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

Bomba de calor – Como funciona

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 Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _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

A 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. H 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

As 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 .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

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 .

O 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

O 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).

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor Q _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:

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

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.

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

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 ( Q _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:

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

Q _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:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _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

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.