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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

1. 120 Figura 41 Datalogger conversor USB e transformador iiea 123 Figura 42 Banho t rmico usado para aferi o de termopares is 124 Figura 43 Conjunto de term metros de bulbo de merc rio 125 Figura 44 Gr fico da rela o entre COP e temperatura da fonte fria 139 LISTA DE TABELAS TABELA 1 DADOS CLIMATOL GICOS DE S O JO O DEL RELI 77 TABELA 2 IDENTIFICA O DOS TERMOPARES meets 122 TABELA 3 EQUA ES DE CORRE O PARA LEITURA DOS TERMOPARES 127 TABELA 4 CUSTOS DO PROT TIPO sora ssgaspra sa penso neee as a 131 TABELA 5 COMPRESSOR ROTATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 18 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O MAXIMAS AE ENE ane ia ga ora acata secas ar ca horta gato Dea po e ga cre 132 TABELA 6 COMPRESSOR ROTATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 20 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O MAXIMA sen do ade ae a e a e a de a 133 TABELA 7 COMPRESSOR ROTATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 25 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O DE TABELA 8 COMPRESSOR ROTATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 25 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O DE TABELA 9 COMPRESSOR ALTERNATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 14 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O NE ASTRO Sa AR OT RE Sae dO RD 136 TABELA 10 COMPRESSOR ALTERNATIVO TEMPERAT
2. NR AE Figura 43 Conjunto de term metros de bulbo de merc rio 6 9 1 Calibra o e c lculo da incerteza dos termopares Para a calibra o dos termopares adotou se o seguinte procedimento para cada termopar mediu se seis valores de temperatura ou seja seis amostras de n 10 buscando se trabalhar sempre dentro da faixa de opera o de cada termopar e calculou se a m dia e o desvio padr o para cada amostra Com os valores de temperatura m dios x de cada amostra e 126 com os valores de refer ncias y medidos com term metros anal gicos de confiabilidade conhecida calculou se a estimativa dos m nimos quadrados a e b e construiu se um gr fico com a curva de tend ncia e a correspondente fun o de corre o para cada termopar Como a parte mais importante para avalia o dos resultados do projeto a parte referente varia o de temperatura da gua minimizou se os erros referentes leitura de temperatura de refer ncia usando se as seguintes t cnicas e uso de lupa para amplia o da faixa de leitura e uso de term metros com escala bem ampla e uso de v rios observadores fazendo v rias leituras e uso da m dia de n mero elevado de leituras e uso de temperatura onde a escala mais longa ou seja na de graus exatos devido in rcia t rmica da gua utilizada como fluido Assim sendo o erro da temperatura de refer ncia pode ser considerado como sendo somente o erro de aferi o do
3. 119704J dia 38 76 Como a fonte fria ter capacidade para 1000 litros de gua ap s cinco banhos consecutivos em condi es extremas sua temperatura ser Ty 14C AT 39 AT O mc 40 AT 1197GJ 99808 4180 kg C 41 AT 287 C 42 T 14 287 C 43 T 1113 44 Considerou se que o calor cedido pela fonte fria ser reposto pelo meio ambiente durante as 24 horas do dia atrav s de condu o convec o e radia o sendo que a maior parte da reposi o ocorrer no intervalo compreendido entre 07h30min e 18h30min Para efeito de c lculos considerou se como temperatura para a troca de calor entre a fonte fria e o meio a m dia entre 14 C e 11 13 C ou seja 12 57 C uma vez que a temperatura da fonte fria aumenta ao absorver calor e diminui ao ceder calor Atualmente est o dispon veis no mercado reservat rios de gua fabricados com polietileno com volumes variados Ap s consulta aos fabricantes apurou se que as caixas de cor azul apresentam absort ncia superior a 0 75 absor o de calor por convec o em ambientes fechados 6 W m C condutividade t rmica m dia das paredes 0 17W m C e espessura m dia das paredes 0 0039 m Durante dias frios foram feitas v rias medi es de temperatura no local onde seria instalada a fonte fria observando se que mesmo em dias de temperatura muito baixa a m dia da temperatura ambiente calculada de hora em hora foi superior a 17 C no per odo
4. e regi o de l quido sub resfriado esquerda da linha de l quido saturado x 0 e regi o de vapor mido ou regi o de l quido mais vapor compreendida entre as linhas de l quido saturado x 0 e vapor saturado x 1 e e regi o de vapor superaquecido direita da linha de vapor saturado x 1 44 J fan a fa o Ponto cr tico A ai Th s const regi o de Z T const ps l quido A le v const Pi regi o de l g vapor 4 regi o de vapor A superaquecido O lt x lt 1 p q j T const T const Figura 04 Esquema de um diagrama de Mollier para um refrigerante Fonte VENTURINI 2005 Para se determinar as propriedades termodin micas de um estado nas condi es saturadas suficiente conhecer uma propriedade Para as regi es de l quido sub resfriado e vapor superaquecido necess rio conhecer duas propriedades para definir o estado termodin mico 4 2 5 Primeira Lei da Termodin mica Segundo a Primeira Lei da Termodin mica ou Princ pio de Conserva o de Energia a energia n o pode ser criada nem destru da mas somente transformada entre as v rias formas de energia existentes 45 Conforme explica VENTURINI 2005 a aplica o desse postulado depende do conceito de sistema termodin mico que consiste em uma quantidade de mat ria massa ou regi o para a qual a aten o est voltada Delimita se o sistema termodin mico em fun
