DOUGLAS ALEXANDRE RODRIGUES DE SOUZA
PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO DO DISPOSITIVO DE
EXPANSÃO DE UMA BOMBA DE CALOR PARA
AQUECIMENTO DE ÁGUA
FLORIANÓPOLIS, 2014
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM
MECATRÔNICA
DOUGLAS ALEXANDRE RODRIGUES DE SOUZA
PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO DO DISPOSITIVO DE
EXPANSÃO DE UMA BOMBA DE CALOR PARA
AQUECIMENTO DE ÁGUA
Dissertação submetida ao Instituto
Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina como
parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Mecatrônica.
Orientador:
Francisco Édson Nogueira de Melo, Me.
Eng.
Coorientador:
Sérgio Pereira da Rocha, Dr. Eng.
FLORIANÓPOLIS, 2014
CDD 621.563
S729p
Souza, Douglas Alexandre Rodrigues de
Proposta de automação do dispositivo de expansão de uma bomba de calor
para aquecimento de água [DIS] / Douglas Alexandre Rodrigues de Souza;
orientação de Francisco Édson Nogueira de Melo; coorientação de Sérgio
Pereira da Rocha. – Florianópolis, 2014.
1 v.: il.
Dissertação de Mestrado (Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Inclui referências.
1. Bomba de calor. 2. Refrigeração. 3. Automação. 4. Eficiência energética.
5. Fluido refrigerante. I. Melo, Francisco Édson Nogueira de. II. Rocha,
Sérgio Pereira da. III. Título.
Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC
Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis
Catalogado por: Ana Paula F. Rodrigues Pacheco CRB 14/1117
“O homem levou-me de volta à entrada do templo, e vi água
saindo de debaixo da soleira do templo e indo para o leste, pois o
templo estava voltado para o oriente. A água descia de debaixo
do lado sul do templo, ao sul do altar.
Ele então me levou para fora, pela porta norte, e conduziu-me
pelo lado de fora até a porta externa que dá para o leste, e a
água fluía do lado sul.
O homem foi para o lado leste com uma linha de medir na mão e,
enquanto ia, mediu quinhentos metros e levou-me pela água, que
batia no tornozelo. Levou-me então de volta à margem do rio.
Ele mediu mais quinhentos metros e levou-me pela água, que
chegava ao joelho. Mediu mais quinhentos e levou-me pela água,
que batia na cintura. Mediu mais quinhentos, mas agora era um
rio que eu não conseguia atravessar, porque a água havia
aumentado e era tão profunda que só se podia atravessar a
nado; era um rio que não se podia atravessar andando.
Ele me perguntou: 'Filho do homem, você vê isto?'
Quando ali cheguei, vi muitas árvores em cada lado do rio. Ele
me disse: 'Esta água flui na direção da região situada a leste e
desce até a Arabá, onde entra no Mar. Quando deságua no Mar,
a água ali é saneada.
Por onde passar o rio haverá todo tipo de animais e de peixes.
Porque essa água flui para lá e saneia a água salgada; de modo
que onde o rio fluir tudo viverá. [...] Os peixes serão de muitos
tipos, como os peixes do mar Grande. Mas os charcos e os
pântanos não ficarão saneados; serão deixados para o sal.
Árvores frutíferas de toda espécie crescerão em ambas as
margens do rio. Suas folhas não murcharão e os seus frutos não
cairão. Todo mês produzirão, porque a água vinda do santuário
chega a elas. Seus frutos servirão de comida; suas folhas, de
remédio.' ” (Ezequiel 47.1-12).
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer ao IFSC pela oportunidade e apoio na
realização deste projeto de Mestrado. Ao meu orientador
professor Francisco Édson Nogueira de Melo que não desistiu de
mim. Ao meu coorientador professor Sérgio Pereira da Rocha
que apontou o caminho durante o andamento da pesquisa.
Ainda, de forma especial, a Coordenadoria de Refrigeração e Arcondicionado do Campus São José, na pessoa do professor
George Henry Wojcikiewics. Também, ao grupo de professores
de RAC que defenderam e ajudaram de forma incondicional a
realização desse trabalho. Ao diretor da empresa Thermosystem
Eng. Francimar Ghizoni Pereira que doou a bomba de calor
utilizada na pesquisa. Ao professor Júlio César Passos da
Mecânica da UFSC que disponibilizou o sistema de aquisição
utilizado nos ensaios. Aos técnicos de laboratório Ronaldo e
Carlos Eduardo. As estagiárias Natalia e Jaqueline. Da mesma
forma, agradeço a todos os meus amigos que observaram a
minha angústia nesses últimos momentos. Por fim, não importa o
que tenha acontecido, ou o que irá acontecer, esse trabalho foi
realizado quando não estava pensando em você Maria Luisa.
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre a eficiência e o
comportamento de uma bomba de calor, bem como uma
proposta de automação do dispositivo de expansão para controle
do fluxo de massa de fluido refrigerante com a finalidade de
proporcionar a máxima eficiência energética. O estudo mediu o
coeficiente de desempenho de uma bomba de calor a partir,
principalmente, da medição de temperatura e da energia
consumida, de forma a determinar o seu rendimento energético.
Com base na pesquisa aqui desenvolvida, foi realizada uma
seleção de parâmetros e apresentada uma estrutura que propicia
o controle automático da quantidade de fluido refrigerante em um
sistema de refrigeração. O melhor desempenho vai ocorrer a
partir da detecção de variáveis de temperatura, atuando com a
liberação ou retenção de parte do fluido que circula pelo sistema.
O desenvolvimento dessa tecnologia passa pela estrutura de
controle idealizada através do monitoramento das temperaturas,
de condensação e evaporação, liberando proporcionalmente a
quantidade de refrigerante que flui pelo sistema através de
válvulas automatizadas e reservatório de fluido intermediário.
Palavras-chave: Bomba de Calor. Automação. Refrigeração.
Eficiência Energética.
ABSTRACT
This paper presents a study on the efficiency and performance of
a heat pump as well as a proposal for automation of the
expansion device to control the mass flow of refrigerant in order
to provide maximum energy efficiency. The study measured the
coefficient of performance of a heat pump from mainly the
temperature measurement and the energy consumed in order to
determine their energy efficiency. Based on the research
developed here, a structure that provides automatic control of the
amount of refrigerant in a refrigeration system parameter
selection was performed one and displayed. The best
performance will occur from the detection of temperature
variables, acting with the release or retention of the fluid flowing
through the system. The development of this technology involves
the control structure devised by monitoring the temperatures of
condensation and evaporation, releasing proportionally the
amount of refrigerant flowing through the system through
automated valves and intermediate fluid reservoir.
Key-words:
Heat Pump. Automation. Refrigeration. Energy
Efficiency.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – (A) Ciclo padrão de refrigeração e (B)
Representação simplificada do diagrama p - h........ 29
Figura 2 – Tubo capilar ............................................................... 32
Figura 3 – Válvula de expansão genérica................................... 33
Figura 4 – Principais Linhas do Diagrama de Mollier p - h
para o R-22............................................................... 34
Figura 5 – Consumo setorial de eletricidade (2012)................... 41
Figura 6 – Consumo final de energia elétrica em GWh.............. 42
Figura 7 – Estimativa de consumo final de energia
residencial (2010). .................................................... 46
Figura 8 – Efeito da carga de refrigerante no COP para
diferentes temperaturas ambiente............................ 51
Figura 9 – Efeito da carga de refrigerante no COP para
diferentes volumes do condensador ........................ 51
Figura 10 – Influência da temperatura de evaporação
no COP do ciclo teórico............................................ 54
Figura 11 – Influência da temperatura de condensação
no COP do ciclo teórico............................................ 55
Figura 12 – Influência do sub-resfriamento no COP do
ciclo teórico............................................................... 56
Figura 13 – Influência do superaquecimento no COP do
ciclo teórico............................................................... 57
Figura 14 – Experimento realizado ............................................. 60
Figura 15 – Curva de desempenho da bomba de água:
vazão x pressão........................................................ 63
Figura 16 – Radiador automotivo................................................ 64
Figura 17 – Diagrama das dimensões do radiador automotivo
em [mm].................................................................... 65
Figura 18 – Ventoinha do radiador ............................................. 66
Figura 19 – Tubos e conexões PPR ........................................... 67
Figura 20 – Dimensões do termistor de vidro em [mm].............. 69
Figura 21 – Curva característica típica dos termistores
NTC e PTC ............................................................... 70
Figura 22 – Alicate amperímetro digital modelo ET-3610 .......... 71
Figura 23 – Sistema de aquisição Agilent 34970A..................... 73
Figura 24 – Furação para instalação do termistor...................... 77
Figura 25 – Medição de energia com alicate amperímetro
digital ........................................................................ 80
Figura 26 – Experimento realizado ............................................. 82
Figura 27 – Instalação do radiador ............................................. 83
Figura 28 – Teste de funcionamento dos sensores de
temperatura .............................................................. 84
Figura 29 – Localização dos sensores de temperatura no
experimento............................................................. 85
Figura 30 – Carga de fluido refrigerante..................................... 88
Figura 31 – Teste de funcionamento da bomba de calor........... 89
Figura 32 – Comportamento da tensão ao longo de um
teste .......................................................................... 90
Figura 33 – Comportamento da corrente ao longo de um
teste .......................................................................... 91
Figura 34 – Comportamento da temperatura da água na
saída e no retorno à bomba de calor ....................... 92
Figura 35 – Comportamento das temperaturas da água na
saída e no retorno à bomba de calor ....................... 93
Figura 36 – Comportamento da variação da temperatura
da água ..................................................................... 94
Figura 37 – Condições de desempenho da bomba de calor
com base nas informações do fabricante .............. 104
Figura 38 – Condição de desempenho da bomba de calor
após da troca do refrigerante ................................. 107
Figura 39 – Controle de processos em malha fechada ............ 110
Figura 40 – Diagrama de controle discreto de um processo
contínuo. ................................................................. 111
Figura 41 – Estrutura de controle proposta .............................. 112
Figura 42 – Concepção da estrutura de controle proposto ...... 114
Figura 43 – Fluxograma do modelo de controle proposto........ 115
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Conversão BTU/h para watts.................................... 39
Tabela 2 – Característica da bomba de calor............................. 60
Tabela 3 – Característica da bomba de água............................. 62
Tabela 4 – Características elétricas da bomba de água ............ 63
Tabela 5 – Características elétricas do termistor........................ 68
Tabela 6 – Características do alicate amperímetro digital ......... 71
Tabela 7 – Medições de vazão ................................................... 78
Tabela 8 – Dados coletados de corrente, tensão e potência
em um dos testes ..................................................... 95
Tabela 9 – Incertezas de medição das grandezas
independentes ........................................................ 100
Tabela 10 – Incertezas expandidas máximas para variáveis
dependentes ........................................................... 101
Tabela 11 – Resumo dos resultados dos ensaios iniciais........ 103
Tabela 12 – Resumo dos resultados dos ensaios finais .......... 105
ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D – Analógico/Digital
BEN – Balanço Energético Nacional
BEU – Balanço de Energia Útil
BNDES – Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e
Social
BTU – British Thermal Unit
CLP – Controlador Lógico Programável
CNC – Controle Numérico Computadorizado
CNPE – Conselho Nacional de Política Energética
CONPET – Programa Nacional de Racionalização do Uso dos
Derivados do Petróleo e do Gás Natural
COP – Coeficiente de desempenho
D/A – Digital/Analógico
DEA – Diretoria de Estudos Econômico-Energéticos e Ambientais
ELETROBRÁS – Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
EPE – Empresa de Pesquisa Energética
INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e
Qualidade Industrial
LAN – Local Area Network
MME – Ministério de Minas e Energia
NTC – Negative Temperature Coefficient
PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem
PNE – Plano Nacional de Energia
PTC – Coeficiente Positivo de Temperatura
PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia
Elétrica
PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.
PPR – Polipropileno Copolímero Random
SI – Sistema Internacional
SCPI – Standard Commands for Programmable Instruments
USB – Universal Serial Bus
LISTA DE SÍMBOLOS
Q E
potência de refrigeração [kW]
WC
potência de compressão [kW]
m
vazão mássica [kg/s]
h
entalpia específica [kcal/kg]
Q C
fluxo de calor do condensador [kW]
p
pressão [kgf/cm2]
TO
temperatura de evaporação [°C]
TC
temperatura de condensação [°C]
∆T
variação de temperatura [K]
Q
fluxo de calor [J/s]
C
calor específico [J/kgK]
Qz
vazão volumétrica [L/s]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................... 27
1.1 Contextualização................................................................. 28
1.1.1 O Sistema de refrigeração ................................................. 28
1.1.2 Rendimento energético ...................................................... 36
1.1.3 Panorama energético brasileiro ......................................... 40
1.1.4 Consumo específico de equipamentos
eletrodomésticos ................................................................... 44
1.2 Objetivo do trabalho ........................................................... 46
1.3 Delimitação do trabalho ..................................................... 47
1.4 Estrutura do trabalho.......................................................... 47
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................. 49
2.1 Refrigeração e uso de refrigerante .................................. 49
2.2 Carga de refrigerante .......................................................... 49
2.3 Parâmetros que influenciam o COP do ciclo de
refrigeração.......................................................................... 53
3 APARATO EXPERIMENTAL .................................................. 59
3.1 Bomba de calor ................................................................... 59
3.1.1 Bomba de água .................................................................. 61
3.2 Radiador ............................................................................... 64
3.2.1 Ventoinha ........................................................................... 65
3.3 Tubos e conexões PPR ...................................................... 66
3.4 Sistemas de medição.......................................................... 67
3.4.1 Medição de temperatura .................................................... 67
3.4.2 Alicate amperímetro digital................................................. 70
3.4.3 Aquisição de dados............................................................ 72
4 METODOLOGIA ...................................................................... 75
4.1 Processo de medição ......................................................... 75
4.1.1 Medição da temperatura .................................................... 76
4.1.2 Medição da vazão .............................................................. 77
4.1.3 Medição da energia consumida ......................................... 79
4.2 Visão geral do experimento ............................................... 81
4.3 Método de ensaio................................................................ 83
4.4 Carga de fluido refrigerante............................................... 87
4.5 Execução dos ensaios........................................................ 89
4.6 Processamento dos dados de um ensaio ........................ 95
4.7 Incertezas de medição........................................................ 97
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS........................................ 103
5.1 Ensaios iniciais ................................................................. 103
5.2 Ensaios finais .................................................................... 105
6 CONTROLE DE FLUIDO REFRIGERANTE ........................ 109
6.1 Controle de processos ..................................................... 109
6.2 Controle digital.................................................................. 110
6.3 Proposta de automação do dispositivo de
expansão............................................................................ 112
6.3.1 Válvula de controle........................................................... 113
6.3.2 Fluxograma do modelo de controle proposto .................. 115
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................... 117
REFERÊNCIAS......................................................................... 121
APÊNDICE A – Conversão de Unidades............................... 125
APÊNDICE B – Exemplo de Processamento........................ 127
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de refrigeração proporcionam o controle da
temperatura em ambientes fechados, de modo que se possam
viabilizar processos como a conservação de alimentos, a
climatização e o condicionamento do ar. Um exemplo é o arcondicionado que pode proporcionar o bem-estar através do
controle de temperatura, onde o conforto térmico se dá por meio
do resfriamento ou aquecimento do ar que circula por
determinado ambiente. Outro exemplo é a utilização da bomba
de calor, que faz uso do mesmo sistema de refrigeração, só que
com a finalidade de aquecer a água (SILVA, 2011).
A invenção dos componentes de um sistema de
refrigeração remete à revolução industrial. Ainda hoje, novos
métodos para aumento da eficiência são constantemente
introduzidos por empresas e inventores do mundo todo, valendo
para a grande maioria dos refrigeradores domésticos e bombas
de calor baseados em sistemas que operam com base no ciclo
de compressão mecânica de vapor.
A Revolução Industrial teve início no Reino Unido (1760) e
poucas décadas depois (1850) se espalhou para a Europa
Ocidental e Estados Unidos. Esta transformação incluiu a
transição de métodos de produção artesanais para a produção
por máquinas. Ela foi caracterizada pela fabricação de novos
produtos químicos, novos processos de produção de ferro, maior
eficiência no uso da energia e da água, o uso crescente da
energia a vapor e o desenvolvimento das máquinas-ferramentas,
além da substituição da madeira e de outros biocombustíveis
pelo carvão.
