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trmica, mas especialmente no caso do ar, importante garantir um bom fluxo deste para

assegurar eficincia e conforto. A substituio de filtros e restantes manutenes representam

tambm uma importante parte da preservao da performance do equipamento.

2.4.3. Breve perspectiva hi str ica

Durante a pesquisa bibliogrfica para introduo ao tema contactou-se com um

documento que resumia um workshop de 1976 sobre bombas de calor. interessante

perceber-se de que maneira evoluiu este mercado. As principais concluses apresentadas

nesse mesmo documento eram as seguintes:

COP superior a 3 para funcionar em modo de aquecimento. Equipamento no

reversvel.

Unidade modular.

Disponibilizar bombas de calor accionadas por motores de combusto.

Necessidade de definir padres que permitam um concorrncia leal.

Potncias de 3 a 8 kW

A evoluo das bombas de calor at actualidade passou, sobretudo, pelo

melhoramento dos objectivos apresentados e por uma consolidao do mercado. Com aintroduo de centrais de energia elctrica cada vez mais eficientes, o uso de outras fontes que

no a electricidade para alimentao de bombas de calor domsticas caiu tambm em

desuso.[7]

2.4.4. Mercado

A maioria das grandes empresas ligadas climatizao residencial apresenta, entre os

seus produtos, uma vasta gama de bombas de calor. As mais utilizadas so do tipo ar ar.

Recentemente verifica-

Documents

Projecto de Uma Bomba de Calor