8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
BOMBA DE CALOR PARA DESUMIDIFICAÇÃO E
AQUECIMENTO DO AR DE SECAGEM
Luiz, M. R.*,1, Amorim, J. A.1, Silva, M. G. 2, Cavalcanti, M. A. W.3, Gurgel, J. M.3
1,
* Universidade Federal da Paraíba , Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, João Pessoa, Brasil
2
Centro Federal de Educação Tecnológica da Paraíba, João Pessoa , Brasil
3
Universidade Federal da Paraíba , Laboratório de Energia Solar, João Pessoa , Brasil
*e-mail: [email protected]
RESUMO
No presente trabalho, uma bomba de calor foi construída para investigar experimentalmente as características da
secagem de alimentos. A bomba de calor tem muitas vantagens em relação ao sistema convencional que utiliza
diretamente a queima de combustível ou aquecimento elétrico. Dentre as vantagens, incluem alta eficiência
energética devido ao alto coeficiente de performance resultando em melhor qualidade do produto. A bomba de
calor é constituída basicamente de um evaporador, um condensador, um compressor, um ventilador centrífugo e
uma válvula de expansão. O evaporador é usado para desumidificar o ar do processo de secagem. Nos
experimentos, a quantidade da água condensada no evaporador, a temperatura de bulbo seco, umidade relativa e
velocidades do ar nos dutos de secagem foram medidas para a verificação do desempenho da bomba de calor. A
temperatura máxima do ar de operação obtida foi de 55 C. O fluido de trabalho utilizado na bomba de calor foi o
R-22 e a potência máxima do compressor foi de 0,9 kW. A temperatura e a umidade relativa do ar de entrada
estavam entre 27 e 32 C e 70 e 80%, respectivamente. Os resultados experimentais obtidos são compatíveis com
os resultados teóricos.
PALAVRAS – CHAVE: Bomba de calor; secagem; desumidificação.
INTRODUÇÃO
A secagem é o método mais antigo de preservação de alimentos que se tem conhecimento [1]. É um processo
complexo que consiste na eliminação de água de um produto por evaporação, onde ocorre simultaneamente
transferência de calor e massa. Para secar pode-se utilizar qualquer forma de transferência de calor ou uma
combinação da convecção, da condução e da radiação, para fornecer o calor ao produto a ser secado. O calor é
fornecido ao material por convecção através do ar, ou por condução através do contato com uma superfície
quente. É necessário o fornecimento de calor para evaporar a umidade do produto e um meio de transporte para
remover o vapor de água formado na superfície do produto que deve ser secado, que normalmente é o ar [2].
Tem-se estudado atualmente equipamentos que forneçam calor de forma eficiente e com reaproveitamento do
mesmo que seria perdido.
A bomba de calor é uma máquina térmica que opera segundo um ciclo termodinâmico recebendo trabalho
(potência) e transferindo calor da fonte fria (do reservatório de baixa temperatura) para a fonte quente
(reservatório de alta temperatura). A aplicação dessa energia a alta temperatura é o que diferencia as bombas de
calor dos equipamentos de refrigeração e ar condicionado, em que a energia de alta temperatura é desperdiçada
[3]. Embora as bombas de calor fossem usadas extensivamente na indústria por muitos anos, seu estudo para
secagem de alimentos é relativamente recente. Os secadores com bomba de calor oferecem diversas vantagens
em relação aos secadores convencionais para a secagem de produtos alimentícios, segundo Chua et al [4] a
eficiência aumentada, o controle exato das variáveis de secagem, a melhor qualidade do produto, o rendimento
melhorado e o custo operacional reduzido, todos fornecem uma vantagem distinta aos secadores da bomba de
calor. Já Pereira et al. [5] justificaram a adição de um sistema de bomba do calor que podem ceder mais energia
do que consome. Como também a eficiência energética mais elevada, conservação das propriedades
organolépticas, oportunidade de operar independentemente das condições ambientais, a não agressão ao meio
ambiente com emanação de gases na atmosfera. A bomba de calor condiciona o ar de forma adequada,
desumidificado e aquecido, para secar os alimentos. Adapa et o al. [6] estudaram o desempenho de um secador
de armário com recirculação de ar para secar a alfalfa.
Este artigo avalia o potencial de um protótipo de bomba de calor projetada e construída para investigar as
características do ar no processo de desumidificação.
APARATO EXPERIMENTAL E PROCEDIMENTOS
Sistema de secagem
O sistema de secagem utilizado para os testes, é mostrado na Figura 1. É composto de duas partes, uma
bomba de calor por compressão de vapor do tipo ar-ar que funciona de maneira similar ao refrigerador
doméstico, onde ocorrem os processos de desumidifição, aquecimento e bombeamento, mostrado na Figura 2 e
outra a câmara, onde ocorre a secagem do produto. O presente artigo estudará apenas o processo de
desumidificação do ar na bomba de calor. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Energia Solar da
Universidade Federal da Paraíba.