Nesse contexto está o uso da energia, cada vez mais,
ocupando lugar de destaque no dia a dia das pessoas, tornandose indispensável para a vida no planeta. O sol, o petróleo, o gás
natural, as águas de uma represa ou mesmo o vento, são
energias na sua forma mais primitiva. Essas energias passam
por transformações até assumirem uma forma que possa ser
utilizada pelo homem, como a eletricidade, o calor ou mesmo o
28
trabalho mecânico. No entanto, essas transformações seguem
leis naturais que são formuladas pela termodinâmica. A primeira
lei estabelece um balanço energético no o qual a energia não se
cria nem se perde, ela se transforma. A segunda lei estabelece a
quantidade de energia primitiva que pode ser transformada em
trabalho mecânico, dando origem ao conceito de rendimento
energético.
Desta forma, faz-se necessário uma pesquisa que tenha
como objetivo conhecer o sistema de refrigeração do ponto de
vista de um sistema baseado em bomba de calor, que por sua
facilidade de medição, ao contrário de sistemas frigoríficos,
possibilitam o levantamento do seu desempenho a partir da
medição da temperatura e da energia consumida por esta.
1.1 Contextualização
Nesta seção foram abordados quatro aspectos
relacionados ao trabalho. O sistema de refrigeração, cujo
funcionamento é semelhante ao de um sistema de bomba de
calor utilizado para aquecer a água. O rendimento energético que
está associado ao sistema de refrigeração. O panorama
energético brasileiro, com vistas a justificar a realização do
trabalho, destacando os programas de governo de conservação
e de eficiência energética. Por último, o consumo específico de
equipamentos eletrodomésticos, cuja parcela atribuída a
equipamentos de refrigeração é bastante significativa.
1.1.1 O Sistema de refrigeração
Para melhor compreender um sistema de refrigeração é
importante entender seus principais conceitos. Refrigeração é
todo processo de remoção de calor. É definida como a parte da
ciência que trata do processo de redução e manutenção da
29
temperatura de um espaço ou material abaixo da temperatura
ambiente. Refrigeração significa esfriar constantemente e
conservar o frio. Para se obter o frio, deve-se extrair o calor do
corpo que se quer refrigerar, transferindo-o para outro corpo com
temperatura menor. Sendo que um ciclo de refrigeração é uma
série de processos que proporcionam a refrigeração, onde o
estado inicial e final do sistema são os mesmos.
Outro conceito importante é o do efeito refrigerante ou
capacidade frigorífica, que é a quantidade de calor absorvida no
evaporador, que é a mesma quantidade de calor retirado do
espaço que deve ser refrigerado. Mede-se o efeito refrigerante
subtraindo-se o calor contido em 1 kg de refrigerante que entra
na válvula de expansão, do calor contido no mesmo quilograma
de refrigerante ao entrar no compressor. As Figuras 1.A e 1.B
mostram a relação entre os elementos de um sistema de
refrigeração e o ciclo padrão de refrigeração no diagrama
pressão x entalpia1 (p - h).
Figura 1 – (A) Ciclo padrão de refrigeração e (B) Representação
simplificada do diagrama p - h.
Fonte: Adaptado de (MSCP, 2012), (SCRIBD, 2012).
1
Entalpia é o calor total ou calor contido em uma substância, expresso em
kcal/kg ou kJ/kg.
30
É uma aproximação da situação real, uma vez que, por
exemplo, não são consideradas perdas de carga e trocas de
calor nas tubulações que ligam os dispositivos. Para entender
como funciona um sistema de refrigeração dividiu-se o ciclo em
quatro partes:
a) Compressão: o compressor é o elemento responsável
pela elevação da pressão do sistema, pela pressão de
baixa para pressão de alta. Este processo ocorre de
forma adiabática, ou seja, sem troca de calor com o
meio externo. O processo entre os pontos 1 e 2 é
considerado isentrópico, ou seja, os pontos 1 e 2 têm
uma mesma entropia o que corresponde, em linhas
gerais, a um mesmo grau de desordem da estrutura do
fluido refrigerante.
b) Condensação: o elemento responsável é o
condensador. A condensação ocorre de forma
isobárica2 e sob temperatura constante, com redução
da entalpia do fluido pela troca de calor com o
ambiente.
c) Expansão: processo representado pela válvula de
expansão ou tubo capilar. A expansão é isentálpica3,
com redução da pressão do fluido, que passa para a
região líquido mais vapor (4).
d) Evaporação: o dispositivo relacionado é o evaporador.
Este processo ocorre de forma isotérmica4 e isobárica
e há um aumento de entalpia correspondente ao calor
removido do sistema.
O funcionamento de um ciclo de refrigeração por
compressão de vapor pode ser demonstrado de acordo com as
características
termodinâmicas
de
seus
componentes.
A Figura 1.A mostra o ciclo de refrigeração de forma resumida,
2
Processo isobárico é o processo que ocorre à pressão constante.
Processo isentálpico é o processo que ocorre à entalpia constante.
4
Processo isotérmico é o processo que ocorre à temperatura constante.
3
31
iniciando por 1 com o fluido refrigerante no estado de vapor
superaquecido em baixa pressão sendo comprimido no
compressor, em 2 o fluido continua em forma de vapor, mas sua
pressão e temperatura são aumentadas seguindo para o
condensador. Neste, por sua vez, o calor ganho no processo de
compressão mais aquele retirado do ambiente refrigerado é
expelido para o meio exterior, ocasionando assim o resfriamento
do fluido e a consequente mudança da fase de vapor para
líquida. Deixando o condensador, ponto 3, no estado de líquido
sub-resfriado e em alta pressão, o fluido segue para o dispositivo
de expansão, no caso, a válvula de expansão termostática ou
tubo capilar, que provoca uma queda de pressão e consequente
queda da temperatura. Agora no ponto 4, o fluido, no estado
líquido e frio, segue para o evaporador que absorve calor do
meio a ser resfriado causando o efeito de refrigeração. O fluido
de trabalho, então, muda de fase (líquido para vapor) saindo
desse como vapor superaquecido, para retornar ao compressor,
iniciando novamente o ciclo.
Outros conceitos importantes que envolvem o ciclo de
refrigeração
referem-se
ao
sub-resfriamento
e
superaquecimento. O primeiro corresponde à diferença entre a
temperatura de saturação do fluido refrigerante, na pressão de
condensação, e a temperatura do fluido sub-resfriado entre os
pontos 2 e 3 das Figuras 1.A e 1.B. Enquanto o segundo
corresponde à diferença entre a temperatura do fluido
refrigerante entre os pontos 4 e 1 e a temperatura de saturação
desse mesmo fluido, considerando a pressão de evaporação do
sistema.
Com isso o sub-resfriamento é a condição em que o líquido
refrigerante está com uma temperatura inferior à temperatura de
saturação5, necessária para evitar que entre em ebulição e,
portanto, a mudança do líquido para uma fase de gasosa. A
quantidade de sub-resfriamento, em uma determinada condição,
5
Temperatura de saturação é a temperatura em que um determinado fluido
começa a sofrer o processo de mudança de fase de líquido para gasoso ou
vice-versa.
32
é a diferença entre sua temperatura de saturação e a
temperatura real do líquido refrigerante. O sub-resfriamento é
desejável porque aumenta a eficiência do sistema e porque ele
evita que o líquido refrigerante entre no estado gasoso antes que
ele chegue para ao evaporador. Do contrário, o sub-resfriamento
inadequado impede a válvula de expansão de medir
devidamente o líquido refrigerante que entra no evaporador,
resultando em mau desempenho do sistema (MIPAL, 2012).
Segundo Stoecker e Jones (1985), o superaquecimento se
refere ao número de graus que o vapor está acima da
temperatura de saturação (ponto de ebulição), em uma
determinada pressão. Ele indica se a quantidade de refrigerante
que está fluindo para o evaporador é apropriada para a aquele
sistema. Se o superaquecimento é alto, então é necessário
adicionar fluido refrigerante. Se o superaquecimento é baixo, há
refrigerante a mais no sistema e este deve ser retirado,
possivelmente resultando em inundação do compressor com
fluido refrigerante no estado líquido causando danos ao
compressor. A Figura 2 mostra o dispositivo de expansão tubo
capilar comumente utilizado em refrigeradores domésticos.
Figura 2 – Tubo capilar.
Fonte: (Komeco, 2014).
33
Os dispositivos de expansão são responsáveis por
controlar a vazão de fluido refrigerante que vai para o evaporador
e de manter uma pressão apropriada entre as partes de alta e
baixa pressão do sistema. O tubo capilar visto na Figura 2
consiste de um tubo longo com aproximadamente quatro metros,
geralmente de cobre, com diâmetro reduzido, em torno de
0,7mm, e seção transversal constante. Dos componentes de um
sistema de refrigeração, o tubo capilar é o mais simples e de
menor custo, mas não o menos importante. Por ser de restrição
fixa, não responde adequadamente às variações das condições
de operação do sistema. Quando essas variações acontecem o
sistema se ajusta com perda do seu desempenho. A Figura 3
apresenta uma válvula de expansão genérica.
Figura 3 – Válvula de expansão genérica.
Fonte: (Google, 2014).
A solução para a perda de desempenho está no emprego
da válvula de expansão termostática, que tem a mesma
capacidade funcional do tubo capilar de gerar a queda de
pressão necessária entre o condensador e o evaporador do
34
sistema. Basicamente o seu funcionamento está limitado a duas
funções: a de controlar o fluxo de fluido refrigerante que entra no
evaporador
e
manter
uma
saída
constante
deste
sobreaquecimento. Para executar esta tarefa se faz uso de um
sensor de temperatura do bulbo da válvula, que é responsável
por fechar ou abrir a válvula, de modo a diminuir ou aumentar a
quantidade de fluido refrigerante e consequente evaporação
dentro do evaporador, o que implica uma temperatura ambiente
superior ou inferior, respectivamente (STOECKER; JONES,
1985). A Figura 4 apresenta os elementos essenciais do
diagrama, pressão - entalpia (p - h) para o refrigerante R-226. As
características gerais de tais diagramas são as mesmas para
todas as substâncias puras.
Figura 4 – Principais Linhas do Diagrama de Mollier p - h para o R-22.
Fonte: (SCRIBD, 2014).
6
R-22 é um refrigerante HCFC (clorodifluorometano) usado para arcondicionado residencial e comercial e para aplicações de refrigeração de
média e baixa temperatura.
35
As propriedades termodinâmicas de uma substância são
frequentemente apresentadas em tabelas ou diagramas, que
nestes casos, representam a pressão absoluta (p) por entalpia
(h), sendo mais comum nos fluidos refrigerantes. Um desses
diagramas é o de Mollier.
Um conceito importante, que deve ser destacado, é o de
substância pura. Diz-se que uma substância é pura quando sua
composição química permanece inalterada diante de uma
mudança de fase. A água é um exemplo de substância pura, sua
fórmula H2O continua a mesma tanto na fase sólida como nas
fases líquida e gasosa. Outra característica das substâncias
puras é a de manter constante a temperatura durante a mudança
de fase, desde que não se mude a pressão sobre ela. A água
entra em ebulição a 100°C sobre uma pressão de
1,033 kgf/cm2. Sendo que se a pressão for reduzida para
0,1 kgf/cm2, a vaporização acontecerá a 45,5°C (IENO; NEGRO,
2004).
No diagrama de Mollier, podemos destacar três regiões
características, que são:
a) A região à esquerda linha de líquido saturado (X=0)
chamada de região de líquido sub-resfriado.
b) A região compreendida entre as linhas de líquido
saturado (X=0) e vapor saturado (X=1), chamada de
região de vapor úmido ou região de líquido mais vapor.
c) A região à direita da linha de vapor saturado (X=1),
chamada de região de vapor superaquecido.
Para determinar as propriedades termodinâmicas de um
estado nas condições saturadas, basta conhecer uma
propriedade e o estado estará definido. Para as regiões de
líquido sub-resfriado e vapor superaquecido precisa-se conhecer
duas propriedades para definir um estado termodinâmico.
Nesta seção, foi mostrada a importância de se conhecer o
funcionamento do sistema de refrigeração, com base no ciclo
teórico de refrigeração, identificando os elementos essências
para seu funcionamento e todas as considerações que envolvem
36
as temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento para
desempenho do sistema.
1.1.2 Rendimento energético
Em um sistema de refrigeração o rendimento energético
está associado ao ciclo de refrigeração, onde o objetivo é a
remoção de calor do ambiente a ser refrigerado. Desta forma,
seu coeficiente de desempenho (COP), que determina o
rendimento energético, é definido como sendo a razão entre o
calor retirado e o trabalho realizado:
.
COP =
QE
.
(1)
WC
Portanto, o COP é uma expressão da eficiência, utilizado
para avaliar a relação entre a capacidade de refrigeração
alcançada e o trabalho consumido. Onde Q E é a potência de
refrigeração (kW), e WC é a potência de compressão (kW).
Sendo que:
.
.
QE = m .(h1 − h4 )
.
.
W C = m .(h2 − h1 )
(2)
(3)
é vazão mássica (kg/s) e h é a entalpia específica
Onde m
do fluido refrigerante.
37
Desta forma:
COP =
(h1 − h4 )
(h2 − h1 )
(4)
Na Equação 4, h1 representa a entalpia do fluido
refrigerante na saída do evaporador (entrada do compressor); h2,
a entalpia na descarga do compressor; e h4, a entalpia na
entrada do evaporador. A Figura 1.B mostra o diagrama p - h.
Para melhor entender o COP é necessário visualizar o ciclo
de refrigeração, através de seus elementos, em comparação com
o digrama simplificado de p - h. As Figuras 1.A e 1.B apresentam
de modo simplificado, esses dois diagramas para um
determinado fluido refrigerante.
Os pontos 1, 2, 3 e 4 são correspondentes em ambos os
diagramas. A relação entre a potência de refrigeração Q E e a
potência utilizada por WC , pode ser representada pela relação
(h1 – h4) e (h2 – h1) respectivamente. Assim sendo, o COP está
diretamente associado à capacidade de refrigeração (pontos 1 e
4) e a quantidade de energia gasta pelo compressor (pontos 2 e
1) utilizada para isto. É possível deduzir também que o
coeficiente de desempenho melhora quando se aumenta Q E ou
quando se diminui WC sem degradação do desempenho.
A eficiência energética de um sistema de refrigeração
indica o quanto um equipamento real aproxima-se de um
comportamento ideal, em que não existem perdas. A eficiência
pode ser calculada pelo quociente entre a energia útil, frio
produzido, e a energia gasta, trabalho produzido pelo
compressor. Embora o COP do ciclo real seja sempre menor que
o do ciclo ideal, pode-se verificar que parâmetros influenciam no
desempenho do sistema. Assim, o COP pode ser definido como:
38
COP =
EnergiaUtil
EnergiaGasta
(5)
Pode-se inferir da Equação 5 que, para ciclo teórico, que o
COP é função somente das propriedades do refrigerante,
consequentemente depende das temperaturas de condensação
e vaporização. Para o ciclo real, entretanto, o desempenho
dependerá muito das propriedades na sucção do compressor, do
próprio compressor e dos demais equipamentos do sistema
(BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
Segundo Marques, Haddad e Martins (2006), outro
conceito que deve ser destacado é o de energia útil. Isto significa
a forma energética última, efetivamente demandada pelo usuário,
devendo ser algum fluxo energético simples, como calor de alta e
baixa temperatura, iluminação, potência mecânica. Como, por
exemplo, a capacidade de transformar energia elétrica em
energia térmica através de uma bomba de calor para o
aquecimento da água.
Quando se fala de refrigeração, logo se pensa em
congelador, refrigerador ou ar-condicionado. Observa-se, no
entanto, que comercialmente esses produtos, em especial o arcondicionado, pode estar especificado segundo a potência de
refrigeração, que está associada a unidade térmica britânica
(BTU) que é um acrônimo para British Thermal Unit. Trata-se de
uma unidade de medida não pertencente ao Sistema
Internacional (SI) utilizada em muitos países como: Brasil,
Estados Unidos e Reino Unido. A referida unidade de energia é
equivalente a 252,2 calorias ou ainda, podemos dizer que um
BTU/h é igual 0,293 W (SCRIBD, 2014).