5. o daquilo que se deseja analisar de forma que tudo aquilo que se situar fora do sistema termodin mico ser denominado meio ou vizinhan a A delimita o do sistema termodin mico feita atrav s de suas fronteiras que podem ser m veis fixas reais ou imagin rias O sistema fechado quando corresponde a uma regi o onde n o ocorre fluxo de massa atrav s de suas fronteiras tem massa fixa diz se aberto ou sistema de volume de controle quando corresponde a uma regi o onde ocorre fluxo de massa atrav s de suas fronteiras Fig 05 Pist o muconstante Sistemo Fronteiro Superf cie de controle Limite reol ta b Figura 05 a sistema fechado e b sistema aberto volume de controle Fonte VENTURINI 2005 Ainda segundo o citado autor aplica o da Primeira Lei da Termodin mica estabelece que para um determinado intervalo de tempo o somat rio dos fluxos de energia entrando no volume de controle igual ao somat rio dos fluxos de energia saindo do volume de controle mais a varia o da quantidade de energia armazenada durante o intervalo de tempo considerado Assim tem se AE per DE At 6 46 Em que E energia entrando no volume de controle Eai energia saindo do volume de controle E energia armazenada no volume de controle At intervalo de tempo considerado Insta salientar que do ponto de vista termodin mico a energia composta de energia cin tica E energia pot
6. Em geral tais erros s o dif ceis de serem detectados 6 3 Erros aleat rios Erros aleat rios s o devidos s varia es das condi es experimentais ou ao erro de aprecia o de quem faz a medida Por exemplo na medida do tempo de queda de um corpo deve se observar o instante em que o corpo toca o ch o Dificilmente algu m conseguir fazer duas medidas iguais Portanto para obter o melhor valor a medida dever ser repetida v rias vezes 110 Os desvios fornecem uma no o da faixa de valores admiss veis para uma grandeza A menos que se pretenda fazer um estudo estat stico aprofundado o desvio s tem sentido aproximado ele suposto sim trico positivo e negativo e representado por um nico algarismo significativo UFMG 2001 Sendo um conjunto de N medidas realizadas define se o valor mais prov vel ou valor m dio e o desvio padr o s respectivamente como T EX 82 N pRa as N Supondo que a distribui o das medidas seja uma gaussiana 68 das medidas estar o compreendidas entre X S e X 5 O erro AX na medida de X pode ser definido de v rias formas dependendo do n mero de medidas que se faz X a meo AX ER SR 84 S AX Eber 86 111 Quando o n mero de medidas N for muito grande todas as defini es de AX tendem para um mesmo valor Para um pequeno n mero de medidas a distribui o n o mais gaussiana e a defini o para o erro passa a ser pessoa
7. chamada equa o de estado de uma subst ncia pura Assim de forma geral tem se f pv T 0 3 Segundo VENTURINI 2005 algumas equa es de estado s o desenvolvidas para relacionar as propriedades termodin micas para uma nica subst ncia enquanto outras mais gen ricas por m mais complexas podem relacionar as propriedades termodin micas de 42 v rias subst ncias A mais comum e conhecida a que relaciona as propriedades termodin micas press o volume espec fico e temperatura absoluta para o g s ideal assim representada Pv RT 4 Em que P press o absoluta manom trica barom trica Ve volume espec fico R constante particular do g s T temperatura absoluta Tal equa o refere se a gases ideais mas representa satisfatoriamente gases reais quando estes est o a press es relativamente baixas O refrigerante a subst ncia empregada como ve culo t rmico na realiza o dos ciclos de refrigera o ou de aquecimento em bombas de calor A equa o de estado usada para relacionar as propriedades termodin micas dos refrigerantes compostos de hidrocarbonetos fluorados CFCs expressa da seguinte forma kT T A BT C A 4s a i 5 v b d ct el RT 5 Roe Em que 4 B k b e T s o constantes que dependem da subst ncia encontradas em tabelas espec ficas Dada a complexidade das equa es de estado para correlacionar as propriedades termodin mic
8. gua para baho 6 12 An lise da varia o do COP com as condi es de uso Em variadas simula es das condi es de uso o COP do equipamento variou numa margem relativamente pequena sendo afetado pela pot ncia do compressor que foi variada 139 atrav s do controle de fluxo de refrigerante tipo de compressor temperatura e vaz o de entrada da gua de banho temperatura da fonte fria etc Os resultados obtidos para algumas condi es podem ser vistos pelo gr fico que estabelece a rela o entre o COP e a temperatura da fonte fria Fig 44 Nota se que o COP diminui na medida em que a temperatura da fonte fria diminui por m mesmo em condi es desfavor veis o COP esteve pr ximo de 4 O gr fico da Figura 44 foi obtido com a temperatura de entrada de gua no condensador a 23 C e de sa da a 37 0 C com pot ncia ajustada para 50 e fluxo de gua variando em torno 3 5 l min Varia o do COP com a temperatura da fonte fria COP 14 50 15 50 16 50 17 50 18 50 19 50 temperatura da fonte fria 2C Figura 44 Gr fico da rela o entre COP e temperatura da fonte fria 7 ESTUDO DA VIABILIDADE FINANCEIRA 7 1 Custo do prot tipo Na avalia o do custo do prot tipo adotou se o valor de varejo para os componentes uma vez que o valor de atacado depende do n mero de unidades adquiridas e das condi es tribut rias aplicada classe do produto A pra a onde os componentes foram adquiri