Fig. 1: Sistema de secagem – Bomba de calor e câmara
A descrição detalhada dos princípios de funcionamento da bomba de calor e os estágios por onde o ar circula
serão descritos a seguir:
O equipamento é constituído, basicamente de um evaporador (1), uma válvula de expansão (2), um
compressor (3), um condensador (4) e um ventilador (5) para fornecer o movimento do ar. O condensador e o
evaporador consistem em trocadores de calor e tem a função auxiliar na extração de calor, no caso do
condensador e na absorção de calor no caso do evaporador. A válvula de expansão tem como função gerar uma
variação de pressão entre o lado de alta e de baixa pressão no sistema [3]. O refrigerante R-22 foi escolhido
como fluido de trabalho. O compressor é o elemento mecânico do sistema que tem como função elevar a
pressão, e conseqüentemente a temperatura, do gás refrigerante. Potência do compressor 900W. A pressão de
alta e baixa são respectivamente em média 375 Psi e 69 Psi.
Os estágios que o ar passa, são: desumidificação, aquecimento e bombeamento. No processo de
desumidificação, o ar úmido ambiente é succionado pelo ventilador do sistema, passa através do evaporador,
condensando o vapor d´água contida no ar, que é drenado, retido e quantificado. No aquecimento, o ar agora
desumidificado, passa através do condensador onde é aquecido, absorvendo calor. Este ar é então movimentado
pelo ventilador para o ar ambiente.
2
3
5
4
1
Fig. 2: Bomba de calor na visão lateral: (1) Evaporador; (2) Válvula de expansão; (3) Compressor,
(4) Condensador e (5) Ventilador
5
4
3
1
2
Fig. 3: Bomba de calor na visão superior: (1) Evaporador; (2) Válvula de expansão; (3) Compressor,
(4) Condensador e (5) Ventilador
Instrumentação do sistema
Os termopares do tipo PT100Ώ foram utilizados para medir as temperaturas de bulbo seco e úmido. Estão
localizados na entrada e saída do equipamento e entre o evaporador e o condensador. Os dados foram coletados
utilizando um datalogger.
Dois anemômetros são usados para medir a velocidade do ar e foram localizados na entrada do evaporador e
saída do condensador. As medições foram obtidas manualmente. A rotação do ventilador da bomba de calor não
foi alterada durante o teste.
A potência efetiva do compressor foi obtida realizando medições da corrente e tensão de funcionamento do
mesmo.
O volume de vapor d´água condensada no evaporador foi quantificado usando uma proveta. Detalhes da
instrumentação estão na Tabela 2.
Tabela 2: Instrumentações usadas nos testes
Instrumento
Anemômetro
Proveta
Data logger
*
Não Aplicado
Fabricante
Digital Instruments
Laborglas Brasil
Spider 8 (600 Hz)
Escala
0,8 a 12 m/s
0 a 1L
N. A.*
Incerteza
±(2% + 0,2 m/s)
N. A.*
N. A.*
Avaliação da performance do Secador da Bomba de Calor
Uma forma de medição da eficiência de secagem de uma bomba de calor é verificar quanto de energia foi
gasta para remover certa quantidade de água do ar. Ela pode ser expressa como seu Coeficiente de Performance
(COP), definido como a relação do calor rejeitado no condensador pelo trabalho requerido pelo compressor. Que
mostra a eficiência do equipamento em se converter energia mecânica em energia térmica. [7,8]
COP =
Q& cp
(1)
Wcp
Onde: Q& cd é o calor rejeitado no condensador (kW) e Wcp é o trabalho mecânico do compressor (kW)
(
Q& cd = m& ar × harsaída − harentrada
)
(2)
m& ar = Var × A × ρ ar
(3)
Wcp = I × V
(4)
Onde: m& ar é a taxa de fluxo mássico do ar (kg/s); harsaída é a entalpia do ar seco e aquecido que deixa o
condensador (kJ/kg); harentrada é a entalpia do ar que entra no condensador (kJ/kg); Var é a velocidade do ar que
circula no sistema (m/s); A é a área do duto (m2); ρ ar é a massa específica do ar condicionada a 1,14Kg/m3; I
é a corrente elétrica (A); V é a tensão (V).
A Taxa de Extração de Umidade - SMER
O SMER é definido como a massa de água removida por unidade da energia gasta (kg de água removida / kJ).