A Tabela 1 mostra a capacidade equivalente de
refrigeração em watts das principais potências encontradas em
aparelhos de refrigeração e ar-condicionado comercializados.
39
Tabela 1 – Conversão BTU/h para watts
Potência (BTU/h)
Potência (W)
7.000
2.051
7.500
2.198
9.000
2.637
10.000
2.930
12.000
3.516
15.000
4.396
18.000
5.274
20.000
5.860
É importante destacar que a conversão representa apenas
o equivalente BTU/h para watts em termos comparativos. Na
verdade aparece um fator muito importante neste meio, que é o
COP. Portanto, vale ressaltar que o BTU/h é a energia útil e a
potência gasta depende do valor do COP. Por exemplo, para um
aparelho de 12.000 BTU (3.516W) e um COP típico de 3, temos
que o consumo médio é 1.172 W. O Apêndice A traz uma tabela
de conversão das principais unidades de medida utilizadas no
trabalho.
Sendo assim, o rendimento energético em um sistema de
refrigeração está associado à capacidade de transformar energia
elétrica em energia térmica. O rendimento é obtido pela relação
entre energia útil e a energia gasta pelo sistema, que por sua
vez, está relacionado com a massa do fluido refrigerante.
40
1.1.3 Panorama energético brasileiro
A energia em seu sentido mais amplo tem um papel
fundamental para a sociedade, como elemento chave para a
inclusão
social,
desenvolvimento
sustentável
e,
consequentemente, melhoria da qualidade de vida da população.
Desta forma, o Governo Federal do Brasil através do Conselho
Nacional de Política Energética (CNPE), vinculado ao Ministério
de Minas e Energia (MME), resolveu estabelecer as políticas
para setor elétrico nacional.
Com base nos estudos de curto, médio e longo prazos, o
governo criou o Plano Nacional de Energia (PNE) 2030 que
permitiu à sociedade brasileira vislumbrar as possíveis formas de
ter suas demandas energéticas atendidas, com base nas
diretrizes de política energética estabelecidas pelo CNPE. No
cenário alto aponta um crescimento médio anual do PIB de 5,1 %
ao ano, contra um crescimento médio anual do consumo de
energia de cerca de 4,4% ao ano. No caso específico de energia
elétrica o crescimento chega a 5,1% ao ano neste mesmo
cenário. Já o cenário demográfico adotado nos estudos de longo
prazo aponta para um aumento da população de 53 milhões de
habitantes até o ano 2030. Significando alcançar uma população
total de aproximadamente 238 milhões de habitantes contra uma
população atual de 185 milhões. Para ser ter uma ideia do
tamanho do crescimento, este acréscimo de população é
comparável à população da Espanha (43 milhões) e Portugal (11
milhões) somados7.
O caminho para suprir a necessidade de energia elétrica
passa pela viabilização da expansão necessária ao adequado
atendimento da demanda, com baixo custo da energia,
implementando programas de conservação e de eficiência
energética, e considerando as questões socioambientais, dentro
do conceito do desenvolvimento sustentável (BRASIL. MME,
2008).
7
Dados de 2005.
41
Segundo o relatório final do Balanço Energético Nacional
(BEN) 20138, produzido pela Empresa de Pesquisa Energética
(EPE) coordenado pelo MME, o setor residencial vem mantendo
um crescimento discreto na sua participação na matriz energética
nacional nos últimos anos, porém, houve um aumento do
consumo de energia elétrica neste mesmo período,
consequentemente o aumento do consumo residencial de
energia. Com base no relatório a Figura 5 mostra que o setor
residencial foi responsável por 23,6% do consumo de energia
elétrica, ficando atrás apenas do industrial com 42,1% de toda
energia consumida.
Figura 5 – Consumo setorial de eletricidade (2012).
Fonte: (BEN, 2013).
O consumo residencial representa cerca de 117.646 GWh
de toda a energia consumida no país que é de 498.398 GWh. A
8
https://ben.epe.gov.br/default.aspx.
42
Figura 6 apresenta o consumo final de energia elétrica entre os
anos de 2003 e 2012.
Figura 6 – Consumo final de energia elétrica em GWh.
Fonte: (BEN, 2013).
No Brasil, diversas iniciativas sistematizadas vêm sendo
empreendidas há a algum tempo. Destacam-se o Programa
Brasileiro de Etiquetagem (PBE), coordenado pelo Instituto
Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
(INMETRO), o Programa Nacional de Conservação de Energia
Elétrica (PROCEL), cuja coordenação executiva está a cargo das
Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (ELETROBRÁS), e o
Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do
Petróleo e do Gás Natural (CONPET), cuja coordenação é de
responsabilidade da empresa de Petróleo Brasileiro S.A.
(PETROBRAS). Recentemente, o Banco Nacional de
Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) criou uma linha
de financiamento específica para apoio a projetos de eficiência
energética.
A experiência acumulada ao longo desses anos evidencia
que é possível, de fato, reduzir uma parcela do consumo de
43
energia por meio de iniciativas na área de eficiência energética.
O consumo final energético no Brasil atingiu 211,7 milhões de
tep9 no ano de 2008. Com base no Balanço de Energia Útil
(BEU), é possível estimar que, considerando as tecnologias
disponíveis no mercado, há um potencial de eficiência energética
que corresponde a 8,6%.
Mais da metade do potencial de eficiência energética no
Brasil, conforme as estimativas realizadas a partir do BEU,
encontra-se no consumo das famílias (setor residencial) e das
indústrias, que, em 2008, representaram juntos quase 60% do
consumo final energético do país. Esses setores são
naturalmente elegíveis para uma abordagem mais detalhada da
eficiência energética implícita na projeção da demanda de
energia (BRASIL. EPE, 2010a).
Segundo Patterson (1996) o entendimento de “eficiência
energética” está associado a um menor uso de energia por cada
unidade de produção. Sendo assim, mais relevante é a apuração
de indicadores que expressem a variação na eficiência
energética. Esses indicadores são em geral agrupados em
quatro categorias principais:
9
Termodinâmicos: baseados inteiramente na ciência
da termodinâmica que indicam a relação entre o
processo real e o ideal quanto à necessidade de uso
de energia.
Físicos-termodinâmicos: consideram a quantidade de
energia requerida em unidades termodinâmicas, mas
as saídas (produtos) são expressas em unidades
físicas.
Econômicos-termodinâmicos: têm como referência a
energia requerida em unidades termodinâmicas, mas
os produtos são expressos em unidades econômicas
(valores monetários).
Tonelada equivalente de petróleo.
44
Econômicos: tanto a energia requerida como os
produtos são expressos em grandezas econômicas.
1.1.4 Consumo específico de equipamentos eletrodomésticos
Segundo a Nota Técnica DEA 14/10 da EPE que trata da
avaliação da eficiência energética na indústria e nas residências,
a oferta de equipamentos no mercado evolui na direção de
disponibilizar dispositivos mais eficientes. Assim, a eficiência
média do estoque de equipamentos em poder das famílias
aumenta progressivamente seja devido à reposição do
equipamento ao final de sua vida útil, seja devido à expansão do
estoque, associado ao movimento de equipar os novos
domicílios. Nesse sentido, considerou-se que a eficiência dos
novos equipamentos adquiridos pelas famílias cresce a uma taxa
média de 0,5% ao ano até o horizonte de 2019.
Neste caso, admitiu-se que o equipamento de referência
seria o mesmo ao longo do horizonte de estudo. Por exemplo, o
condicionador de ar de referência foi sempre, para efeito de
cálculo, um equipamento com potência nominal de 1.000 W.
Apenas no caso do chuveiro elétrico, considerando a busca por
maior conforto, admitiu-se que as famílias tenderiam a adquirir
equipamentos com maior potência elétrica, que demandariam
mais energia elétrica.
Para o cálculo do consumo específico por equipamento
existente no ano de 2005, tomou-se como referência inicial os
valores determinados a partir de informações contidas na
“Pesquisa de Posse de Eletrodomésticos e Hábitos de Uso” do
PROCEL (ELETROBRÁS, 2007), nas tabelas de eficiência do
PBE, coordenado pelo INMETRO, além de dados de potência e
tempo de uso, disponibilizados pelas concessionárias de energia
elétrica.
As principais hipóteses utilizadas para a estimativa do
consumo específico destes equipamentos foram:
45
Refrigerador: foi considerado, para efeito de cálculo
da média de consumo de energia elétrica, um
funcionamento durante 10 horas por dia, 365 dias por
ano.
Congelador: o consumo específico deste equipamento
foi calculado de forma semelhante ao da geladeira.
Assumiu-se um uso de 9 horas por dia e 365 dias por
ano.
Ar-condicionado: considerou-se um tempo médio de
uso de 8 horas por dia, durante quatro meses por ano.
Chuveiro elétrico: admitiu-se um tempo médio de
banho de 10 minutos por habitante na posição
“inverno” durante quatro meses e na posição “verão”
durante o restante do ano.
Máquina de lavar roupas: considerou-se um
funcionamento médio de 12 horas por mês (3 horas por
semana).
Televisão: o consumo específico deste equipamento
foi calculado admitindo um tempo médio de utilização
de 4 horas por dia e 365 dias por ano.
Lâmpadas: o tempo médio de utilização foi estimado a
partir da média de utilização de lâmpadas de uso
habitual (considerada 5 horas por dia) e de uso
eventual (considerada de 1 hora por dia), ponderada
pela posse média de cada um dos dois tipos.
Cabe destacar que a análise se restringiu a esse grupo de
equipamentos em razão desses equipamentos representarem
85% do consumo de uma residência brasileira típica ou média.
Os 15% faltantes representam “outros usos” no consumo de
eletricidade em uma residência brasileira estimados em 2009
para o ano de 2010. Nessas condições, o consumo médio do
estoque de equipamentos nas residências foi estimado conforme
se apresenta na Figura 7.
46
Figura 7 – Estimativa de consumo final de energia
residencial (2010).
Fonte: (BRASIL. EPE, 2010b).
Considerando que juntos os equipamentos: congelador,
refrigerador e ar-condicionado representem uma fatia de 64% de
toda energia doméstica consumida, e que a parcela de consumo
residencial é de 23,6% de toda a energia produzida no país,
estima-se que isto corresponda a 12,8% do total dessa produção.
1.2 Objetivo do trabalho
O presente trabalho tem como objetivo principal,
primeiramente, a medição do desempenho de uma bomba de
calor por meio, basicamente, da utilização de sensores de
temperatura, resultando no mapeamento do seu funcionamento.
Posteriormente, pretende-se também introduzir um novo
conceito, no qual se propôs uma estrutura de controle de fluxo de
massa de fluido refrigerante, no intuito de controlar a quantidade
deste, a partir da análise de temperaturas específicas do
sistema, do uso de válvulas automatizadas e reservatório de
fluido refrigerante intermediário. Neste trabalho, utilizou-se R-22
47
como refrigerante, típico de sistemas de ar-condicionado. Cabe
destacar que a ideia original é a de somente utilizar os dados de
temperatura, sem considerar o uso de sensores de pressão, mais
caros e complexos.
1.3 Delimitação do trabalho
Alguns assuntos, apesar da relação direta com o tema do
trabalho, não foram abordados ou desenvolvidos, devido à
demanda de tempo extra ou em função da depreciação da
objetividade do texto. Não fazem parte do escopo da presente
pesquisa os seguintes temas:
Desenvolvimento e testes práticos com as válvulas
automatizadas. Apesar de o trabalho sugerir como vai
funcionar este controle, a ideia principal é montar o
aparato experimental testando seu desempenho antes
da modificação. Com isso, preparar para alteração
física no equipamento, ficando, portanto, no âmbito
teórico.
Este trabalho pretende utilizar apenas os recursos
disponíveis no laboratório de ciências térmicas do IFSC
– Campus São José. Ficando limitado em alguns testes
devido à falta de equipamentos necessários para a
realização de ensaios mais complexos.
1.4 Estrutura do trabalho
No Capítulo 2 encontra-se a revisão bibliográfica acerca do
tema do trabalho, com passagens e citações em trabalhos
acadêmicos e outros produzidos pelo governo federal do Brasil,
encontrados em relação ao estado da arte.
48
No Capítulo 3, apresentam-se os equipamentos utilizados
no aparato experimental. Destacando o uso de uma bomba de
calor em substituição a um refrigerador doméstico, pela facilidade
de se obter o seu desempenho através da medida de
temperatura da água e energia consumida, bem como os
equipamentos utilizados nas medições.
No Capítulo 4, mostram-se os métodos empregados na
medição da bomba de calor utilizada no experimento, também a
relação entre o processo de medição e os dados teóricos
obtidos, passando pela incerteza de medição.
No Capítulo 5 expõem-se os resultados com base nos
testes realizados e apresentados no capítulo 4. Também
apresenta considerações relevantes na execução dos ensaios.
No Capítulo 6, descreve-se uma sugestão de estrutura de
controle de fluxo de massa de fluido refrigerante em sistemas de
refrigeração, a partir da medição da temperatura em pontos
específicos no sistema.
O Capítulo 7 diz respeito à conclusão e considerações
finais do trabalho, relacionando os pontos chaves, bem como são
expostas as sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo tem por objetivo fazer um breve estudo sobre
a carga de fluidos refrigerante em sistemas de refrigeração,
destacando os principais parâmetros que influenciam a eficiência
energética do sistema. Pretende com isso apresentar uma visão
sobre a influência da carga de fluido refrigerante em
refrigeradores domésticos bem como os parâmetros de
temperatura que influenciam diretamente o COP.
2.1 Refrigeração e uso de refrigerante
Os sistemas de refrigeração, de bomba de calor e de
condicionamento do ar existem como são hoje, a partir do uso
bem conhecido de um refrigerante como um meio de
transferência de calor. É importante que estes sistemas tenham
uma carga apropriada de refrigerante, a fim de funcionar
adequadamente. Vários métodos de determinação do nível de
carga de refrigerante são conhecidos na literatura. A maior parte
destes métodos fornece apenas a determinação quantitativa do
nível de carga de refrigerante, que pode estar situada abaixo ou
acima dos limites aceitáveis. Outra forma de se quantificar esse
nível é a utilização de sensores, incluindo de temperatura
ambiente e umidade, a fim de determinar o nível de carga de
refrigerante, o que aumentaria o custo e a complexidade do
sistema.
2.2 Carga de refrigerante
O desempenho de um refrigerador doméstico pode ser
maximizado através da escolha do par tubo capilar e da carga de
fluido refrigerante. Além disso, tanto um quanto outro podem ser
50
modificado sem custos significativos. Neste contexto, trabalhos
com foco no efeito da carga de fluido refrigerante sobre o
desempenho de sistemas de refrigeração são encontrados na
literatura. Entretanto, estudos com foco no controle automático
da quantidade de fluido refrigerante através da utilização de
dispositivos automáticos de expansão ainda são raros.
Segundo Dmitriyev e Pisarenko (1984) a carga ótima de
refrigerante depende do volume interno do sistema de
refrigeração, mais particularmente dos volumes internos do
evaporador e do condensador. Experimentos foram realizados
em dois estágios. Primeiro, realizou-se uma bateria de testes
para determinar a carga ótima de refrigerante utilizando-se
evaporadores com volumes internos distintos, porém, com a
mesma área externa de transferência de calor. Vários protótipos
de refrigeradores foram montados e testados em um ambiente de
temperatura controlada, com a finalidade de quantificar a
variação do COP em função da carga de fluido refrigerante e da
fração de funcionamento do compressor.
A Figura 8 apresenta os resultados desses experimentos,
para duas temperaturas ambientes e três frações de
funcionamento
distintas.
Pode-se
observar
que,
independentemente da temperatura ambiente, há uma
determinada carga de fluido refrigerante onde o COP atinge um
valor máximo. Os autores verificaram ainda que a carga ótima de
refrigerante não depende da temperatura ambiente ou mesmo da
fração de funcionamento do compressor, e que uma carga
insuficiente gera um grau de superaquecimento excessivo na
entrada do compressor, o que causa a diminuição do COP. Por
outro lado, uma carga excessiva de refrigerante reduz a área
efetiva de condensação, o que eleva a pressão de condensação
e também reduz o COP. Os autores reportam ainda que a taxa
de decréscimo do COP em um sistema com excesso de carga é
superior ao observado num sistema com déficit de carga.