9. 0 038 kg s 70 V 1 701 1 s 1000 cm 1 1 701cm s 71 A 1 701 cm s 1400cm s 1 215cm 12 Como ser o utilizados dois tubos tem se que cada tubo deve ter a rea de 0 607cm ou di metro de 0 88 cm o que permite o uso de dois tubos de 3 8 5 6 2 Linhas de l quido O dimensionamento de linhas de l quido consideravelmente menos cr tico que o dimensionamento das demais linhas do sistema Essa linha transporta somente refrigerante no estado l quido entre o receptor e o evaporador Por isso o leo que circula no sistema transportado sem qualquer problema A queda de press o na linha de l quido exerce efeito m nimo na opera o do sistema ou seja n o h efeito direto sobre o compressor Uma queda alta de press o na linha de l quido reduzir contudo a press o existente na entrada da v lvula de expans o e portanto pode afetar o seu tamanho 93 Ao mesmo tempo a queda de press o numa linha de l quido dever ser mantida num valor razo vel para evitar problemas de evapora o repentina Assim o comprimento da linha a quantidade de refrigerante que por ela circula e a diferen a em altura entre o receptor e o evaporador t m influ ncia caso haja evapora o repentina Por esta raz o desej vel ter um sistema razoavelmente compacto para reduzir o comprimento dos tubos e diminuir ao m nimo a perda de press o Para VENTURINI 2005 deve se limitar a queda de press o total em linhas de
10. 18 4 22 3 26 6 30 6 34 7 38 7 18 4 22 3 26 5 30 6 34 7 38 7 M dia 18 34 22 34 26 45 30 60 34 70 38 76 d padr o 0 052 0 052 0 085 0 000 0 000 0 052 y ax b 0 046 0 047 0 033 0 021 0 026 0 008 Gr fico de corre o da leitura do termopar 4 Termopar 4 43 0 y 0 9768x 2 131 38 0 R 1 Temperatura de refer ncia 18 00 23 00 28 00 33 00 38 00 43 00 Temperatura medida AP NDICE E Leituras de temperatura para aferi o do termopar 5 Termopar 5 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 28 0 8 1 12 1 16 1 20 2 24 2 28 3 8 0 12 1 16 1 20 3 24 3 28 4 8 0 12 1 16 1 20 3 24 2 28 3 8 0 12 1 16 1 20 3 24 2 28 3 8 0 12 1 16 1 20 3 24 3 28 4 8 0 12 1 16 1 20 3 24 2 28 4 8 0 12 0 16 2 20 2 24 2 28 4 8 0 12 0 16 2 20 2 24 3 28 4 8 1 12 1 16 1 20 3 24 2 28 4 8 0 12 1 16 1 20 2 24 2 28 3 M dia 8 02 12 08 16 12 20 26 24 23 28 36 d padr o 0 042 0 042 0 042 0 048 0 048 0 049 y ax b 0 005 0 005 0 027 0 049 0 049 0 017 Gr fico de corre o da leitura do termopar 5 Termopar 5 31 0 y 0 9838x 0 1132 R2 0 9998 o 26 0 T je k o 21 0 Q Ee Z E 16 0 g vu o E Q 310 6 0 6 00 11 00 16 00 21 00 26 00 31 00 Temperatura medida vi AP NDICE F Leituras de temperatura para aferi o do termopar 6 Termopar 6 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 20 0 24 0 28 0 32 0 36 0 40 0 20 2 24 0 28 2 32 4 36 4 40 5 20 2 24 0 28 3 32 3 36 4 40 5 20 1 23 9 28 3 3
11. Fran a 1979 372p BOUMA J Heat Pump Better by Nature IEA Heat Pump Centre Newsletter Holanda v 20 n 2 10 27p 2002 Dispon vel em lt http www heatpumpcentre org nwlettr download N2002 pdf gt Acesso em 05 Out 2008 Brasil Minist rio de Minas e Energia Balan o Energ tico Nacional Bras lia MME 2003 CEMIG Companhia Energ tica de Minas Gerais Dispon vel em lt http www cemig com br gt Acesso em 18 Set 2008 Climatologia de S o Jo o Del Rei Dispon vel em lt http jornaldotempo uol com br previsaodotempo html brasil saojoaodelrei mg gt Acesso em 25 mar 2007 OMAKLI et al Heat pump utilization in milk pasteurization Energy Conversion amp Management Elsevier Science Ltd V 35 n 2 p 91 96 1994 149 COMPET Programa de Racionaliza o do Uso dos Derivados de Petr leo e do G s Natural Dispon vel em lt http www compet gov br htm indez4 htm gt Acesso em 18 Set 2008 CORTEZ L A B Neves Filho L C Aplica o de bombas de calor na agricultura e na agroind stria brasileira In III congresso Nacional de Energia Anais do Congresso 1996 La Serena Chile 17 19 de abril de 1996 p 337 343 ELETROPAULO Dispon vel em lt http www eletropaulo com br gt Acesso em 15 Set 2008 ELETROBR S Centrais El tricas Brasileiras S A Dispon vel em http www eletrobras gov br procel site home index asp gt Acesso em 15 Set 2008 FANTINELLI J T Teconologia so
12. T tulo CDU 575 Folha de Aprova o Celi Hip lito Dutra Estudo da viabilidade t cnica de substitui o de chuveiros el tricos por bomba de calor Aprovado em Disserta o apresentada ao Programa de P s gradua o em Engenharia da Energia Em Associa o Ampla entre o Centro Federal de Educa o Tecnol gica de Minas Gerais e a Universidade Federal de S o Jo o Del Rei como requisito parcial para a obten o do t tulo de Mestre em Engenharia da Energia Banca Examinadora Prof Dr Fl vio Neves Teixeira UFSJ Prof Dr Osvaldo Jos Venturini UNIFEI Prof Dr Jos Antonio da Silva UFSJ Profa Dra Andr a L cia Teixeira Charbel UFSJ Dedicat ria Ao meu saudoso pai pela heran a de curiosidade quase insana na busca do novo na certeza de que sempre se pode fazer melhor do que j foi feito Agradecimentos A todos aqueles que sem corpo f sico inspiraram me e fortaleceram me nos momentos mais dif ceis A Mariana pessoa mais importante na minha vida pelo carinho paci ncia dedica o e ajuda em todos os momentos Universidade Federal de S o Jo o Del Rei em especial ao Departamento de Engenharia Mec nica atrav s do Departamento de Ci ncias T rmicas e dos Fluidos no Programa de P s Gradua o em Engenharia da Energia pela acolhida e disponibiliza o dos meios para o desenvolvimento do trabalho CAPES pela bo
13. Thermal and Fluid Science 1 3 17 1988 150 OLIVEIRA JR S 1985 Aplica es Industriais de bombas de calor Metodologia para avalia o de desempenho S o Paulo 172p Disserta o Mestrado Escola Polit cnica Universidade de S o Paulo S o Paulo PACCO H C Desenvolvimento de um sistema de bomba de calor gua gua para resfriamento e secagem de tomates 2008 178 p Disserta o Doutorado Faculdade de Engenharia Agr cola Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Campinas SP Brasil 2008 PROCEL 2007 Pesquisa sobre uso e posse de equipamentos el tricos Dispon vel em lt http www eletrobras gov br ELB data Pages LUMISEB7EA 1A ITEMID44F7E9599D A046239C97072CC1E4206FPTBRIE htm gt Acesso em 12 set 2008 VENTURINI O J Pirani M J Efici ncia Energ tica em Sistemas de Refrigera o Industrial e Comercial 1 ed Rio de Janeiro Eletrobr s PROCEL 2005 v 1 316 p VOULO J H Avalia o e express o da incerteza em medi o Revista Brasileira de Ensino de F sica v 21 n 3 setembro1999 UFMG 2001 Manual de Laborat rio F sica Experimetal II 1 sem 2001 s a UOL Not cias 2009 Pane em Itaipu causa apag o em nove estados s a Dispon vel em lt http noticias uol com br cotidiano 2009 11 10 ult5772u6033 jhtm gt Acesso em 11 set 2009 UOL Not cias 2009 18 Estados foram afetados pelo apag o s a Dispon vel em lt http noticias uol com br cotidiano
