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 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 – 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, a COP máxima alcançável para T quente = 35 ° C (308 K) e T fria = 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.
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.
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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