51
Figura 8 – Efeito da carga de refrigerante no COP para
diferentes temperaturas ambiente.
Fonte: Adaptado de (DMITRIYEV; PISARENKO, 1984).
Numa segunda etapa de testes, Dmitriyev e Pisarenko
(1984) exploraram a variação do volume interno do condensador.
Eles observaram que a carga ótima de refrigerante é afetada
pelo volume interno do condensador. Porém, não foram
realizados testes sobre o efeito da variação da geometria do tubo
capilar sobre a carga de fluido refrigerante. A Figura 9 exibe a
relação entre o COP e volume do condensador para uma
temperatura ambiente constante.
Figura 9 – Efeito da carga de refrigerante no COP para
diferentes volumes do condensador.
Fonte: Adaptado de (DMITRIYEV; PISARENKO, 1984).
52
Choi e Kim (2002) sustentam que o consumo de energia
em um sistema de refrigeração é afetado diretamente pela
quantidade de fluido refrigerante. Sustentam ainda que o
excesso ou a falta de refrigerante deteriora o desempenho do
sistema, entretanto, admitem que a determinação da quantidade
ótima de refrigerante é uma difícil tarefa, devido à relação direta
com as condições de operação e com o tipo de dispositivo de
expansão utilizado. Desta forma, os autores estudaram o efeito
da carga de fluido refrigerante sobre o desempenho de uma
bomba de calor, e concluíram que quando há excesso de
refrigerante, o consumo de energia aumenta devido ao aumento
da vazão mássica e da relação de compressão. Por outro lado,
quando há falta de refrigerante, a capacidade de refrigeração é
afetada por causa do aumento da temperatura na descarga do
compressor. Assim como Dmitriyev e Pisarenko (1984), Choi e
Kin (2002) concluem que a redução no COP é maior com a falta
de refrigerante do que com excesso.
A pesquisa realizada por Li e Braun (2009) mostrou-se
bastante positiva para se estimar a carga ótima de fluido
refrigerante para um determinado sistema de refrigeração. Os
autores relatam que a carga de refrigerante é crítica para
qualquer sistema de refrigeração e que as atuais práticas para a
sua determinação exigem tempo e são demasiadas caras. Desta
forma, desenvolveram um método que é capaz de detectar o
excesso ou a falta de refrigerante usando medições não
invasivas de temperatura com base no sub-resfriamento e
superaquecimento.
Estudos realizados por vários pesquisadores como Cowan
(2004), Li e Braun, (2006) demonstraram que mais de 50% dos
sistemas de ar condicionado são carregados com uma
quantidade de inadequada de refrigerante. Sabe-se que a carga
de refrigerante inadequada pode aumentar o uso de energia,
reduzir a capacidade de refrigeração, diminuindo a vida útil dos
equipamentos. Além disso, pode provocar o vazamento de carga
de refrigerante contribuindo para o aquecimento global a longo
prazo (KIM; BRAUN, 2010).
53
2.3 Parâmetros que influenciam o COP do ciclo de
refrigeração
Segundo o Manual Prático de Eficiência Energética em
Sistemas de Refrigeração, existem vários parâmetros que
influenciam diretamente o desempenho do ciclo de refrigeração
por compressão de vapor. São eles: a temperatura de
evaporação, a temperatura de condensação, o sub-resfriamento
e o superaquecimento.
No primeiro caso, para ilustrar o efeito que a temperatura
de evaporação exerce sobre a eficiência do ciclo, foi considerado
um conjunto de ciclos em que somente a temperatura de
evaporação (TO) é alterada. Estes ciclos estão mostrados na
Figura 10. Observa-se uma redução na temperatura de
evaporação, resultando na redução do COP; significando que o
sistema se torna menos eficiente.
No segundo caso, a influência da temperatura de
condensação é mostrada em um conjunto de ciclos onde apenas
se altera a temperatura de condensação (TC). Esta análise está
mostrada na Figura 11. Observa-se que uma variação de 15°C
na temperatura de condensação resulta numa menor variação do
COP se comparado com a mesma faixa de variação da
temperatura de evaporação.
De forma idêntica aos casos anteriores, a Figura 12 mostra
a influência do sub-resfriamento do líquido na saída do
condensador sobre a eficiência do ciclo. Embora ocorra um
aumento no COP do ciclo com o aumento do sub-resfriamento, o
que é ótimo para o sistema, na prática se utiliza um subresfriamento para garantir que se tenha somente líquido na
entrada do dispositivo de expansão, o que mantém a capacidade
frigorífica do sistema, e não para se obter ganho de eficiência.
54
Figura 10 – Influência da temperatura de evaporação
no COP do ciclo teórico.
Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
Por último, o superaquecimento do refrigerante ocorre,
retirando calor do meio que se quer resfriar. A Figura 13 mostra a
influência desse superaquecimento no desempenho do ciclo de
refrigeração. Observa-se que a variação do COP com o
superaquecimento depende do refrigerante. Nos casos
mostrados, para o R-717, o COP sempre diminui; para R-134a, o
COP sempre aumenta; e para o R-22, há um aumento inicial e,
depois, uma diminuição. Para outras condições do ciclo, isto é,
55
TO e TC poderão ocorrer comportamento diferente do mostrado.
Mesmo para os casos em que o superaquecimento melhora o
COP, ele diminui a capacidade frigorífica do sistema de
refrigeração. Assim, só se justifica o superaquecimento do fluido,
por motivos de segurança, para evitar a entrada de líquido no
compressor.
Figura 11 – Influência da temperatura de condensação
no COP do ciclo teórico.
Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
56
Figura 12 – Influência do sub-resfriamento no COP do ciclo teórico.
Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
Quanto maior a temperatura de evaporação em que o
sistema frigorífico opera, menor o consumo de energia.
Tipicamente, cada 1°C de aumento na temperatura de
evaporação diminui o consumo de energia em aproximadamente,
1 a 4% (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
57
Figura 13 – Influência do superaquecimento no COP do ciclo teórico.
Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
A redução no volume específico do fluido refrigerante
associada ao aumento da temperatura de evaporação também
afeta significativamente a capacidade frigorífica do compressor e
a perda de pressão na linha de sucção. Pode-se estimar que
cada 1°C de aumento na temperatura de evaporação
corresponderá um aumento de 4 a 6% na capacidade frigorífica
do compressor, implicando menor tempo de operação deste
equipamento (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).
3 APARATO EXPERIMENTAL
Neste capítulo serão apresentados os equipamentos
utilizados no aparato experimental, destacando o uso de uma
bomba de calor acoplada em um radiador automotivo em um
circuito hidráulico com reservatório de água. Neste caso, o uso
do refrigerador doméstico foi substituído pela bomba de calor,
pela facilidade em controlar seu desempenho através da medida
de temperatura da água, sem a necessidade de um controle
maior da temperatura ambiente.
3.1 Bomba de calor
Uma bomba de calor é um dispositivo que tem por
finalidade transferir calor de uma fonte quente para uma fonte
fria. Ela opera realizando um ciclo termodinâmico cujo objetivo é
receber calor de um corpo a baixa temperatura e ceder calor
para um corpo em alta temperatura. A realização de trabalho é
necessária para esse processo termodinâmico (BORGNAKKE;
STONNTAG, 2009).
Quando a bomba de calor é usada para aquecimento, ela
emprega o mesmo ciclo de refrigeração usado por refrigeradores
domésticos, porém no sentido contrário, liberando calor no
espaço condicionado, no caso a água, ao contrário de fazê-lo no
ambiente externo, no caso o ar. A Figura 14 mostra a ligação
entre uma bomba de calor e um radiador automotivo como
utilizado no experimento realizado.
60
Figura 14 – Experimento realizado.
A bomba de calor utilizada neste trabalho, vista na
Figura 14, é semelhante a utilizada no experimento. Trata-se de
uma bomba produzida pela empresa Foshan Shunde Guangteng
Solar Energy Electrical Appliances Co. Ltd.. Modelo
GT-SKR015B. A razão para escolha desta bomba de calor está
na disponibilidade da mesma, na necessidade de gerar
conhecimento sobre esses equipamentos e na facilidade de
medição do desempenho do sistema sem a necessidade direta
da utilização de uma câmera de ensaios climáticos. A Tabela 2
apresenta as suas principais características.
Tabela 2 – Característica da bomba de calor
Modelo
GT-SKR015B
Fonte de alimentação
~ 220V, 60Hz
Capacidade de aquecimento
Corrente nominal
5,2kW
6A
Consumo de potência nominal
1,36kW
Corrente de entrada (máxima)
8A
61
Potência de entrada (máxima)
1,7kW
Máxima pressão de exaustão do
compressor
2,8MPa
Máxima pressão de sucção do
compressor
0,8MPa
Máxima pressão de trabalho no
trocador de calor
2,8MPa
Pressão admissível do sistema
2,8MPa
Refrigerante
Grau de proteção
Nível de prova de choque
Requerimento de Terra
Peso líquido
Tamanho
Ligação de água
R-22/0,9kg
IPX4
I
≤ 0,1Ω
55kg
885X360X600mm
G3/4’’
Nível de ruído
≤ 50dB(A)
Temperatura ambiente de
operação
-10 ~ 43°C
Teste condição: Temperatura Ambiente (DB / WB) 20/15°C,
Temperatura inicial / final da água: 15/55°C
3.1.1 Bomba de água
É importante destacar que o sistema da bomba de calor
conta com uma bomba de água internamente, do mesmo tipo
que as utilizadas em sistemas para aquecimento solar. Esta
bomba de água é de extrema importância, pois pode controlar a
vazão através de três velocidades, tornando-se um elemento
importante para o teste de desempenho do sistema. A Tabela 3
mostra as principais características dessa bomba.
62
Tabela 3 – Característica da bomba de água
Modelo
GPD20-6S
2,5 m3/h
Fluxo
Potência de entrada
100W
Tipo
Bomba Centrífuga
Uso
Água
Tipo de alimentação
Velocidade
Estrutura
Elétrica
3 velocidades
Bomba de Simples Estágio
Alimentação
220V
Frequência
60Hz
Fluxo avaliado
2,5 m3/h
Pressão máxima
Corrente
30W
0,45 / 0,35 / 0,25A
10
Fonte: Adaptado de GlobalMarket .
Esse tipo de bomba serve somente para circulação de
água, com temperatura de até 110°C, livre de quaisquer
substâncias abrasivas. O fluxo máximo, ou seja, a maior vazão, é
de 2,5 m3/h e a corrente de 0,45, 0,35 e 0,25A correspondem a
respectivamente as velocidades 3, 2 e 1. A Tabela 4 apresenta
tanto as características elétricas quanto de velocidades que
podem ser ajustadas diretamente na bomba de água.
10
http://unacl.gmc.globalmarket.com/products/details/solar-water-pumpgpd20-6s-1656674.html
63
Tabela 4 – Características elétricas da bomba de água
Velocidade
P [W]
In [A]
3
100
0,45
2
70
0,35
1
55
0,25
Tanto a potência (P) quanto a corrente nominal (In) são
valores aproximados, com base na tensão de alimentação que é
de 220V. A Figura 15 mostra a característica da bomba quanto à
curva de desempenho com relação à vazão pela pressão para as
três velocidades.
Figura 15 – Curva de desempenho da bomba de água:
vazão x pressão.
11
Fonte: Alibaba .
11
http://portuguese.alibaba.com/product-gs/unacl-home-hot-water-systempump-gpd32-6s--831192341.html
64
3.2 Radiador
O radiador utilizado neste experimento destina-se a
dissipar o calor da água quente gerada pela bomba de calor, que
circula por um sistema fechado com reservatório de água. O
corpo central do radiador, ou colmeia, normalmente é constituído
por tubos metálicos de paredes delgadas. A água quente entra
no depósito superior, vinda da bomba de calor e desce pelo
interior da colmeia, retirando o calor da água. Os tubos possuem
aletas que proporcionam uma maior área de contato com o ar de
resfriamento. A Figura 16 exibe a foto de um radiador automotivo
como o utilizado neste experimento.
12
Figura 16 – Radiador automotivo .
13
Fonte: WeiLi Automotive Network .
A água arrefecida retorna para bomba de calor onde é
novamente aquecida em ciclo contínuo com reaproveitamento da
água. É importante destacar que quanto maior a área do
radiador, maior contato com ar e mais rápida é troca de calor
12
13
Radiador de Uno, Fiorino e Premio motores 1.0.
http://www.weilinet.com/
65
aumentando sua eficiência. A Figura 17 mostra o diagrama com
as dimensões do radiador automotivo utilizado no experimento.
Figura 17 – Diagrama das dimensões do radiador
automotivo em [mm].
14
Fonte: Xavier .
3.2.1 Ventoinha
Esse dispositivo é responsável pela circulação forçada do
ar que passa pelas aletas do radiador. Normalmente, no caso de
ventoinhas automotivas, quando o veículo estiver em movimento,
a própria ventilação natural provocada pelo deslocamento do
veículo seria mais do que suficiente para refrigerar o líquido que
passa no radiador. Acontece que nem sempre isso é possível,
devido à baixa velocidade ou quando, por exemplo, o automóvel
estiver parado. A Figura 18 apresenta uma foto de uma
ventoinha automotiva como a utilizada no experimento para
provocar ventilação forçada aumentando o desempenho do
radiador.
14
http://www.autopecasxavier.com.br/
66
Figura 18 – Ventoinha do radiador.
15
Fonte: Connectparts .
3.3 Tubos e conexões PPR
A matéria-prima utilizada na fabricação desse tipo de
conexão é chamada de polipropileno copolímero random (PPR).
Pode ser utilizado para condução de água fria e quente em
instalações residenciais e industriais. Pode ser empregada em
instalações de calefação, de condicionadores de ar frio e quente
e também navais. Os tubos de polipropileno para união por
termofusão são destinados ao transporte de líquidos a baixa
pressão. Pode-se encontrar tubos para pressões nominais de
12 kgf/cm², 20 kgf/cm² e 25 kgf/cm²16. A condutividade térmica
desse material, que é propriedade de conduzir calor, é de
0,23 W/mK medidos a 23°C. Permitem temperaturas de serviço
de até 70°C, podendo ter picos de 95°C. A Figura 19 mostra
como são essas conexões PPR (TIGRE, 2014).
15
http://www.connectparts.com.br/Ventoinha-do-Motor-do-Radiador-deAgua-Golf-Bora-Audi-A3-Fox-30157/p
16
2
1,0 kgf/cm = 9,8067 kPa
67
Figura 19 – Tubos e conexões PPR.
17
Fonte: Revista Habitare .
3.4 Sistemas de medição
Nos ensaios, foram utilizados instrumentos e dispositivos
para medição, respeitando padrões, operações, métodos,
dispositivos de fixação, software, hardware, ambiente e
premissas utilizadas para quantificar e avaliar uma unidade de
medida. Estes instrumentos e dispositivos foram utilizados para
medir temperatura, corrente e tensão elétrica, bem como a
aquisição dessas medidas para posterior processamento.
3.4.1 Medição de temperatura
Este experimento fez uso de termistores de vidro por ser
de baixo custo e operar em temperaturas de até 250°C, critérios
importantes no controle do sistema. São utilizados em
17
http://www.revistahabitare.com.br/
68
termômetros, equipamentos médicos e hospitalares, crioscópio18,
equipamentos laboratorial, automotivo e resistências. Seu
tamanho reduzido proporciona maior estabilidade, sensibilidade e
precisão. A Tabela 5 apresenta as características elétricas com
as respectivas faixas de trabalho e incertezas de medição e a
Figura 20 mostra as características quanto às dimensões do
modelo de vidro.
Tabela 5 – Características elétricas do termistor
Caraterística: TV-10000
Resistência ôhmica a 25°C
Faixa de temperatura
Tolerância máxima
Range específico
Beta (25/85°C)
Tempo de Resposta
Potência a 25°C
Fator de dissipação (mW/°C)
18
Valor
10k
-50°C a 250°C
1% a 3%
0,2°C
E=3950
≤ 5s (no ar)
≤ 0,3s (no óleo)
50mW
≥ 2,1 mW/°C
É um equipamento de alta precisão para medição de crioscopia que é o
ponto de congelamento.
69
Figura 20 – Dimensões do termistor de vidro em [mm].
19
Fonte: ADDTherm .