14. Valores para pot ncia ajustada para posi o 25 Ponto 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 Tae C Tae CI Tr CI Tae Eta C Tere C Te C Tere C 13 4 16 7 25 0 38 5 13 8 5 9 31 8 76 8 13 5 16 8 24 9 38 5 13 7 5 9 31 6 71 0 13 4 16 7 25 0 38 4 13 6 5 8 31 8 71 1 13 4 16 8 24 9 38 7 13 7 6 1 31 7 11 2 13 4 16 6 25 0 38 5 13 8 6 2 31 8 11 4 13 4 16 7 25 1 38 7 13 7 6 0 31 6 71 5 13 4 16 6 25 0 38 5 13 8 6 2 31 8 71 8 13 5 16 8 25 1 38 5 13 6 6 1 31 5 71 8 13 4 16 7 25 0 38 4 13 7 6 3 31 6 78 0 13 5 16 6 25 0 38 5 13 6 6 2 31 8 78 2 13 3 16 7 25 2 38 6 13 8 6 0 31 8 78 3 13 4 16 5 25 0 38 5 13 8 6 2 31 2 78 3 13 4 16 7 25 0 38 4 13 6 5 9 31 8 78 7 MSC 13 42 16 68 25 02 3852 1371 6 06 31 68 77 70 MC 13 80 18 01 2649 3975 13 82 6 28 3210 76 25 Fluxo de gua pelo evaporador 6 85 Imin 0 11 kgs Diferen a de temperatura no evaporador 421 0 20 C Fluxo de calor retirado pelo evaporador 2009 60 93 53 W Fluxo de gua para banho 2 95 Imn 0 05 kgs Diferen a de temperatura no condensador 13 27 0 20 C Fluxo de calor cedido pelo condensador 2126 69 40 28 W COP baseado no ciclo 3 93 0 68 Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 690 00 W COP do sistema completo inclui bomba 3 95 0 06 Obs A press o no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma s consome energia quando fecha MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabela11 MC M di
15. a mesma quantidade de leo que sai do compressor deve a ele retornar Essa caracter stica t o t pica que a forma comum de se detectar um vazamento no sistema identificar onde existe mancha de leo Os leos lubrificantes para refrigera o t m caracter sticas especiais assim discriminadas e viscosidade ela diminui com a eleva o da temperatura O leo deve ter uma caracter stica que lhe permita quando submetido a altas temperaturas n o afinar demais sem formar uma camada protetora E quando submetido a baixas temperaturas o leo n o deve ficar pastoso e miscibilidade a viscosidade do lubrificante diminui medida que aumenta sua solubilidade com o g s refrigerante A completa miscibilidade permite ao lubrificante fluir atrav s do sistema junto ao g s garantindo um bom retorno ao compressor 87 e res duo de carbono os leos s o pass veis de decomposi o atrav s de calor Portanto ao se especificar um leo deve se ter em conta as temperaturas normais de trabalho do compressor para evitar a carboniza o do leo principalmente na placa de v lvulas Do contr rio os res duos de carbono favorecer o a forma o de borra que pode provocar obstru o no sistema al m da defici ncia na lubrifica o ocasionada pela decomposi o e flocula o a cera contida nos lubrificantes tende a precipitar se quando submetida a baixas temperaturas flocula o Os flocos de cera podem depositar se
16. evitando se assim a necessidade de amplia o do parque gerador do sistema de transmiss o e distribui o de energia el trica Para exemplificar o uso das centrais termoel tricas tecnologia altamente impactante ao meio ambiente mas que tem sido apontada como alternativa para atender a demanda no hor rio de pico poder ser postergada e a amplia o desse tipo de convers o de energia poder ser adiada propiciando destarte uma melhoria nas condi es ambientais Sendo o Brasil um pa s continental e com um dos maiores n veis de insola o do mundo esse potencial deve ser explorado e incentivado pelo Estado e neste contexto a aplica o de bombas de calor que permitem o aproveitamento de calor a baixas temperaturas com grande efici ncia deve ser objeto de cont nuas pesquisas O aproveitamento do calor rejeitado pelos refrigeradores dom sticos e pelos aparelhos de ar condicionado para pr aquecimento para gua de banho poderia diminuir ainda mais a pot ncia necess ria de forma a se ter um chuveiro com consumo menor que o apresentado pelo prot tipo independentemente das condi es clim ticas podendo ser implantado de Norte a Sul do Brasil sem restri es Para tanto pesquisas nesse campo devem ser aprofundadas e incentivadas tais como o uso de controle de velocidade do compressor a fabrica o de compressores exclusivamente desenvolvidos para este tipo de equipamento a prepara o de futuros im veis para op
17. ide do tipo normalmente aberta a mesma n o consome energia na pot ncia m xima MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabelall MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa es da tabelall Tabela 5 Temperatura de entrada da gua pr xima de 18 C compressor rotativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o m xima Ponto l 2 3 4 5 6 7 Ta C Tg Cl Ta C Trac C Tre C Tere C Tie C 12 9 16 9 16 6 39 6 13 4 3 8 17 9 12 8 16 8 16 4 39 5 13 8 3 6 17 9 13 1 17 1 16 6 39 6 13 4 3 9 18 1 13 0 17 2 16 6 39 6 13 5 4 2 17 9 12 9 17 1 16 4 39 5 13 1 3 7 17 9 13 1 17 0 16 6 39 6 12 8 4 2 17 7 12 8 16 9 16 6 39 5 13 1 3 9 17 9 12 9 16 7 16 6 39 5 12 9 3 7 17 9 12 9 16 4 16 6 39 4 13 2 3 7 18 1 12 8 16 5 16 6 39 4 13 1 3 9 17 9 12 6 16 5 16 6 39 2 13 0 3 7 18 2 12 6 16 2 16 6 39 1 12 9 3 6 18 2 12 7 16 7 16 6 39 3 12 9 3 7 17 9 MSC 12 85 16 77 1657 3945 13 16 3 82 17 96 MC 13 23 1809 1806 40 66 13 29 408 18 35 Fluxo de gua pelo evaporador 11 80 Imin 0 20 Diferen a de temperatura no evaporador 4 86 0 20 Fluxo de calor retirado pelo evaporador 3993 68 161 13 Fluxo de gua para banho 340 Vmin 0 06 Diferen a de temperatura no condensador 22 61 0 20 Fluxo de calor cedido pelo condensador 5354 59 46 43 Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 1320 00 COP do sistema completo inclui bomba 406 0 04 Obs A press o medida no ponto 5 asseg
