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 .
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.
- Calcule a quantidade de calor ( Q quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
- 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.
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