Os termistores utilizados nesse trabalho foram os de
coeficiente negativo de temperatura (NTC). Possuem resistência
inversamente proporcional à temperatura e são feitos de
compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e
cromo. Sua curva característica é exponencial decrescente e o
ideal é utilizá-los em temperaturas de até 150°C. Se comparado
ao de coeficiente positivo de temperatura (PTC), que tem
resistência proporcional à temperatura, o NTC atua numa faixa
onde a temperatura é menor. Já o PTC possui uma variação da
resistência maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é
mais frequente como sensor de sobretemperatura, em sistemas
de proteção, por exemplo, de motores. A Figura 21 apresenta o
gráfico com as curvas características típicas dos termistores NTC
e PTC.
19
http://www.addtherm.com.br/wp-content/uploads/2011/09/TV-TermistoresNTC-VIDRO-ADD.pdf
70
Figura 21 – Curva característica típica dos termistores
NTC e PTC.
20
Fonte: Adaptado de BECKHOFF .
3.4.2 Alicate amperímetro digital
O instrumento utilizado para medir a corrente elétrica neste
experimento foi o alicate amperímetro digital ET-3610 da Minipa.
É indicado para monitoramento em campo de surtos e quedas,
possui interface RS-232, corrente máxima de 1.000A (CA). Pode
ser é utilizado para gerar laudos e monitoramento de um
determinado sinal. Conta ainda com medições de frequência e
temperatura. Utiliza taxa de atualização de até 5.400 pares de
leituras Hi/Lo, totalizando um período de 5.400 minutos (4 dias)
de monitoramento. Os pares de leituras podem ser acessados
via teclado e display no próprio instrumento ou transferidos para
o computador via interface RS-232 e software fornecidos com o
equipamento. A Figura 22 mostra como é o alicate amperímetro
20
http://infosys.beckhoff.com/
71
digital ET-3610 e a Tabela 6 apresenta suas principais
características.
Figura 22 – Alicate amperímetro digital modelo ET-3610.
21
Fonte: Minipa .
Tabela 6 – Características do alicate amperímetro digital
Característica
Display LCD/Contagem
Iluminação/Barra Gráfica
True RMS
Descrição
3 3/4 Dígitos/4000
Iluminação
True RMS AC
Corrente DC
-
Corrente AC
40A/400A/1000A
Tensão DC
600V
Tensão AC
600V
Resistência
999,9Ω
Temperatura
-50~+300°C/-58~+572°C
21
http://www.minipa.com.br/2/85/112-Minipa-Alicates-Digitais-ET-3610
72
Capacitância
Frequência
Frequência de Rede
Teste de Continuidade/Diodo
Data/Auto Hold
Máx./Mín.
5~500Hz
Sim
C
D/A
-
Autodesligamento
Sim
Mudança de Faixa
Automática
Data Logger
Interface e Software
5400 Pares Hi/Lo
Interface USB
Abertura de Garra
45mm
Diâmetro do Condutor
45mm
Precisão Básica
1%
Resolução
0,01A/0,10A/1A
Categoria
CAT III 600V
Alimentação
2x1,5V AAA
Dimensões (mm)/Peso (g)
224x78x40/224
3.4.3 Aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados disponível para as
medições de corrente, tensão e temperatura foi o da Agilent
Technologies modelo 34970A. Possui 22 bits de resolução e
precisão básica de 0,004% em sinais de tensão contínua. Conta
ainda com a capacidade de medição de vários tipos de sinais.
Possui três slots na parte traseira e aceita qualquer combinação
de dados sejam eles analógicos ou digitais. Entre outras
características estão a capacidade de medição direta de
termopares, RTDs, termistores, tensão CC, tensão CA,
resistência, corrente CC, corrente CA, frequência e período.
73
Possui ainda intervalo de varredura com o armazenamento de
até 50.000 leituras e interface de usuário intuitiva com botão para
seleção rápida de canal, menu navegação e entrada de dados a
partir do painel frontal. Para completar o equipamento é portátil,
robusto com pés antiderrapantes. A Figura 23 mostra o Agilent
34970A utilizado neste trabalho.
Figura 23 – Sistema de aquisição Agilent 34970A.
22
Fonte: Test Equipment Depot .
Abaixo são apresentados algumas características e
recursos de aquisição de dados/comutação, dentre outras:
22
Precisão 6½ dígitos no multímetro, estabilidade e
rejeição de ruído.
Até 60 canais por instrumento (120 canais singleended).
http://www.testequipmentdepot.com/usedequipment/hewlettpackard/
dataacq/34970a.htm
74
Taxas de leitura de até 500 leituras por segundo em
um único canal e capacidade de varredura até 250
canais por segundo.
Escolha de multiplexação, matriz de propósito geral
Form C comutação, Funções de comutação de RF,
digital I / O, totalizador e saída analógica de 16 bits.
Interface RS-232 padrão no modelo 34970A. Local
Area Network (LAN) e Universal Serial Bus (USB) no
padrão no 34972A.
Compatibilidade com Standard
Programmable Instruments (SCPI).
Commands
for
4 METODOLOGIA
Neste capítulo serão mostrados os métodos empregados
na medição da bomba de calor utilizada como experimento, bem
como a relação entre o processo de medição e os dados obtidos.
Desta forma, possibilitando o planejamento de uma proposta de
controle automático de fluido refrigerante visando à eficiência
energética.
4.1 Processo de medição
Igualmente aos processos de medição industrial, os
dispositivos e equipamentos utilizados nos ensaios e testes não
estão livres de erros, pois os mesmos não são perfeitos. O
ambiente que os cerca não se mantém controlado e estável, o
valor do mensurado não é único e o operador do sistema não
está livre de falhas. Portanto, algumas medidas técnicas foram
adotadas para minimizar esses erros, dando a eles seu devido
tratamento (ALBERTAZZI; SOUSA, 2008).
Para que fosse possível determinar esse conjunto de
métodos e ensaios, necessita-se conhecer o processo, suas
características, o comportamento esperado do mensurado e os
equipamentos utilizados. Todo o sistema se baseia em uma
máquina bomba de calor que aquece a água que circula em um
ambiente fechado, e de um radiador para dissipar o calor gerado,
devendo-se então descobrir o comportamento, especialmente da
temperatura da água ao longo de um determinado período.
Do ambiente do circuito fechado de água, quer-se
descobrir o quanto ele se aproxima de um valor predeterminado
e como se comporta, ao longo do tempo, em termos de
temperatura e vazão, já da bomba de calor, quer-se saber o
quanto de energia foi necessária para realizar o trabalho. Optou-
76
se pela medição da corrente e tensão elétrica, através do uso de
um amperímetro digital.
Considerou-se que as condições ambientais não
interferiram diretamente no teste, uma vez que a grandeza a ser
medida foi a variação da temperatura (∆T), ou seja, a diferença
entre a temperatura da água aquecida pela bomba de calor e a
temperatura da água que retorna, após ser resfriada pelo
radiador, através do circuito fechado. Portanto a temperatura
ambiente não afetou diretamente a medição do ∆T.
4.1.1 Medição da temperatura
Medir a temperatura corretamente é muito importante em
todos os ramos das ciências. A temperatura revela a noção de
que é quente ou frio e algumas propriedades como a densidade,
a pressão, a condutividade elétrica, entre outras, dependem da
temperatura.
A temperatura é a propriedade que determina o processo
de transferência de calor em um determinado sistema. Diz-se
que dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando suas
temperaturas são as mesmas. Isto significa que o calor não flui
entre eles. Quando há diferença de temperatura, o calor fluirá do
sistema mais quente para o mais frio, de modo a restabelecer o
equilíbrio térmico (FEM, 2014).
Com a finalidade de proporcionar um bom contato térmico
com a água dentro da tubulação, foram instalados tubos de cobre
isolados para abrigar os termistores de vidro, assim proporcionar
uma melhor medição da temperatura, uma vez que, medir
através do PPR, poderia causar um erro muito grande, já que a
condutividade térmica do material é de apenas 0,23 W/mK,
enquanto que no cobre é de 401 W/mK a 27°C23. Esse
23
http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica
77
procedimento foi fundamental para se evitar maiores erros e
melhorar o tempo de resposta na aquisição do sinal analógico do
sensor para o equipamento. A Figura 24 ilustra a furação para a
instalação do tubo de cobre a fim de abrigar o sensor de
temperatura.
Figura 24 – Furação para instalação do termistror.
Fonte: (TIGRE, 2014).
4.1.2 Medição da vazão
Define-se vazão como sendo a relação entre o volume e o
tempo. A vazão pode ser determinada a partir do escoamento de
um fluido, através de uma seção transversal de um conduto livre,
que pode ser um canal, rio ou tubulação aberta, ou ainda, de um
conduto forçado, cuja tubulação possui pressão positiva ou
negativa. Isto significa que a vazão representa a rapidez com a
qual um volume escoa (RODRIGUES, 2014).
A equação utilizada para se calcular a vazão volumétrica
pode ser apresentada como sendo:
78
QZ =
V
t
(6)
Onde Qz é a vazão volumétrica (L/s), V é o volume (L) e t
é o tempo (s).
A maneira utilizada para se obter a vazão neste
experimento foi a realização do cálculo, a partir dos dados
obtidos com o uso de um cronômetro e de um reservatório de
12 litros. Inicialmente, com a bomba de calor em funcionamento,
a tubulação de água foi desconectada de forma que a água
escoasse para o reservatório, ao mesmo instante em que o
cronômetro foi acionado. Quando o reservatório ficou cheio, o
fluxo de água foi interrompido e o cronômetro foi desligado,
anotando esse tempo. Para diminuir o erro, em vez de considerar
o volume do reservatório, o mesmo foi pesado, descontando o
peso do recipiente, e assim, conhecendo um valor para a massa
de água coletada. Sabendo-se que um litro de água equivale a
aproximadamente a um quilograma, e, conhecido o tempo para
seu enchimento, a Equação 6 foi aplicada resultando na vazão
mássica desejada. A Tabela 7 mostra os dados obtidos a partir
das medições de vazão realizadas.
Tabela 7 – Medições de vazão
Medição
Tempo
(s)
Massa
(kg)
Vazão
(kg/s)
1
54
11,5
0,212
2
53
12
0,226
3
55
12
0,218
4
55
12
0,218
5
54
11,9
0,220
6
55
12
0,218
7
54
11,9
0,220
79
8
53
11,8
0,222
9
55
12
0,218
10
55
12
0,218
Média:
0,219
Desvio padrão:
0,004
Re:
0,008
A incerteza padrão corresponde à estimativa do desvio
padrão da distribuição dos erros de medição. Considerando às
dez amostras, têm-se nove graus de liberdade o que indica um
coeficiente ‘t’ de student igual 2,32. Com isso, obtêm-se uma
repetitividade (Re) de 8 g, ou seja, 3,7% para mais ou para
menos na medição da vazão.
4.1.3 Medição da energia consumida
A potência de um aparelho elétrico indica a quantidade de
energia gasta por ele em uma unidade de tempo. Para se
determinar a potência elétrica desse equipamento, é necessário
conhecer as características quanto a sua alimentação, ou seja, a
diferença de potencial nos seus terminais e a corrente que está
sendo fornecida durante o tempo da medição. Para calcular a
potência basta multiplicar a diferença de potencial, também
chamada de tensão, pela intensidade de corrente. Já a energia
deve ser o resultado da potência por um determinado tempo.
P = U .I
(6)
E = P.t
(7)
80
Onde P é a potência instantânea fornecida em (W), U é a
tensão em (V), I a corrente em (A), E é a energia consumida em
(W/s) e t o tempo em (s).
No entanto, para se medir a energia, é necessário saber o
quanto de energia um determinado equipamento consumiu em
um determinado tempo. Existe várias maneiras de se fazer essa
medição, todas envolvendo a medição da tensão e da corrente
elétrica. Uma das formas é utilizando um wattímetro, que faz um
trabalho complexo, medindo simultaneamente os valores de
tensão e corrente e multiplicando-os para obter a potência em
watts. Alguns desses equipamentos podem realizar milhares de
medições por segundo para determinar os watts aumentando a
precisão do resultado. Podem ainda executar estatísticas, como
valores de pico, média, baixa e de quilowatts-hora consumidos,
entre outras funcionalidades.
Figura 25 – Medição de energia com alicate amperímetro
digital.
24
Fonte: Adaptado de Minipa .
24
http://www.minipa.com.br/2/85/112-Minipa-Alicates-Digitais-ET-3610
81
Nos ensaios realizados fez-se o uso do alicate
amperímetro digital que mede o fluxo de corrente elétrica que
passa por um condutor, juntamente com o sistema de aquisição.
Mediram-se, em amostras regulares de tempo, os valores de
tensão e corrente que alimentavam o equipamento. Os valores
coletados foram compilados e apresentam-se nas próximas
seções. A Figura 25 ilustra um simples exemplo de medição de
corrente (A) e de tensão (B).
4.2 Visão geral do experimento
O experimento consiste em medir o funcionamento de uma
bomba de calor que aquece a água em um circuito hidráulico
fechado, através de tubulações de PPR, que conduzem a água
quente até o radiador, onde é resfriada e volta para ser
novamente aquecida em ciclo contínuo. As medições da
temperatura da água acontecem próximas a saída de água da
bomba de calor, outras duas em uma distância intermediária e a
última no seu retorno antes de entrar novamente na bomba. A
Figura 26 mostra como ficou o experimento realizado.
82
Figura 26 – Experimento realizado.
Observa-se na Figura 26 que o sistema conta ainda com
um reservatório de água, que serve para inundar o sistema e
também como reservatório de expansão, já que quando a água é
aquecida há um aumento do seu volume e consequente aumento
da pressão no sistema. O posicionamento do reservatório é
cerca de um metro acima do circuito principal de água. Ainda
podem-se ver as tubulações PPR à direita (cor verde), que levam
a água quente da bomba de calor até o radiador que é mostrado
na Figura 27.
83
Figura 27 – Instalação do radiador.
A instalação do radiador ficou fora do ambiente do
laboratório, na parede externa do edifício. Desta forma não
interferindo na temperatura de funcionamento da máquina dentro
do laboratório, pois o mesmo retira o calor da água devolvendo
ao ambiente, podendo, desta forma, aquecer o ar dentro do
laboratório e alterar a medida da temperatura. Mesmo assim se
tomou o cuidado de medir a temperatura interna e externa na
hora dos testes e não houve variações significativas da
temperatura durante os ensaios.
4.3 Método de ensaio
O ensaio experimental inicial consistiu do levantamento do
desempenho da bomba de calor, através da medida da variação
84
de temperatura em função da energia consumida. No primeiro
momento, mediu-se apenas a variação da temperatura da água.
Para esse teste inicial se utilizou a medida de 60 min, onde por
47 min a bomba de calor se manteve ligada a pleno
funcionamento e os outros 13 min, desligada, com isso se
observou o comportamento do sistema com relação à medição
da temperatura da água. A medida de 47 min ligada por 13 min
desligada foi em decorrência de que em 13min a temperatura da
água alcançou 75% da temperatura máxima. A Figura 28 mostra
o resultado do teste.
Figura 28 – Teste de funcionamento dos sensores de
temperatura.
No gráfico, visto na Figura 28, observam-se quatro
medidas de temperatura: TR1 é temperatura de retorno medida
depois do dissipador de calor (radiador); TS1 é a temperatura de
saída próxima a saída de água da bomba de calor; TS2 é a
temperatura da água próxima a entrada no radiador; e TR2 é a
temperatura próxima a entrada de água na bomba de calor.
Percebe-se que há um aumento crescente da temperatura e se
estabiliza próximo aos 30 min. A temperatura ambiente no
momento do teste ficou por volta dos 18°C. Depois de desligada
a bomba de calor, mas ainda com a circulação de água, bomba
de água e ventoinha do radiador ligados, a temperatura decresce
85
rapidamente. A Figura 29 apresenta onde foram instalados os
sensores de temperatura na tubulação PPR do experimento.
Figura 29 – Localização dos sensores de temperatura no
experimento.