18. l quido a um valor equivalente varia o de temperatura de 1 1 C Segundo o mesmo autor ao dimensionar a linha de l quido deve se ter em conta a velocidade do fluido e a boa pr tica indica que se deve manter a velocidade abaixo de 1 5 m s limite esse estabelecido em raz o da possibilidade de golpes de l quido vibra o e ru dos resultantes da a o de v lvulas solen ides ou outras v lvulas de a o r pida No dimensionamento de linhas de l quido h que se considerar ainda o efeito da redu o de press o devido diferen a em altura entre o receptor e o condensador Sendo a diferen a de press o decorrente da varia o em altura muito grande haver a evapora o repentina e isso extremamete prejudicial ao funcionamento das v lvulas solen ide e de expans o 5 6 2 1 C lculo da rea da tubula o de l quido Na sa da do condensador com o refrigerante em estado de satura o na linha de l quido tem se transporte de vapor e l quido Considerando a velocidade da parte de l quido como sendo 1 2m s e a velocidade do vapor 14m s pelo mesmo motivo exposto no c lculo da 94 linha de suc o o t tulo na sa da do condensador a uma temperatura de condensa o de 40 C ser 151 49 94 272 kJ 1 kg x 0 3429 73 261 149 94 272 kJ I kg Logo o fluxo de massa de l quido ser 38 g fm 1 0 3429 24 97 g s 14 S E o fluxo de massa de vapor ser
19. o mas de grande consumo de energia el trica ao longo de sua vida til representa cerca de 8 do consumo brasileiro de eletricidade e 18 da demanda no hor rio de pico o que representa importantes demandas de capital para o setor el trico al m de altos custos ambientais e sociais decorrentes da constru o de novas usinas hidrel tricas e termel tricas Sua substitui o por aquecimento a g s ou solar s o alternativas vi veis por m ambos t m custo inicial elevado e apresentam inconvenientes a falta de redes de distribui o de g s leva ao emprego do GLP elevando o custo de aquecimento da gua j o aquecimento solar em condi es clim ticas adversas requer complementa o atrav s de eletricidade ou g s Posto isto apresentar uma alternativa para aquecimento de gua para banho usando a bomba de calor que tem sido mundialmente empregada no aquecimento de gua de condom nios e de piscinas assim como no aquecimento domiciliar calefa o com a perspectiva de associar os fatores economia de energia e baixo custo de implementa o o tema central do presente estudo buscando se com isso compar la atrav s do balan o energ tico e econ mico com o chuveiro convencional Como uma bomba de gua que usa a energia para bombear gua para locais mais elevados uma bomba de calor usa a energia el trica para bombear o calor dos locais frios para locais mais quentes com grande economia de energia e investimento menor
20. que o de aquecimento solar com a vantagem de estar dispon vel a qualquer hora do dia ou do ano independentemente das condi es clim ticas Partindo disso um prot tipo foi desenvolvido com o objetivo de substitui o do chuveiro el trico usando como fonte fria a gua de duas caixas d gua de 500 litros cada O aquecimento da gua de banho feito atrav s da recupera o do calor do condensador por meio de um trocador de calor projetado e constru do especificamente para o sistema em an lise O sistema proposto apresentou uma economia de at 75 no consumo de eletricidade quando comparado a chuveiros el tricos o que bastante para amortizar o investimento inicial do emprego de bombas de calor contribuindo ainda para aliviar o setor el trico no hor rio de pico ABSTRACT In Brazil the widespread use of electric shower an easy initial installation and low cost equipment but high consumption of electricity over its useful lifetime representing about 8 of the Brazilian consumption and 18 of demand in time peak which represents significant capital demands for the electricity sector besides high environmental and social costs resulting from the construction of new hydroelectric and thermoelectric plants Its replacement by gas or solar heating are viable alternatives but both have high initial cost and drawbacks the lack of distribution networks for gas leads to the use of LPG raising the cost of water heating as the sol
21. 1 20 7 23 8 39 8 16 3 6 6 31 4 90 7 18 4 20 9 23 2 39 9 16 4 6 3 31 4 91 0 18 7 21 4 22 9 40 0 16 4 5 8 31 2 91 0 19 1 21 8 24 2 39 9 16 8 5 6 31 1 91 4 19 4 22 1 25 0 39 9 16 9 5 8 31 3 91 4 20 0 22 4 25 2 40 1 17 4 5 7 31 8 91 5 20 2 22 5 23 6 39 9 17 6 6 0 32 0 91 5 MSC 18 72 21 22 23 85 3984 16 64 6 14 3138 90 92 MC 19 12 22 49 25 33 4105 16 71 6 36 31 81 89 16 Fluxo de gua pelo evaporador 10 20 Imin 0 17 kgs Diferen a de temperatura no evaporador 3 36 0 20 C Fluxo de calor retirado pelo evaporador 2390 07 139 28 W Fluxo de gua para banho 3 00 Vmin 0 05 kgs Diferen a de temperatura no condensador 15 72 0 20 C Fluxo de calor cedido pelo condensador 3285 29 40 96 W Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 830 00 W COP do sistema completo inclui bomba 3 96 0 05 Obs A press o no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma s consome energia quando fecha MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabela 11 MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa es da tabela 11 136 TABELA 9 Temperatura de entrada da gua pr xima de 25 C compressor rotativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o 75 Ponto 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 e C Toae C Teac C Tiac C Tore C Tere C Tore C Terc C 18 9 20 9 23 5 39 1 19 8 5 8