SMER =
md
Wcp
(5)
Onde: md é a quantidade de vapor d´água condensada no evaporador (kg/h)
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos no presente trabalho foram focados na performance da bomba de calor (Figura 2), a
qual será estudada posteriormente acoplando-se a câmara de secagem de alimentos, mostrada na Figura 1.
O teste de avaliação do equipamento foi realizado no mês de Junho de 2007, no Laboratório de Energia Solar
da Universidade Federal da Paraíba.
Na Tabela 1 encontram-se as condições de ar ambiente e as do ar de secagem obtidas pela bomba de calor. A
velocidade de operação para o projeto foi de 7,8 m/s.
Foram realizadas medições de temperatura de bulbo úmido e seco no condensador, para encontrar as
entalpias de entrada e saída, cujos valores são 79,52 kJ/kg e 103,8 kJ/kg, respectivamente.
Analisando o COP verificou-se que a taxa de conversão de energia elétrica em energia térmica foi
satisfatória, inclusive bem próximo do valor de 1.3 a 1.7, encontrado por Rossi (1993)[9] em um sistema similar.
Como também em Kohayakawa et al [10] com valores de COP entre 1,21 e 1,71. O SMER de 0,77 kg / kWh.
obtido no experimento pode ser comparado com valores citados por [11], que variou de 0,78 a 1,74 kg / kWh.
Tabela 1: Condições de secagem
Condições do ar ambiente
Temperatura
Umidade Relativa
Condições do ar da bomba de calor
Temperatura
Umidade Relativa
mar
Qcd
Wcp
COP
SMER
29 ºC
67 %
53 ºC
13 %
0,0716 kg/s
1,74 kW
0,9 kW
1,93
0,77 kg/kW.h
CONCLUSÕES
Este trabalho constou da investigação e testes experimentais de um protótipo de uma bomba de calor que
utiliza como fonte de extração de calor o ar.
As condições de temperatura e umidade relativa do ar de secagem produzida pela bomba de calor podem ser
utilizadas para secar vários tipos de alimentos, que necessita do ar desumidificado e aquecido a uma temperatura
em torno de 55ºC, como visto para a secagem de caju [12].
O sistema apresenta o potencial para ser construído em escala comercial visto que o COP atingiu valores em
torno de 1,93, ou seja, para cada 1,9 kW de energia térmica produzida, apenas 0,9 de energia elétrica é
consumida. O mesmo observado no SMER, o qual apresentou o consumo de 1 kW necessário para condensar
0,77 kg de vapor d´água no evaporador em 1 hora.
Os valores encontrados de SMER e COP estão dentro dos limites aceitáveis quando comparados com valores
encontrados na literatura.
A secagem com o protótipo completo está em estudo para ser concluído utilizando alimentos na câmara de
secagem.
REFERÊNCIAS
1.
Cohen, J. S.; Yang, C. S. Progres in food dehydration. Trends in food Science and technology, vol. 6, pp.
20-24, 1995.
2. Travaglini, D. A. Curso de alimentos desidratados. Coordenador. ITAL/SBCTA. Campinas. 192p. 1981.
3. Lourenço, Vitor. Nossa Tecnologia. <http://www.thompsontecnologia.com.br/tecnologia.> 1 Dec. 2006
4. Chua, et al. Heat pump drying: recent developments and future trends. Drying Technology 20(8): 15791610. 2002.
5. Pereira et al. Experimental analysis of heat pump assisted recuperative air dehumidifier. Engenharia
Térmica (ThermalEngineering) 5: 56-61. 2004.
6. Adapa, et al. Performance study of a re-circulating cabinet dryer using a household dehumidifier. Drying
Technology an International Journal 20(8): 1673-1689. 2002.
7. Van Wylen, G.J. ; Sonntag, R.E. Fundamentos da termodinâmica clássica. São Paulo: Edgard Blücher,
565p. 1976.
8. Stoecker, W.F.; Jones, J.W. Refrigeração e ar condicionado. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil. 481p.
1985.
9. Rossi, S.J. Desenvolvimento e Avaliação de uma Bomba de Calor usada no Condicionamento de Ar para
Secagem de Alimentos. Doctor Thesis, UNICAMP, 214p. 1993.
10. Kohayakawa, et al. Drying Of Mango Slices Using Heat Pump Dryer. Drying 2004 – Proceedings of the
14th International Drying Symposium (IDS 2004)São Paulo, Brazil, 22-25, vol. B, pp. 884-891. August
2004.
11. Oktay, Z; Hepbasli, A. Performance evaluation of a heat pump assisted mechanical opener dryer. Energy
Conversion and Management 44. 1193–1207. 2003.
12. Gouveia, et al . Avaliação da cinética de secagem de caju mediante um planejamento experimental. Revista
Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.6, n.3, p.471-474, 2002.