A potência térmica fornecida para água pode ser
estabelecida segundo a equação principal da calorimetria sobre o
fluxo de calor, tem-se que:
86
Q = m .C.∆T
(8)
é vazão mássica
Onde Q é fluxo de calor em (W), m
(kg/s), C é calor específico, que é tabulado, em (J/kgK) e ∆T é a
variação da temperatura em (K). Lembrando que a diferença de
temperatura em K e °C é a mesma, já que o valor é deslocado na
tabela em -273,1525. Define-se o calor específico como a
quantidade de calor necessária para elevar em 1°C, 1g da
substância. Por exemplo, o calor específico da água é igual a
1,0 cal/g°C26, significa que é necessário fornecer uma quantidade
de calor de 1,0 cal para aquecer 1,0 g de água de 1°C. Quanto
menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela
pode sofrer variações em sua temperatura. É importante lembrar
que a densidade, ou a massa específica, da água à pressão
normal (atmosférica) e à temperatura de 25°C, é de 1,0 g/cm³.
Os valores de tensão e de corrente advêm da média das
medidas feitas pelo alicate amperímetro juntamente com o
sistema de aquisição. Sendo que a potência média consumida
pela da bomba de calor pode ser calculada pelas Equações 6 e 7
(ver Seção 4.6).
A potência térmica, que é dissipação de calor por meio da
água, será experimentalmente obtida medindo-se as
temperaturas de saída e retorno da água. Já a potência
consumida pelo compressor foi feita através da medição de
tensão e corrente elétrica, desta forma, pode-se estimar o
desempenho da bomba de calor de maneira satisfatória.
25
26
°C = K - 273,15
1 kcal/kg°C = 4,1686 kJ/kgK
87
4.4 Carga de fluido refrigerante
A carga de fluido refrigerante é fundamental para o
desempenho de um sistema de refrigeração. Desta forma, além
de um fluido refrigerante de boa qualidade, os procedimentos
adequados para fazer a carga devem ser seguidos para que a
quantidade de carga refrigerante seja exata.
Durante a realização dos ensaios, foi feita a completa
substituição do fluido refrigerante, seguindo os procedimentos
recomendados pelos fabricantes. Antes de receber a nova carga
de fluido refrigerante, o sistema passou por um processo de
evacuação27 para retirar ar e umidade. Depois desta limpeza, foi
verificado e constatado que não havia vazamentos. Na
sequência, foram observados os dados do fabricante, que podem
ser vistos na Tabela 2, onde o tipo de fluido refrigerante
recomendado para esta bomba de calor é o R-22, na quantidade
de 900g. Os equipamentos utilizados para realizar a carga foram:
garrafa dosadora ou cilindro dosador;
cilindro de carga com escala graduada;
manifold;
balança de precisão de 1g.
Depois de determinado o tipo e a quantidade do
refrigerante, bem como separação dos equipamentos e a limpeza
do sistema, o cilindro dosador foi pesado (tomando o cuidado de
antes expurgá-lo) e limpo com vácuo. Na sequência, foi
adicionado fluido ao cilindro até a carga de 900g desejada fosse
adicionada ao peso do cilindro. Então, o cilindro dosador receptor
foi conectado no tubo de processo através do manifold, tomandose o cuidado de deixar o registro de alta e de baixa do manifold
27
Processo em que o sistema é submetido a vácuo.
88
aberto. Na sequência, foi feita a liberação da carga de gás no
sistema com o compressor desligado.
Aguardou-se cerca de 20min, tempo necessário para a
equalização da pressão entre o cilindro e o manifold em alta e
baixa pressão. Para garantir que o cilindro estivesse
completamente vazio após a equalização, o registro de alta foi
fechado e o compressor ligado. Aguardaram-se alguns minutos
com compressor em funcionamento, o registro do cilindro
dosador foi fechado, bem como o do registro de baixa. O cilindro
foi desconectado e novamente pesado para que se tivesse a
certeza de que toda a carga foi retirada, ou seja, que todo o
fluido foi transferido para o sistema. A Figura 30 exemplifica
como pode ser realizada a carga de fluido refrigerante.
Figura 30 – Carga de fluido refrigerante.
Fonte: Adaptado de (CLUBE DA REFRIGERAÇÃO, 2014)
89
4.5 Execução dos ensaios
Para iniciar a série de execuções de testes na bomba de
calor, optou-se por remover todo o fluido refrigerante da máquina
e recarregá-la exatamente com a quantidade especificada pelo
fabricante que é de 0,9kg de R-22. A Figura 31 mostra o gráfico
do desempenho da bomba de calor antes da troca do fluido
refrigerante e com temperatura ambiente de 16°C.
Figura 31 – Teste de funcionamento da bomba de calor.
Neste teste inicial, para se obter o fluxo de calor e se
estimar o COP real da máquina, foi utilizada a medida da vazão
=0,219kg/s; e na
realizada (Seção 4.1.2) de 0,219 l/s, ou seja, m
variação da temperatura em regime permanente: ∆T=6,28°C.
Considerou-se a temperatura específica da água como sendo:
C = 4,1686 kJ/kgK.
Como resultado a capacidade de aquecimento da água foi
de Q =5.733 W. Nota-se que, neste teste, não foi feito o
levantamento de tensão e corrente para se calcular a potência
90
gasta. Porém, foi apresentado o comportamento da máquina com
relação à pressão de baixa do sistema, mostrando um
comportamento estável e dentro do esperado.
Em um segundo teste, já com a carga exata de 0,9kg de
R-22, foi possível observar o comportamento da tensão e da
corrente elétrica. Optou-se também por um teste com o dobro do
tempo, a fim de analisar o comportamento do sistema por um
tempo maior. Outra questão foi a temperatura ambiente estar
mais alta durante o teste, oscilando por volta dos 24°C.
A Figura 32 exibe o gráfico do comportamento da tensão durante
o teste.
Figura 32 – Comportamento da tensão ao longo de um teste.
Percebe-se claramente que a variação da tensão elétrica
durante o teste foi pequena. Ao ser ligada a bomba de calor
realiza um autoteste e na sequência inicia a circulação da água,
acionando a ventoinha interna do evaporador e por último,
ligando o compressor. Desta forma diminuindo bastante a
necessidade de tensão e corrente de partida. A Figura 33 mostra
como ficou o comportamento da corrente durante esse mesmo
teste.
91
Figura 33 – Comportamento da corrente ao longo de um teste.
Observa-se que a corrente variou nos primeiros 50 mim.
No tempo restante, quando o sistema entrou em regime,
mostrou-se bastante estabilizada. Isso se explica por um esforço
maior do sistema nos momentos iniciais por conta da inércia do
próprio sistema e um trabalho maior da bomba de calor para
equilibrar o sistema. Isso é um fato esperado e especificado pelo
fabricante que admite uma corrente máxima de 8 A.
A Figura 34 apresenta como ficou a temperatura de saída
da água (TS) e a temperatura de retorno da água (TR) para esse
mesmo ensaio. Neste gráfico, o valor de TS é a média das
medidas das temperaturas obtidas pelos sensores TS1 e TS2,
bem como TR é a média da medida das temperaturas obtidas
pelos sensores TR1 e TR2. A decisão pela utilização da média
das medidas foi tomada visando diminuir a influência da
temperatura do ambiente nos sensores. A localização destes
sensores é apresentada na Figura 29.
92
Figura 34 – Comportamento da temperatura da água na saída
e no retorno à bomba de calor.
Comparando com o teste anterior, nota-se que a diferença
das temperaturas, de saída e de retorno da água, diminuiu
bastante, ficando ∆T=2,85°C, causando uma degradação
considerável no desempenho do sistema. Foram mantidos os
mesmos parâmetros do teste inicial, a capacidade de
aquecimento, energia útil transferida para água, foi de
Q =2.602 W. Isto representa apenas 45% da energia útil medida
no primeiro teste. Porém, nesse teste, dispõe-se das medidas de
tensão e corrente. Com esses valores é possível calcular a
quantidade energia gasta pela bomba de calor, P=1.350W.
Apurou-se então o COP da máquina, que ficou em 1,93 muito
abaixo do esperado que ficaria em torno de 3,4.
Existem duas possibilidades que podem explicar esse
comportamento abaixo do esperado. A primeira, diz respeito à
substituição do fluido refrigerante. Existe a possibilidade de que a
quantidade original, retirada da bomba de calor, não era de 900g
como especificado pelo fabricante. A outra possibilidade, é de
que a temperatura ambiente de 24°C, contra 16°C do teste
anterior, pode ter influenciado no funcionamento. Entretanto, é
importante destacar que esse desempenho ruim seria
93
minimizado com a proposta de automação do dispositivo de
expansão, que controlaria a quantidade de fluido refrigerante
com base no diagnóstico do sistema.
Optou-se por fazer um novo teste para melhor observar o
comportamento das temperaturas do sistema, bem como a
potência consumida através da medida da tensão e da corrente.
Neste último ensaio realizado, a temperatura ambiente oscilou
por volta dos 26°C e o ensaio teve uma duração intermediária de
75 min. A Figura 35 mostra como ficou o comportamento das
quatro medidas das temperaturas da água.
Figura 35 – Comportamento das temperaturas da água na saída
e no retorno à bomba de calor.
Observa-se um funcionamento um pouco diferente com
relação aos outros ensaios. Neste, a ventoinha do radiador foi
acionada somente depois de decorridos 5 min. A temperatura
TS1 sobe rapidamente até 60°C e depois se acomoda por volta
dos 55°C. Naturalmente, que antes de o sistema todo se
aquecer, a temperatura da água de retorno TR1 e TR2 se
mantêm mais fria do que a da saída da bomba, porém, entre 5 e
10 min, sai de 26°C e chega aos 53°C, acomodando-se a 52°C.
94
Isso pode ser explicado pela baixa capacidade do radiador em
retirar o calor da água, embora para o experimento o importante
seja a variação da temperatura de entrada e saída da bomba.
A Figura 36 apresenta o delta da temperatura.
Figura 36 – Comportamento da variação da temperatura da água.
Como comentado anteriormente, a alta variação da
temperatura inicial da água foi provocada pela falta de ventilação
forçada no radiador. Essa medida foi tomada para que se
pudesse avaliar a capacidade de resfriamento através do
conjunto radiador/ventoinha. Outro fator que influenciou nesta
variação inicial, foi de que a temperatura da água dentro do
sistema hidráulico estava muito baixa, e, com a ventoinha
desligada e a bomba de calor acionada, rapidamente a
temperatura da água subiu chegando aos 60°C. A variação da
temperatura ficou em 2,9°C, muito próximo ao valor obtido no
teste anterior. A Tabela 8 mostra como ficou o comportamento da
corrente, tensão e potência consumida pela bomba de calor.
95
Tabela 8 – Dados coletados de corrente, tensão e potência
em um dos testes
Tempo (min)
I (A)
U (V)
P (W)
0
7,9
220,2
1739,4
5
7,7
220,0
1694,0
10
6,9
221,0
1525,2
15
6,6
219,2
1446,9
20
6,5
220,0
1429,9
25
6,6
220,7
1456,9
30
6,6
219,6
1449,4
35
6,5
220,2
1431,4
40
6,3
219,9
1385,7
45
6,4
220,4
1420,6
50
6,3
219,8
1392,0
55
6,3
220,5
1389,1
60
6,4
219,8
1407,0
65
6,3
219,5
1383,1
70
6,3
219,3
1381,5
75
6,3
219,8
1384,5
4.6 Processamento dos dados de um ensaio
Durante a realização dos ensaios, todas as variáveis
medidas foram armazenadas na forma arquivo de dados. O
processamento desses dados foi dividido em duas partes: a
análise dos testes gerais com relação à temperatura da água,
tensão e corrente coletadas; e, a análise de cada medida em
regime permanente. O processamento foi realizado com a
96
planilha Calc do LibreOffice28. Uma planilha exemplo do
processamento da dados de um ensaio pode ser vista no
Apêndice B.
O processamento dos testes gerais foi feito no intuito de se
poder visualizar de maneira adequada e satisfatória às condições
de funcionamento da bomba de calor. E a utilização de gráficos
se justifica porque desta forma as variáveis são rapidamente
conferidas, ficando fácil a identificação de medidas fora da
normalidade, alteradas por ruído ou mau funcionamento do
equipamento. Esta análise é importante para que não se
comprometa todos os dados do ensaio.
Num segundo momento, foram definidos os períodos de
teste, levando em conta a entrada em regime permanente do
sistema. Os dados, contendo as amostras de medições, foram
então transportados para uma nova planilha onde foi gerado o
resumo final da condição de funcionamento na forma das médias
das medidas a cada 5 minutos. O sistema de aquisição foi
programado para coletar uma amostra de todas as variáveis
medidas no experimento a cada segundo. Portanto, a cada 5 min
foram coletadas 300 amostras por variável.
Tanto os gráficos quanto as tabelas apresentadas nesse
trabalho, foram feitos com base no valor médio do número
medidas ao longo do tempo. Sendo que no caso dos gráficos de
linhas, procurou-se utilizar sempre linhas suavizadas de maneira
que as variáveis pudessem ser melhores observadas e
entendidas. O tipo de interpolação utilizada para apresentação
dessas linhas foi a Spline cúbica29.
28
O LibreOffice é um conjunto de aplicações de produtividade de código
aberto, utilizadas para a criação de textos, planilhas e apresentações.
Disponível em http://pt-br.libreoffice.org/
29
Interpola os pontos de dados com polinômios de grau 3. As transições
entre os segmentos de polinômio serão suaves, tendo a mesma inclinação e
curvatura.
97
4.7 Incertezas de medição
Segundo o Guia para Expressão da Incerteza de medição
produzido pelo INMETRO (2012), a medição de uma grandeza
física deve sempre indicar de forma quantitativa e qualitativa o
resultado, possibilitando avaliar sua confiabilidade. Os resultados
de medição não podem ser comparados sem essa indicação,
seja entre eles mesmos ou com valores de referência fornecidos
por uma especificação de fabricante ou numa norma. Portanto, é
necessário que exista um procedimento rápido, de fácil
compreensão e ampla aceitação, de modo a caracterizar a
qualidade de um resultado de uma medição, isto é, para avaliar e
expressar sua incerteza.
Neste ensaio foram consideradas dois tipos de incerteza, a
incerteza inerentes ao sistema de medição30 (umed) e as
incertezas relacionadas a repetição de medição (urep). Elas se
relacionam de acordo com a expressão da incerteza combinada:
uC (Y ) =
∑u
2
i
2
2
= umed
+ urep
(9)
Onde uC(Y) é a incerteza padrão combinada da variável Y e
Ui é a parcela de incerteza padrão.
A incerteza padrão expandida, vista na Equação 9, é
calculada em razão da incerteza padrão obtida, multiplicada pelo
fator de abrangência (k) proveniente da distribuição Gaussiana.
No presente trabalho optou-se por um valor de k = 2, o que
representa um nível de confiança de cerca 95%. A justificativa
para a não utilização do coeficiente ‘t’ de Student na análise, é o
fato de o número de amostras ser maior que 100, caso em que a
30
i.e. incertezas de calibração ou fornecidas pelo fabricante.
98
análise de Student pode ser considerada pela distribuição normal
(ALBERTAZZI; SOUSA, 2008).
U (Y ) = k .uC (Y )
(10)
Onde U(Y) é a incerteza expandida e k é o fator de
abrangência.
A parcela de incerteza referente à repetibilidade foi
calculada através do desvio padrão experimental das médias de
mais de 100 medições realizadas na condição de regime
permanente. A Equação 11 mostra a relação destas variáveis:
u ( xi ) =
1 n
( xi ,k − xi ) 2
∑
n − 1 k =1
n
(11)
Onde u ( xi ) é a incerteza padrão da repetibilidade, n é o
número de medições, xi,k é o valor instantâneo da variável e xi é
a média aritmética das n medições.
A parcela de incerteza associada ao sistema de medição
foi devidamente tratada, considerando que os dados de incerteza
(±a) fornecidos pelos fabricantes dos equipamentos, como sendo
a incerteza expandida do instrumento. Normalmente, tais valores
são estimados por um porcentual do valor de fundo de escala
(%V.FE). Entretanto, se quer somente a incerteza padrão
referente a esse instrumento, desta forma, faz-se a operação
inversa da incerteza expandida que é vista na Equação 10.
99
u ( xi ) =
a
k
(12)
Onde a é a incerteza do instrumento de medição.
Contudo, se não existir informações suficientes a respeito
dos dados que se deseja tratar, ou apenas que a medição xi está
num intervalo de ±a, utiliza-se o fator k = 3 . Garantindo um
nível de confiança de 100% de que todas as medições estão
dentro do valor estimado. Consideração Equação 12, obtêm-se:
u ( xi ) =
a
3
(13)
Neste trabalho, foi utilizada a curva de ajuste ou curvas de
calibração por redução por mínimos quadrados, partindo-se de
valores conhecidos mensurados (Vpadrão) e do sinal, faixa de
tensão ou corrente, fornecido pelo instrumento de medição.