22. 2009 11 11 ult5772u6050 jhtm gt Acesso em 11 set 2009 AP NDICE A Leituras de temperatura para aferi o do termopar 1 Termopar 1 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 4 0 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 3 7 7 6 11 7 15 6 19 6 23 5 3 7 7 6 11 7 15 5 19 6 23 6 3 7 7 6 11 6 15 6 19 7 23 5 3 6 7 6 11 7 15 5 19 6 23 6 3 7 7 6 11 7 15 6 19 7 23 6 3 7 7 6 11 6 15 6 19 7 23 5 3 6 7 6 11 7 15 6 19 6 23 6 3 7 7 5 11 6 15 6 19 7 23 5 3 7 7 6 11 7 15 5 19 6 23 6 3 7 7 6 11 7 15 6 19 6 23 5 M dia 3 68 7 59 11 67 15 57 19 64 23 55 d padr o 0 042 0 032 0 048 0 048 0 052 0 053 y ax b 0 030 0 047 0 047 0 041 0 043 0 034 Gr fico de corre o da leitura do termopar 1 Termopar 1 28 0 ES y 1 0033x 0 338 o 23 0 R 0 9999 O o 18 0 S E 130 D E 80 3 0 3 00 8 00 13 00 18 00 23 00 28 00 Temperatura medida AP NDICE B Leituras de temperatura para aferi o do termopar 2 Termopar 2 n amostra 1 2 3 4 5 6 T ref 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 28 0 6 7 10 9 14 8 18 9 22 9 27 0 6 8 10 9 14 9 18 9 22 9 27 1 6 7 10 9 14 8 19 0 22 9 27 1 6 8 10 8 14 9 18 9 23 0 27 0 6 7 10 9 14 8 19 0 23 0 27 0 6 7 10 9 14 9 19 0 22 9 27 1 6 8 10 9 14 8 19 0 23 0 27 1 6 7 10 9 14 8 19 0 22 9 27 1 6 7 10 8 14 8 19 0 22 9 27 1 6 8 10 9 14 8 19 0 22 9 27 1 M dia 6 74 10 88 14 83 18 97 22 93 27 07 d padr o 0 052 0 042 0 048 0 048 0 048 0 048 y ax b 0 042 0 049 0 047 0 044 0 042 0 049 Gr fico de corre o da
23. 29 3 88 8 18 7 20 8 23 5 39 0 19 7 5 1 29 7 89 2 18 8 20 9 23 5 39 1 19 6 5 6 29 8 89 2 18 8 20 9 23 6 39 1 19 7 5 1 29 9 89 3 18 8 20 8 23 6 39 2 19 6 5 2 30 0 89 5 18 7 20 9 23 7 39 4 19 8 5 1 29 9 89 5 18 7 20 9 23 7 39 4 19 7 5 6 32 3 89 8 18 8 20 9 23 5 39 5 19 6 5 9 32 4 89 8 18 6 20 8 23 7 39 6 19 6 6 3 32 6 90 0 18 8 20 8 23 7 39 6 18 6 6 9 32 1 90 0 18 7 20 7 23 5 39 6 17 6 6 9 31 8 90 2 18 4 20 9 23 5 39 6 17 3 6 8 32 0 90 2 18 5 20 8 23 7 39 6 16 9 6 2 31 4 90 3 MSC 18 7 20 8 23 6 39 4 19 0 5 9 31 0 89 7 MC 19 11 22 12 25 07 40 59 19 07 6 11 3144 87 94 Fluxo de gua pelo evaporador 11 90 Imin 0 20 kgs Diferen a de temperatura no evaporador 301 0 20 C Fluxo de calor retirado pelo evaporador 2498 70 16249 W Fluxo de gua para banho 3 35 Imin 0 06 kgs Diferen a de temperatura no condensador 15 52 0 20 C Fluxo de calor cedido pelo condensador 3622 52 45 14 W Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 1040 00 W COP do sistema completo inclui bomba 348 0 04 Obs A press o medida no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma s consome energia quando fecha MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabelall MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa es da tabelall TABELA 10 137 Temperatura de entrada da gua pr xima de 26 C compressor alternativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30
24. 51 Considerando que o calor ser reposto basicamente de 07h 30min at 18h 30min tem se que o fluxo de calor necess rio ser de Q 11970000 J 11 3600 s 302 27W 52 Logo a rea m nima de absor o deve ser de A 302 27W 44 54W m 6 79m 53 79 Consultando se os fabricantes de caixas d gua apurou se que uma caixa de 1000 litros possui as seguintes dimens es A rampa T 1 52m 4 1 81 m 54 Atundo T 1 16m 7 4 1 06 m 55 Aateral T 1 335m 0 76 3 19 m 56 Artal 6 06 m 57 Portanto uma caixa de 1000 litros n o ser suficiente para repor o calor retirado assim sendo alternativa deve ser buscada Uma caixa d gua de 500 litros apresenta as seguintes dimens es Atampa T 1 24m 4 1 21 m 58 Atundo T 0 95m 4 0 71 m 59 Atateral T 1 21 0 64 2 43 m 60 Avtal 4 35 m 61 Assim usando se duas caixas d gua de 500 litros tem se A 2 4 35m2 8 7 m 62 Esse valor portanto suficiente para a reposi o esperada raz o pela qual se utilizou duas caixas d gua de 500 litros importante salientar que a rea dessas duas caixas d gua o suficiente para as condi es do projeto mesmo sem computar a rea do fundo A troca de calor que se opera no fundo da caixa d gua se processa basicamente por condu o e seu c lculo bastante complexo uma vez que envolve conhecimentos pertinentes laje A taxa m xima de transfer
25. 98 e Tubo e carca a shell and tube que consiste de uma carca a cil ndrica onde s o instalados v rios tubos paralelos conectados a duas placas de tubos dispostas em ambas as extremidades e Serpentina e carca a shell and coil nos quais a gua de arrefecimento circula ao longo de tubos em forma de serpentina dispostos dentro de uma carca a e o refrigerante escoa do lado externo dos tubos e Tubos duplos que consistem de dois tubos dispostos coaxialmente No projeto o condensador usado foi o de tubos duplos operando em contracorrente constitu do de dois trocadores de calor operando em paralelo Isso fez com que o prot tipo ficasse compacto e propiciou rapidez no aquecimento da gua para banho O tubo externo por onde circula a gua para banho foi confeccionado com material de PVC para cola haja vista que a temperatura da gua n o ultrapassa 40 C Os tubos internos por onde circula o refrigerante foram confeccionados usando se cobre em fun o da temperatura e da press o do g s e Tubos duplos que consistem de dois tubos dispostos coaxialmente A Figura 23 mostra como o condensador foi instalado o ponto 4 corresponde sa da da gua para o crivo e o ponto 3 entrada de gua a ser aquecida para banho o ponto 8 corresponde entrada do refrigerante em estado de vapor superaquecido e o ponto 7 indica a sa da do refrigerante ap s ceder calor a gua Foram utilizadas v rias curvas de 45 Fig 24 com a final
