O que é a bomba de calor – Como funciona – Definição

Bomba de calor – Como funciona. Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia de uma fonte de calor para um “dissipador de calor” mais quente dentro da casa. Engenharia Térmica

Bomba de calor – Como funciona

Bomba de calor - aquecimento e ar condicionado
Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado – princípio básico de operação

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor .

 

Ciclo de compressão de vapor – Refrigeração por compressão de vapor

Ciclo de compressão de vapor - Ciclo termodinâmico de bombas de calor.
Ciclo de compressão de vapor – Ciclo termodinâmico de bombas de calor.

compressão de vapor usa um líquido refrigerante circulante como meio (geralmente R134a ) que absorve e remove o calor do espaço a ser resfriado e subsequentemente rejeita esse calor em outro local. A figura mostra um sistema típico de compressão de vapor de estágio único . O sistema típico de compressão de vapor consiste em quatro componentes:

  • Compressor
  • Condensador
  • Válvula de expansão (também chamada de válvula do acelerador)
  • Evaporador

Em um ciclo ideal de compressão de vapor, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: um processo isentrópico (adiabático reversível), um processo de estrangulamento alternado com dois processos isobáricos:

  • Compressão isentrópica (compressão no compressor de pistão) – Um refrigerante circulante, como o R134a, entra no compressor como vapor de baixa pressão, ou um pouco abaixo da temperatura no interior do refrigerador. O meio gasoso é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor de pistão (ou por bombas centrífugas) a uma pressão e temperatura relativamente altas. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W C = H 2 – H 1 .
  • Rejeição de calor isobárica (em um condensador) – O vapor superaquecido viaja sob pressão através de bobinas ou tubos que compõem o condensador. Nesta fase, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante condensa e há transferência de calor do refrigerante para o ambiente mais frio. O calor rejeitado líquida é dada por Q re = H 3 – H 2 . Quando o refrigerante sai do condensador, ele ainda está sob pressão, mas agora está apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente.
  • Processo isentálico (expansão em uma válvula de expansão) – O refrigerante no estado 3 entra na válvula de expansão e se expande para a pressão do evaporador. Esse processo geralmente é modelado como um processo de limitação para o qual a entalpia permanece constante. 4 = H 3 . A diminuição repentina da pressão resulta na evaporação do flash do tipo explosivo de uma porção (normalmente cerca de metade) do líquido. O calor latente absorvido por essa evaporação é extraído principalmente do refrigerante líquido ainda adjacente, um fenômeno conhecido como auto-refrigeração .
  • Adição de calor isobárico ( em um evaporador ) – O refrigerante frio e parcialmente vaporizado continua através das bobinas ou tubos da unidade do evaporador. Nesta fase (entre o estado 4 e o estado 1), há uma transferência de calor de pressão constante para o meio líquido a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para fluir para dentro e para fora. À medida que o refrigerante passa pelo evaporador, a transferência de calor do espaço refrigerado resulta na vaporização do refrigerante. O calor líquido adicionado é dado por Q add = H 1 – H 4

Durante um ciclo de compressão de vapor, o trabalho é feito no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). Não há trabalho realizado pelo fluido, pois entre os estágios 3 e 4 o processo é isentálico. O fluido de trabalho em um ciclo de compressão de vapor segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Bombas de Calor Reversíveis

Bomba de calor reversível - esquemático-minAs bombas de calor reversíveis trabalham em qualquer direção para fornecer aquecimento ou ar condicionado (resfriamento) ao espaço interno. Eles empregam uma válvula de reversão para reverter o fluxo de refrigerante do compressor através das bobinas do condensador e da evaporação.

Aquecimento e Ar Condicionado

No modo de aquecimento , as bombas de calor são três a quatro vezes mais eficazes no aquecimento (ou seja, podem ter COP = 4) do que simples aquecedores de resistência elétrica que usam a mesma quantidade de eletricidade. O custo normalmente instalado para uma bomba de calor é cerca de 20 vezes maior do que para aquecedores de resistência. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador.

No modo de resfriamento , o fluxo é invertido e a bobina externa é um condensador, enquanto a interna é um evaporador. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador. O COP para o modo de resfriamento é menor que o modo de aquecimento, porque o trabalho realizado pelo compressor é utilizado apenas durante o modo de aquecimento.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q H .

fórmula de eficiência térmica - 1

eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , H , que é convertida em trabalho .

Bomba de calor - aquecimento e ar condicionado
Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado – princípio básico de operação

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q frio (ou seja, dentro de um refrigerador) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

COP - coeficiente de desempenho - equação

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor frio pode ser removido do interior da geladeira por uma determinada quantidade de trabalho. Como a primeira lei da termodinâmica deve ser válida também neste caso (Q frio + W = Q quente ), podemos reescrever a equação acima:

COP - coeficiente de desempenho - equação2

Para um refrigerador ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

COP - coeficiente de desempenho - equação3

Essas fórmulas são aplicadas também a um ar condicionado , que funciona muito como uma geladeira.

Por outro lado, o COP para aquecimento e resfriamento é diferente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio, mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

coeficiente de desempenho - bomba de calor - equação

Para uma bomba de calor ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

coeficiente de desempenho - bomba de calor - equação2

Observe que essas equações devem usar uma escala de temperatura absoluta (T frio , T quente ) e é apenas uma eficiência máxima teórica . De acordo com a fórmula acima, o COP máximo atingível para T quente = 35 ° C (308 K) e T frio = 0 ° C (273 K) seria 8,8. Mas, na realidade, os melhores sistemas estão em torno de 4,5.

Como pode ser visto, o COP de um sistema de bomba de calor pode ser melhorado reduzindo a diferença de temperatura (T quente – T frio ). Portanto, reduzir a temperatura de saída (T quente ) é muito eficiente, mas requer transferência de calor muito eficiente do sistema de bomba de calor para o ambiente (por exemplo, uso de piso encanado). Um aumento na temperatura de entrada (T frio ) significa, por exemplo, uma fonte de calor no solo superdimensionada.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

  1. Calcule a quantidade de calor ( quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
  2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

coeficiente de desempenho - bomba de calor - equação

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

quente = aquecimento de COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar-condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de frio de dentro da casa e despejar Q quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

frio + W = Q quente ,

obtém-se o calor, frio = 3000 W . A partir da definição: COP cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T quente – T fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton

ciclo Brayton reverso - bombas de refrigeração e calor
ciclo reverso de Brayton

Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante . Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor de pressão constante

Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso . Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.