Portanto é necessário avaliar as incertezas geradas dos valores
calculados (Vcalculado) a partir desta curva. Deve-se atentar para a
seguinte relação:
u ( xi ) =
∑ (V
padrão
− Vcalculado ) 2
n − (1 + GP)
(14)
Onde Vpadrão é o valor padrão conhecido do mensurando e
Vcalculado é valor calculado a partir da curva de ajuste, n é o
número de pontos considerados no ajuste da curva e GP é o grau
100
do polinômio da curva. A Tabela 9 mostra como ficou a incerteza
de medição para as grandezas independentes.
Tabela 9 – Incertezas de medição das grandezas
independentes
Unidade
Incerteza
Combinada
Incerteza
Expandida
Temperatura
°C
±0,2
±0,4
Tensão
V
±0,08
±0,2
Corrente
A
±0,01
±0,02
kg/s
±0,004
±0,008
Variável
Vazão mássica
Para as demais variáveis calculadas que necessitam de
mais de uma medição experimental para serem determinadas
diretamente, suas incertezas foram obtidas através da lei de
propagação das incertezas, dada pela seguinte equação:
2
 ∂Y  2
uC (Y ) = ∑ 
 uC ( xi )
i =1  ∂xi 
n
(15)
Quando as grandezas independentes da Equação 15 são
correlacionadas, a incerteza padrão passa a ser calculada pela
seguinte equação:
101
2
n −1 n
 ∂Y  2
∂Y ∂Y
uC (Y ) = ∑ 
u
(
x
)
+
2
uC ( xi )uC ( x j ) r ( xi , x j )
∑
∑
 C i
i =1  ∂xi 
i =1 j = i +1 ∂xi ∂x j
n
(16)
Onde r(xi,xj) é o coeficiente de correlação das grandezas
associadas xi e xj.
Apenas duas variáveis dependentes foram consideradas
para essa análise: a energia útil (potência de aquecimento) e o
COP. Como referência, adotou-se os dados de um único ensaio.
A Tabela 10 apresenta a máxima incerteza expandida para essas
variáveis dependentes.
Tabela 10 – Incertezas expandidas máximas para
variáveis dependentes
Variável
Potência Útil
COP
Unidade
Incerteza Expandida
Máxima
W
±0,65
W/W
±0,39
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Os testes experimentais foram realizados de acordo com a
metodologia descrita nas Seções 4.1, 4.2 e 4.3. No total foram
realizados cerca de 20 ensaios experimentais em condições de
temperatura ambiente variando entre 16 e 26°C, divididos em
duas partes: ensaios iniciais, considerando a configuração
original da bomba de calor; ensaios finais, quando foi substituído
todo o fluido refrigerante.
5.1 Ensaios iniciais
Nos primeiros ensaios a bomba de calor foi medida em sua
configuração original, não levando em consideração alguns
aspectos como a quantidade de fluido refrigerante e a energia
consumida. A Tabela 11 exibe o resumo dos resultados de três
ensaios selecionados, sendo que o de número zero é com base
somente nos dados do fabricante.
Tabela 11 – Resumo dos resultados dos ensaios iniciais
Ensaio
Potência
Potência
Mín. (kW) Máx. (kW)
m água
Cágua
∆Tágua
Q água
(kg/s)
(J/kgK)
(°C)
(kW)
0
1
2
3
1,36
1,7
0,219
4,1686
COP COP
mín. máx.
5,200
3,1
3,8
6,28
5,733
3,4
4,2
6,56
5,989
3,5
4,4
5,95
5,432
3,2
4,0
O ensaio 0 caracteriza o desempenho segundo o
fabricante. Para os outros três ensaios foram utilizados somente
104
os dados de potência mínima e máxima, que corresponde
respectivamente a potência nominal (1,36kW) e potência de
entrada máxima (1,7kW) da bomba de calor especificado pelo
fabricante. É importante destacar que o desempenho é obtido
com base na temperatura do circuito da água, da onde se mede
o seu desempenho.
Como resultado destes testes, a bomba de calor mostrou
um desempenho acima do esperado, com uma capacidade de
aquecimento média, correspondente ao calor transmitido para
água, de 5,7kW. Segundo os dados do fabricante, a capacidade
de aquecimento esperada é de 5,2kW, sendo que média da
medida dos ensaios foi 11% maior. Ainda, que o consumo de
energia, potência nominal, esperado é de 1,36kW, admitindo-se
uma potência máxima de entrada de 1,7kW, utilizando esses
valores, obteve-se um COP, não fornecido diretamente pelo
fabricante, entre 3,1 e 3,8. Considerando que esses primeiros
ensaios também utilizaram os dados de consumo especificados
pelo fabricante, tem-se um COP médio entre 3,4 e 4,2.
A Figura 37 mostra o gráfico com as condições de desempenho
a partir da análise de dados do fabricante e testes iniciais.
Figura 37 – Condições de desempenho da bomba de calor
com base nas informações do fabricante.
105
Para os próximos ensaios, já com a carga de fluido
refrigerante especificada pelo fabricante, observa-se uma
mudança significativa no comportamento da bomba de calor.
Também foi possível avaliar o COP real da máquina a partir da
medição da corrente e tensão durante os ensaios.
5.2 Ensaios finais
Nesta segunda parte dos ensaios, a temperatura ambiente
estava bem mais alta quando dos ensaios anteriores. Isso fez
com que o delta da temperatura se deslocasse mais pra cima
que o anterior. No primeiro ensaio, Seção 5.1, o centro do delta
da temperatura ficou por volta dos 34°C, já no segundo ensaio,
ficou por volta dos 45°C. Com temperaturas ambientes entre 16 e
26°C respectivamente. A Tabela 12 apresenta o resumo dos
valores medidos para quatro ensaios selecionados.
Tabela 12 – Resumo dos resultados dos ensaios finais
Ensaio
Potência
Potência
Mín.(kW) Máx.(kW)
m água
Cágua
∆Tágua Q água
(kg/s)
(J/kgK)
(°C)
(kW)
COP
COP
mín.
máx.
1
1,42
1,45
0,219
4,1686
2,9
2,647
1,8
1,9
2
1,28
1,35
0,219
4,1686
2,85
2,602
1,9
2,0
3
1,36
1,43
0,219
4,1686
3,1
2,830
2,0
2,1
4
1,36
1,43
0,219
4,1686
4
3,652
2,6
2,7
O ensaio 4, visto na Tabela 12, foge um pouco da
metodologia adotada nos demais ensaios, que é o de considerar
os valores em regime do sistema, para caracterizar o
desempenho da bomba durante todos os 80 min de operação.
Desta forma, os resultados apresentados são os valores médios
obtidos do ligar ao desligar do aparelho, e não de regime como
106
os demais. As potências mínimas e máximas correspondem à
potência em regime permanente, e a potência média, com base
na duração total de cada um dos três ensaios selecionados. O
COP máximo e mínimo é relação entre a capacidade de
aquecimento da água, e potência média ou potência em regime
respectivamente. Outra vez cabe salientar que a medida da
energia útil é fornecida pela vazão, calor específico e diferença
de temperatura da água.
O que chamou atenção nos ensaios finais foi o baixo
rendimento da bomba de calor. A capacidade de aquecimento da
água diminuiu muito, ficando na média de 2,7kW, contra os
5,7kW dos ensaios iniciais. Sendo que o consumo médio de
energia, considerando os três ensaios, ficou na ordem de
1,35kW. Desta forma, obteve-se um COP igual 1,9. Já
considerando a bomba de calor em regime, esse valor médio
sobe um pouco, chegando a COP igual 2,1.
Dois fatores podem ter influenciado diretamente nesse
mau desempenho. O primeiro deve-se ao fato de que a
temperatura ambiente estava mais alta nos ensaios 1 e 2,
influenciando no comportamento da bomba de calor, de forma
que a temperatura de sub-resfriamento ficou muito alta na saída
do condensador, responsável pelo aquecimento da água que já
estava bastante quente. Sabe-se que o aumento da temperatura
de sub-resfriamento piora o desempenho do sistema. O segundo,
que a quantidade de fluido refrigerante substituída pode ter sido
insuficiente para as condições de operação em temperatura
ambiente maiores. A elevação da temperatura na saída do
evaporador, acima da necessária, provocou um aumento do
volume específico do refrigerante na entrada do compressor e
este, por sua vez, desloca uma massa menor que deslocaria
caso não existisse o superaquecimento, e isso também causa
degradação no desempenho do sistema.
Para exemplificar uma das medições, foi escolhido o
ensaio 3 realizado com temperatura ambiente, em torno dos
18°C e tempo de funcionamento de 80 min. Como era de se
esperar, o centro do delta da temperatura ficou em 48,6°C. Com
valor para ∆T=3,1°C, praticamente o mesmo dos testes
anteriores. Neste teste, optou-se por ligar a ventilação forçada,
107
somente depois de decorridos 5 min de funcionamento, para
testar essa condição de funcionamento da bomba de calor. A
temperatura na saída TS1 cresceu rapidamente até 60°C, e,
assim que ligada a ventilação, a temperatura, em 10 min, desceu
e se estabilizou por volta dos 50°C.
Quanto ao comportamento da energia gasta, a Tabela 8
mostra que o comportamento da corrente e da tensão,
consequentemente da potência consumida, variaram dentro do
esperado. Sendo que a máxima corrente aconteceu assim que a
máquina foi ligada 7,9A, e foi decrescendo para se estabilizar por
volta dos 6,3A. A potência média foi de 1,45kW, considerando a
duração do ensaio de 75 min. Já o COP ficou em apenas 1,83.
No melhor caso, quando a bomba de calor entra em regime
permanente, com consumo médio de 1,39kW, o COP sobe para
apenas 1,9. A Figura 38 mostra o gráfico de como ficou o COP
com relação à quantidade de fluido refrigerante e indicação da
temperatura ambiente nos três ensaios escolhidos, sendo que
para o ensaio 4 foram utilizados os dados do ensaio 3,
considerados os valores médios obtidos de todo um ensaio como
já foi descrito.
Figura 38 – Condição de desempenho da bomba de calor
após a troca do refrigerante.
108
Para esses ensaios finais, o desempenho ficou muito
abaixo do esperado. A bomba de calor agora com exatos 900g
de refrigerante R-22 especificado pelo fabricante, não repetiu o
bom desempenho dos ensaios iniciais. Existe a possibilidade de
que a quantidade existente na bomba de calor era diferente da
especifica. Infelizmente não se mediu a quantidade de
refrigerante retirada. Outro fator que poderia causar uma
degradação do desempenho é a temperatura ambiente, que
estava mais alta nos ensaios finais que nos ensaios iniciais,
desta forma, prejudicando o funcionamento da bomba de calor.
Em todos os ensaios realizados a temperatura da água,
em circuito fechado, esteve próxima da temperatura ambiente ao
se iniciar os testes. No caso do teste de condição apresentado
pelo fabricante, mostra uma condição de teste a temperatura
ambiente (DB/WB)31 é de 20/15°C respectivamente. E a
temperatura inicial/final da água é de 15/55°C.
31
DB (Dry-Bulb) é a temperatura de bulbo seco. Pode ser medida utilizando
um termômetro normal livremente exposto ao ar. WB (Wet Bulb) é a
temperatura de bulbo úmido. É a temperatura indicada por um termômetro
úmido exposto ao ar.
6 CONTROLE DE FLUIDO REFRIGERANTE
Esse capítulo sugere uma proposta de modelo de controle
de fluxo de massa de R-22 em uma bomba de calor. Pretende-se
introduzir uma nova concepção de funcionamento, através do
controle da quantidade de fluido refrigerante que circula pelo
sistema, tendo como parâmetros as temperaturas de subresfriamento e superaquecimento. Para isso, serão utilizados
controle digital, válvulas moduladoras e reservatório de fluido
intermediário.
6.1 Controle de processos
Por controle de processos, compreende-se atuar sobre um
determinado processo de modo a atingir um objetivo específico.
Este objetivo pode ser manter uma variável de saída do processo
dentro de certa referência ou valor ao longo do tempo e na
presença de distúrbios. Um sistema de controle confiável permite
manipular as entradas do sistema para obter o efeito desejado na
saída, próximo aos limites impostos pela segurança e pelo
processo, permitindo alterar as condições normais de operação
para uma condição mais favorável (CAMPOS; TEIXEIRA, 2010).
A Figura 39 apresenta um diagrama de um sistema de
controle em malha fechada tipicamente utilizado em controles
digitais. Nela é possível observar o sensor, elemento essencial
do controle, responsável pelo monitoramento. Este elemento tem
a função de medir determinada variável do processo e enviar
essa informação ao controlador para que possa ser processada.
A variável do processo, ou variável controlada, pode ser a
temperatura, pressão, vazão, volume, entre outras. Normalmente
o sensor gera um tipo de sinal analógico que precisa ser
convertido para um sinal digital.
110
Figura 39 – Controle de processos em malha fechada.
Fonte: Adaptado de (CAMPOS; TEIXEIRA, 2010).
A informação obtida pelo sensor é comparada com o valor
desejado de referência e enviada ao controlador. No controlador,
acontece o processamento das informações, e, através da lei de
controle, que visa à redução do erro, o controlador comunica
ação de controle que deve ser executada pelo atuador. O
atuador, por sua vez, interfere de alguma maneira no processo,
alterando o comportamento do mesmo, através da mudança de
valor da variável manipulada. A variável manipulada, por sua vez,
deve ser uma variável que provoque uma mudança rápida na
variável controlada do processo.
Cabe ressaltar que embora o desempenho de um sistema
de controle possa ser avaliado pela sua capacidade em manter a
variável controlada próximo a um valor desejado chamado de
setpoint, a robustez torna-se a principal consideração para
alguma condição de operação particular, uma vez que o
controlador deve proporcionar um bom desempenho na presença
de incertezas e perturbações (ROCHA et al., 2004).
6.2 Controle digital
Entende-se por controle digital um sistema de dados que
são amostrados e implementados por um hardware que executa
uma lei de controle. O software é responsável por manipular os
parâmetros de forma a cumprir as especificações estipuladas
111
para a malha a ser controlada através da lei de controle. Com o
desenvolvimento e a disseminação dos microcontroladores, a
implentação de controles digitais na forma direta tornou-se
extremamente acessível, desejável, simples e barato
(BOTTURA, 1982).
O controle de sistemas utilizando computadores digitais faz
uso de sinais discretos no tempo. Sendo assim, o controle digital
é feito dessa forma, utilizando diferentes elementos como:
amostrador
e
conversores:
analógico/digital
(A/D)
e
digital/analógico (D/A). Estes elementos permitem processar os
sinais analógicos do sistema contínuo e transformá-los em sinais
discretos no tempo. A Figura 40 exibe um diagrama de controle
discreto de um processo contínuo.
Figura 40 – Diagrama de controle discreto de um processo
contínuo.
Fonte: Adaptado de (PAGANO, 2006).
Dada a importância da amostragem e considerando o
controle digital de um processo contínuo, sabe-se que para
controlar um determinado processo é necessário um
processamento de cálculos matemáticos de forma rápida. Daí a
necessidade de um processamento digital que poderia ser um
microcontrolador. Desta forma, a saída do processo é lida e
convertida em sinal digital para ser transmitida ao controlador.
Por sua vez, este faz os cálculos e envia um sinal digital, que
pode ou não ser convertido em um sinal contínuo, para ser
aplicado ao processo como mostra a Figura 40.
112
6.3 Proposta de automação do dispositivo de expansão
Esta proposta de automação consiste basicamente em se
controlar a quantidade ótima de fluido refrigerante em um
sistema de refrigeração, com a finalidade de se manter as
temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento estáveis.
Sabe-se, que variações como: carga térmica, temperatura
ambiente e umidade, podem afetar diretamente essas duas
variáveis do processo e consequente degradação no
desempenho do sistema. A Figura 41 mostra a estrutura de
controle proposta com destaque para a adaptação tecnológica.
Figura 41 – Estrutura de controle proposta.