26. O Desenvolvimento da refrigega o sessessessoesooesessoesooesessossooesoessessossosssessossosssessossosese 33 4 2 Princ pios da Termodin mica eeseessessoesocsseesoesocsseesoesocsseesoesoossccssescoesocsseecossocsscesoesoesse 39 4 21 Definihes cinar aa Depot 39 4 2 2 Propriedades termodin micas de uma subst ncia cceccceeeeeeerererererererenererencereenes 41 4 2 3 Equa es de ESTADO orientais Ti nie a Sp 41 4 2 4 Diagramas de mollier para fluidos refrigerantes cccceeeeeeeeeerereererenererenererencerenenes 43 4 2 5 Primeira lei da termo INAC passaria ciranda O 44 42 6 Transferencia de Calot asecsanae ira nito Rs aSSRaaiRSD erp ad aRI CRE to Grao nadas Sosa nda Asoo N SS Sirisa 48 4 2 6 1 Transfer ncia de calor por condu o e sessoessessoesocssessoesocssessossoossee soesoossocssessoseosese 48 4 2 6 2 Transfer ncia de calor por convec o e ssessessessoesocesessoesoossessoesoossossoessosssessossossoesse 50 4 2 6 3 Transfer ncia de calor por radia o sescoeseessesocesessoesooesosssesooesosssossocssessessossosese 51 4 2 6 4 Analogia entre fluxo de calor e fluxo de carga el trica ecceeecseecesrrsseessresos 52 4 2 6 5 Coeficiente global de transfer ncia de calor sesooesessocsooesosssesooesosssesooesoessessossossse 54 4 2 6 6 Diferen a de temperatura m dia logar tmica essssessossescssossesocsossesocssssossossesossosse 56 4 3 Bomba d calor cescssesacs ccrenves
27. a redu o do consumo de energia seja de 20 No Setor Industrial o programa visa atuar em duas mil ind strias de m dio e pequeno porte proporcionando uma economia de 2 TWh ano valor este equivalente a 1 3 do potencial de conserva o do setor Em edifica es considerando o Setor Comercial e Residencial estima se uma poss vel conserva o de energia em pr dios j constru dos em torno de 30 j em novas constru es este valor pode chegar a 50 Estimativas da implanta o de medidas t cnicas e gerenciais de baixo investimento no uso de energia em pr dios p blicos podem reduzir os custos com energia em 15 a 20 acarretando uma redu o de consumo de aproximadamente 1 407 TWh ano Na ilumina o p blica estima se uma redu o m dia de 30 a 40 no consumo de energia el trica dos munic pios representando uma economia de aproximadamente 2 400 milh es de kWh ano No que se refere conserva o e ao potencial de racionaliza o do uso de energia caso seja mantida a estrutura atual do uso de energia el trica o PROCEL 2008 estima uma necessidade de suprimento em 2015 em torno de 780 TWh ano Diminuindo os desperd cios estima se uma redu o anual de at 130 TWh ou seja uma redu o anual de 16 6 a a do suprimento de energia projetado Assim sendo urge uma solu o para o gargalo causado pela utiliza o maci a de chuveiros el tricos principalmente no hor rio de pico descongestionando o sistema el tr
28. atrav s de dutos substituindo os aparelhos convencionais ar condicionado e a fonte quente para aquecimento da gua J no per odo de inverno utiliza se a bomba de calor com o nico objetivo de aquecer a gua dos tanques sendo que o evaporador trabalha retirando calor do ambiente externo OMAKLI et al 1994 referindo se utiliza o de uma bomba de calor no processo de pasteuriza o e resfriamento de leite apresenta o coeficiente de desempenho do sistema com varia o de 3 a 4 5 Segundo estimativas mais de 60 da demanda de energia t rmica industrial compreendem se em temperaturas da ordem de 300 C cerca de 20 30 da ordem de 150 C e de 4 10 em temperaturas abaixo de 100 C No caso do uso industrial bombas de calor a 63 altas temperaturas 100 C s o mais atrativas mas existem muitas aplica es com temperaturas de opera o similares a sistemas de ar condicionado de 40 a 50 C LAZZARIN 1994 As poss veis aplica es de bomba de calor s o numerosas LAZZARIN 1994 apresenta layouts de montagens para cultura de peixe salm o sistemas de condicionamento calefa o e resfriamento em processos industriais em plantas de tratamento de efluentes em plantas de destila o em ind strias metal rgicas em plantas de incinera o dentre outras As bombas de calor ganharam espa o na ind stria devido ao maior desenvolvimento da tecnologia nos ltimos tempos No caso da Europa h predomin ncia da apl
29. bem como da an lise da viabilidade t cnica e dos resultados obtidos por fim os custos e o estudo da viabilidade financeira da montagem s o apresentados Finalmente sugere se o prosseguimento de pesquisas nesta rea incluindo o aproveitamento do calor liberado dos refrigeradores dom sticos para pr aquecimento de gua para banho 2 A QUEST O ENERG TICA E AMBIENTAL No mundo moderno a energia el trica tem um papel fundamental base do progresso e do desenvolvimento mundial O seu surgimento propiciou uma melhora no saneamento na sa de no abastecimento de gua e alimentos na qualidade de vida e tamb m impulsionou a sociedade capitalista e de consumo Forma de energia nobre a eletricidade permite atender com efici ncia uma grande variedade de demandas sejam elas t rmicas mec nicas eletroeletr nicas e outras Al m disso pelo fato de ser um dos principais insumos industriais a eletricidade um requisito essencial para a expans o da produ o e por conseguinte tem se hoje a necessidade de constante amplia o do parque de gera o e transmiss o de energia el trica Diante desse quadro uma pol tica energ tica s ria e respons vel deve ter por objetivo b sico um suprimento seguro de eletricidade com efici ncia econ mica e com o menor impacto ambiental poss vel Para que o setor energ tico se torne sustent vel s o necess rias mudan as que envolvam pol ticas de redirecionamento com a ado o de tecn