A estratégia é medir dois pares de temperatura, que
correspondem às temperaturas de sub-resfriamento e de
superaquecimento do sistema de refrigeração. O primeiro par de
medições é feito na saída do condensador onde se obtêm o subresfriamento. O outro par de medições acontece na saída do
evaporador, onde se mede o superaquecimento. Essas
113
informações são então processadas e como resposta há um
acionamento das válvulas moduladoras com a intenção de
provocar uma variação (aumento ou diminuição) da quantidade
de fluido refrigerante que circula pelo sistema.
Essa válvula moduladora é utilizada juntamente com
reservatório de fluido intermediário em aplicações onde a taxa de
enchimento e de drenagem são controladas e moduladas por um
controlador eletrônico. Estimasse que o volume do reservatório
deva ficar entre 15 e 50% da carga nominal de refrigerante para
um determinado sistema.
Pode ser instalada em um sistema de refrigeração e
acionada por um controlador que pode ser um Controlador
Lógico Programável (CLP), ou um microcontrolador capaz de
receber um sinal variável do processo, a informação de
temperatura, a qual seja comparada ao ponto de referência,
setpoint, e depois acerta a capacidade da válvula principal e da
secundária até o sinal se igualar, o que significa dizer que a
temperatura alcançou o setpoint.
6.3.1 Válvula de controle
Segundo Ribeiro (1999), a característica de uma válvula de
controle é definida como sendo a relação entre a vazão através
de válvula e a posição da válvula variando ambas de 0% a 100%.
A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que
vai para o atuador da válvula. Sendo assim, ao se conceber um
sistema com a utilização de três válvulas, onde uma delas
controla o Bypass, o normal é que se utilize esta como
totalmente aberta (100%) ou totalmente fechada (0%). Ainda,
que a relação para se obter o enchimento ou esvaziamento do
reservatório de fluido intermediário, se dá à medida que se abre
e fecha proporcionalmente as válvulas de passagem. A Figura 42
apresenta uma concepção do modelo de controle com a
utilização de três válvulas.
114
Figura 42 – Concepção da estrutura de controle proposto.
A estrutura de controle proposta se dá aumentando ou
diminuindo a massa de R-22 com a liberação de mais ou menos
fluido refrigerante no sistema. Supondo uma condição em que o
sistema está necessitando de mais fluido, as válvulas A e B
abrem proporcionalmente com base na necessidade calculada
pelo controlador digital, enquanto a válvula C (bypass) é
completamente fechada. À medida que o sistema entra em
equilíbrio, A e B são fechadas e C é totalmente aberto. Na outra
condição, em que se necessita retirar parte da massa de R-22,
as válvulas C e B são fechadas enquanto A é aberto. Assim,
parte do fluido começa a se acumular no reservatório (2).
Novamente estabilizado o sistema, as válvulas A e B são
fechadas e C é aberto dando passagem ao fluido refrigerante.
115
6.3.2 Fluxograma do modelo de controle proposto
Para a realização do controle do processo proposto, é
necessário que se apresente uma solução simplificada do
funcionamento
do
microcontrolador,
possibilitando
o
monitoramento da variável a ser controlada e consequente
atuação na variável manipulada a partir do setpoint das
temperaturas. A Figura 43 apresenta o fluxograma do controle da
quantidade de fluido proposto.
Figura 43 – Fluxograma do modelo de controle proposto.
116
O fluxograma do controle proposto começa com a
inicialização das referências de temperatura de operação (TC e
TO). Em uma condição típica de funcionamento de equipamentos
baseados no fluido R-22 para refrigeração, as temperaturas
devem ser em torno de 40°C no condensador (TC), e de -10°C na
saída do evaporador (TO). Após o recebimento das variáveis
medidas, T1 e T2, que correspondem às temperaturas de subresfriamento e superaquecimento respectivamente. Após isso, as
variáveis são comparadas com as suas referências. Primeiro, se
a variável T1 for maior que TC. Caso a afirmação seja verdadeira,
o sistema executa cálculo do controle e aumenta a quantidade de
fluido que circula pelo sistema. Logo, aumentando a massa do
fluido, e, por causa das suas propriedades termodinâmicas,
permitindo uma maior troca de calor com o meio e consequente
diminuição da temperatura.
Caso contrário, ou seja, se a temperatura T1 for menor ou
igual a TC, então o controle desvia para comparar T2. Nesse
caso, se T2 for menor que TO o sistema atua bloqueando a
válvula de saída e consequentemente diminuindo a quantidade
de fluido que circula pelo sistema. Se não houver o controle da
temperatura do condensador, não adianta tentar controlar a
temperatura no evaporador, sob pena de que o controle se anule,
liberando fluido e retirando-o logo em seguida, desta forma,
impossibilitando o controle da quantidade de fluido refrigerante.
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nesta pesquisa inicialmente fez-se uma contextualização e
resgate sobre os sistemas de refrigeração, apresentando sua
evolução e modernização buscando destacar o ciclo padrão de
refrigeração que pode ser utilizado tanto para resfriar, como para
aquecer um ambiente. Exemplo disso é o aparelho de ar
condicionado, onde a energia elétrica é transformada em energia
térmica para resfriar ou aquecer o ar que circula em determinado
espaço, outro exemplo, ainda, é o uso de uma bomba de calor
para aquecimento de água. Nas duas situações, existe um
coeficiente de desempenho maior que um, que indica o
rendimento do sistema, isto é, que a quantidade de energia útil
produzida é maior do que a energia gasta.
Ainda sobre rendimento energético, cabe destacar que o
rendimento esperado de uma bomba de calor é
aproximadamente 3, ou seja, COP igual a 3, indicando uma
eficiência de 300%. Em comparação, um chuveiro elétrico tem
um COP por volta de 0,95 (95%), o que representa um consumo
de energia elétrica maior do que a energia útil produzida ao se
aquecer a água.
O estudo aqui realizado por si só é capaz de introduzir o
assunto no que diz respeito ao uso de bomba de calor e de
novas tecnologias que podem proporcionar um maior rendimento
em sistemas baseados no ciclo padrão de refrigeração.
Pesquisas nessa área se fazem necessárias tendo em vista o
panorama energético brasileiro, que aponta um crescimento no
setor de energia elétrica de 5,1% ao ano, significando que a
demanda por esse tipo de energia vai mais do que dobrar até
2030. Percebe-se claramente a necessidade iminente de
programas de conservação e de eficiência energética.
Segundo o relatório do BEN com dados de 2012 o
consumo de eletricidade no setor residencial chegou a 23,6%, o
que representa 117.646 GWh de toda a energia final consumida
no país naquele ano que é de quase 500.000 GWh. Destaca-se
que os equipamentos de refrigeração correspondem a 64% da
118
energia gasta em uma residência. Se for considerar a
substituição do chuveiro elétrico, responsável por 23% do
consumo, por uma bomba de calor, o potencial de economia de
energia se torna enorme tendo em vista a eficiência energética
em sistemas baseados no ciclo padrão de refrigeração.
Exemplo de um trabalho realizado visando a melhoria da
eficiência energética em sistemas de refrigeração foi os
compressores com capacidade variável, conhecidos como
inverter, que foram possíveis a partir da utilização de um inversor
eletrônico de frequência capaz de conduzir o compressor em
diferentes velocidades e consequentemente, controlar a sua
capacidade de refrigeração de modo que ele não parasse de
funcionar, evitando picos de sobre corrente. Segundo a Embraco,
fabricante desses compressores, há uma redução do consumo
de energia do sistema de refrigeração de até 40%, em relação a
uma operação com um compressor convencional.
A parte experimental do presente estudo começou com a
medição da bomba de calor, como alternativa a um aparelho de
ar-condicionado, dada a facilidade prática da medição do seu
desempenho. O sistema aqueceu a água em circuito fechado, e,
o cálculo do COP, foi a razão da quantidade do calor transferido
para água pela quantidade de energia consumida, através da
medição do consumo de energia elétrica durante um ensaio.
Lembrando que o calor transferido para água é dado pela
diferença da temperatura da água que sai (aquecida), pela
temperatura da água (mais fria) que entra na bomba de calor.
As medições ocorreram dentro do espero, embora um fator
que tenha sido desconsiderado nos ensaios possa ter
atrapalhado o desempenho do equipamento: a temperatura
ambiente de operação. Porém, a estrutura de controle proposto
absolveria esse problema controlando a massa de fluido
refrigerante, melhorando o desempenho do sistema. Outro fator
negativo foi de que a temperatura da água ao longo dos ensaios
ficou muito acima da temperatura ambiente, ou seja, o radiador
utilizado foi mal dimensionado e não foi suficientemente grande
para retirar uma parcela maior de calor da água que circulava
pelo circuito hidráulico do sistema. Haja vista que num primeiro
momento, a preocupação era a medição da variação da
119
temperatura, não importando se poderia ser mais alta ou baixa
que a do ambiente. Entretanto, durante a realização dos testes
com a temperatura ambiente mais alta e o radiador retirando
somente uma parcela do calor contido na água, fez com que a
bomba de calor aparentemente perdesse desempenho.
Ainda, o fator da temperatura ambiente mais alta pode ter
influenciado diretamente o desempenho da bomba de calor por
conta das propriedades do fluido refrigerante, uma vez que esta
interfere diretamente nas temperaturas de sub-resfriamento e
superaquecimento. Porém, a proposta de automação do
dispositivo de expansão atuaria no controle da quantidade de
fluido refrigerante de modo a maximizar a eficiência energética
em qualquer situação de funcionamento.
Com base no monitoramento desses parâmetros é
possível se manter o COP do sistema o mais elevado possível.
Porém, o setpoint de temperatura entre os ciclos quente, no caso
da bomba de calor e de frio, no caso dos equipamentos de
refrigeração, precisam ser detectados e diferenciados.
Durante a realização dos ensaios, decidiu-se pela troca do
fluido refrigerante. Foi colocada exatamente a quantidade de
refrigerante indicado pelo fabricante. A princípio as condições de
operação do sistema deveriam continuar as mesmas, mas o
desempenho caiu. O que leva a pensar, que em um país com
clima tropical e se tratando de uma bomba de calor utilizada para
esquentar água em climas mais frios, a quantidade de fluido
refrigerante pode ter sido modificada para mais ou para menos
atendendo os requisitos de temperatura de operação do sistema
conforme a região em que ela vá operar. Apesar disto não ter
sido comprovado, a automação proposta absorveria o problema
com base no setpoint da temperatura do sistema e controle do
fluxo de massa de refrigerante, o qual determinaria o nível ideal
de refrigerante.
O objetivo da pesquisa e estudo realizados era conhecer o
perfil de funcionamento da bomba de calor para poder determinar
o desempenho com base na quantidade exata de refrigerante
especificada pelo fabricante, além disso, tinha-se a ideia de
instalar as válvulas moduladoras e o reservatório de fluido
120
intermediário, procedendo novamente com os mesmos testes,
mas isso não foi realizado.
Dentro deste contexto, foi proposta a automação do
dispositivo de expansão de modo que se possa fazer o controle
do fluxo de massa de fluido, em que a quantidade ótima de
refrigerante seria calculada automaticamente pelo sistema,
maximizando o desempenho em qualquer condição. Porém,
como já falado, não foi realizada a instalação das válvulas tendo
em vista a demanda de tempo extra, ficando fora da delimitação
do trabalho. Todavia, é importante destacar que existe potencial
nesta ação, já que utilização de válvulas moduladoras, como
alternativa a outros mecanismos de controle de refrigerante não
automático, pode proporcionar um aumento considerável no
desempenho, a partir do controle da vazão do fluido refrigerante.
Por fim, é importante salientar o fato de que a presente
pesquisa analisou de forma aceitável uma bomba de calor
produzida na China, ainda pouco comercializada no Brasil. Gerar
conhecimento sobre esses produtos é de extrema importância,
pois com o aumento da utilização desses equipamentos,
associados a sistemas de aquecimento solar de água, ou em
substituição aos aquecedores de passagem e outros sistemas de
aquecimento de água menos eficientes, é determinante para bom
aproveitamento da energia elétrica e com isso promover a
eficiência energética.
Sugere-se para estudos e pesquisas futuras a realização
de novos testes, assim como a realização de novas análises da
bomba de calor com o uso de um radiador maior. Ainda, que
novos testes sejam feitos em ambiente de temperatura e
umidade controladas. Cabe ainda que haja uma maior
“sensorização” do sistema, com vistas a estabelecer outras
condições de funcionamento, como temperatura subresfriamento e superaquecimento, umidade e pressão. Não se
esquecendo da adaptação tecnológica aqui apresentada com a
proposta de automação do dispositivo de expansão para controle
do fluxo de massa refrigerante visando à máxima eficiência
energética em sistemas de refrigeração.
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em:
APÊNDICE A – Conversão de Unidades
PRESSÃO
ENERGIA
1,0 kgf/cm2 = 9,8067.104 Pa
5
1,0 bar = 10 Pa
1,0 kcal = 4,1868 kJ
1,0 kcal = 3,968 Btu
2
1,0 kgf/cm = 14, 2234 psi
1,0 atm = 1,03322 kgf/cm2
POTÊNCIA
1,0 atm = 4,6959 psi
1,0 J/s = 1 W
1,0 psi = 6894,757 Pa
1,0 hp = 641,13 kcal/h
1,0 hp = 745,5 W
VAZÃO VOLUMÉTRICA
3
1,0 kW = 860,0 kcal/h
1,0 m /h = 0,2778 l/s
1,0 TR = 3024 kcal/h
1,0 l/min = 0,06 m3/h
1,0 TR = 12000 BTU/h
1,0 TR = 3,516 kW
COMPRIMENTO
1,0 pol. = 25,4 mm
1,0 pé = 12,0 pol
TEMPERATURA
1°C = K - 273,15
1°C = (°F - 32)/1,8
1°R = °F + 459,67
Obs.: TR = Tonelada de
Refrigeração
APÊNDICE B – Exemplo de Processamento
Data:
23/10/13
Início:
13 h
Operadora:
Jaqueline
Duração:
80 min
T. Ambiente: 18°C
Amostras: 1/s – 300/5min
Tempo (min)
P(PSI)
I(A)
U(V)
TR1 (NTC)
TS1 (NTC)
TS2 (NTC)
TR2 (PTC)*
0
105
8,1
212,1
25,9
24,6
26,9
26,0
Delta(T)
-1,3
5
65
7,8
213,2
43,1
56,1
55,2
34,0
13,0
10
70
7,6
215,4
47,5
60,5
56,2
40,0
13,0
15
70
7,2
214,3
48,9
52,5
51,9
45,0
3,6
20
70
7,2
214,8
47,9
51,2
50,7
44,0
3,3
25
70
6,7
213,8
47,5
50,6
50,2
44,0
3,1
30
70
6,4
215,9
47,3
50,4
50,0
43,0
3,1
35
70
6,3
216,3
47,1
50,3
49,9
43,0
3,2
40
70
6,4
216,8
47,1
50,1
49,9
43,0
3,0
45
70
6,3
215,2
47,2
50,1
49,9
43,0
2,9
50
70
6,3
216,3
47,0
50,1
49,9
43,0
3,1
55
70
6,2
215,1
46,9
50,1
49,8
43,0
3,2
60
70
6,2
216,5
47,0
50,0
49,9
43,0
3,0
65
70
6,2
217,4
47,0
50,0
49,9
43,0
3,0
70
70
6,1
218,7
47,0
50,0
49,8
43,0
3,0
75
70
5,9
221,7
46,8
49,9
47,7
43,0
3,1
80
70
6,1
218,0
46,7
49,8
47,5
42,0
3,1
Desvio Padrão
8,6
0,7
2,2
5,2
7,1
6,1
4,7
3,5
Média
71,8
6,6
216,0
45,8
49,8
49,1
41,5
4,0
Mediana
70,0
6,3
215,9
47,0
50,1
49,9
43,0
3,1
Potencia Útil
Q=m.C.(DeltaT)
m
C
DeltaT
Q (W)
Regime
(mediana)
0,219
4168,6
3,1
2830,1
Média
0,219
4168,6
4
3651,7
* Medido através do PPR.
Potencia Cons.
P=U.I.(1h)
U
I
h
P (W)
Regime
(mediana)
215,9
6,3
1
1360,2
Média
216
6,6
1
1425,6
COP
(regime/mediana)
2830,1
COP
(média)
3651,7
2,1
1360,2
1425,6
2,6