30. calor do evaporador 103 Figura 29 Detalhes dos dispositivos de expans o utilizados no prot tipo 105 Figura 30 Detalhes do sistema de controle de fluxo instalado 106 Figura 31 Detalhes da bomba de circula o de gua da fonte fria 107 Figura 32 Reservat rio de gua utilizado para o chuveiro iii 108 Figura 33 a proveta de 500 ml b proveta de 1000 ml c aferidor de volume d detalhes de selo de aTenC O fas ra a a a i i 113 Figura 34 Medidores de alta e baixa press o am a as cemaini Bear aoadasasaaadadas Ga saido digas cont danigoa gde 115 Figura 35 Ondas de tens o V e corrente I em fase A carga possui caracter stica resistiva FP 1 ngulo de fase q 0 mtmeties 116 Figura 36 Onda de corrente I atrasada em rela o onda de tens o V A carga possui caracter stica indutiva FP lt atrasado rreeeenea 117 Figura 37 Onda de corrente I adiantado em rela o onda de tens o V A carga possui caracter stica capacitiva FP lt adiantado ia 117 Figura 38 Se q o ngulo de fase entre as pot ncias ativa P e aparente S ent o o fator de pot ncia igual do cosseno de O asia qua case sdson dan codes quo isenta dE Da da 118 Figura 39 Medidor de energia instalado no local a 119 Figura 40 a e b Consumo de energia el trica em duas fases do projeto
31. com pot ncias altas de forma a otimizar o funcionamento 5 9 2 Tubo capilar Usado em sistemas de pequena capacidade geladeiras aparelhos de ar condicionado de janela freezers etc o tubo capilar nada mais que um tubo geralmente feito de cobre de pequeno di metro 0 5 a 2 0 mil metros com comprimento desde 1 0 at 6 0 metros que conecta a sa da do condensador com a entrada do evaporador O ajuste do tubo capilar se d atrav s da rela o entre di metro e comprimento uma vez que sua atua o se processa pela perda de carga durante o escoamento Os tubos capilares apresentam as seguintes vantagens s o de baixo custo e permitem a equaliza o das press es do sistema durante as paradas o motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque de partida bem como a redu o da quantidade do refrigerante e elimina o da necessidade de um tanque coletor Por outro lado os tubos capilares possuem inconvenientes como a impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas condi es de carga o risco de obstru o por mat ria 105 estranha exig ncia de uma carga de refrigerante dentro de limites estreitos e a redu o da efici ncia operacional para qualquer varia o da carga t rmica ou da temperatura de condensa o No projeto o fluxo de refrigerante que circula pelo capilar respons vel pela pot ncia m nima O registro e o tubo capilar podem ser vistos na Figura 29 Figura 29 Deta
32. compressor ao se abrir o registro que alimenta o crivo Na sa da da bomba instalou se um registro de gua com a finalidade de variar o fluxo durante os testes 5 12 Reservat rio do chuveiro Como a gua que abastece o pr dio onde foi instalado o prot tipo vem de um reservat rio situado em local mais elevado foi necess rio inserir no projeto um pequeno reservat rio de gua Fig 32 com a finalidade de diminuir a press o na entrada do condensador e no diafragma do chuveiro usado como crivo a fim de evitar danos ao equipamento Figura 32 Reservat rio de gua utilizado para o chuveiro E bom salientar que nas unidades residenciais em que o prot tipo vier a ser instalado esse procedimento n o ser necess rio uma vez que o reservat rio a ser usado ser o da pr pria unidade 6 METODOLOGIA DE COLETA DE DADOS PARA AN LISE 6 1 C lculo das incertezas As medidas experimentais s o acometidas de desvios aleat rios e sistem ticos que podem vir da precis o limitada dos aparelhos de medida da aus ncia de controle de par metros que afetam o experimento ou da natureza estat stica do sistema estudado S o exemplos desses desvios a calibra o o tempo de reflexo do observador a tens o de rede a temperatura ambiente entre outros UFMG 2001 6 2 Erros sistem ticos Erros sistem ticos s o os associados a um determinado instrumento v g erro de calibra o ou a uma t cnica de medida erro de projeto
33. custo razo vel e existir em abund ncia no mercado Em raz o dessas exig ncias o refrigerante R22 foi o escolhido para o projeto pois al m de apresentar todas as caracter sticas acima abundante no mercado tem pre o acess vel e farta literatura pertinente Ademais as temperaturas de condensa o e evapora o presentes no projeto s o similares aos valores tradicionalmente usados nos condicionadores de ar dos quais os compressores testados no projeto s o oriundos 5 5 1 C lculo do fluxo de massa de refrigerante Sendo o refrigerante o respons vel pela transfer ncia do calor da fonte fria para a fonte quente a pot ncia transferida vai depender da quantidade de fluido transportado por segundo e da entalpia de entrada e de sa da do mesmo em cada volume de controle Sendo a entalpia fun o da press o e da temperatura e como esses valores variam de acordo com as condi es do ambiente deve se calcular o fluxo de massa para as condi es extremas admitidas para o projeto Assim sendo o estado do refrigerante na entrada do compressor deve ser vapor superaquecido em temperatura inferior temperatura de entrada da gua da fonte fria no 89 evaporador para que se assegure que haja troca de calor em todo o evaporador Na sa da do compressor o fluido deve estar no estado de vapor superaquecido em temperatura superior temperatura de sa da da gua do condensador pelas mesmas raz es apresentadas acima Assim pa
34. de 16 5 MJ por dia As necessidades de calor s o para aquecer o leite a 32 C e pr aquecer gua de limpeza a 45 C Como o per odo de gera o de calor n o coincide com o de consumo utilizado um sistema fechado que usa gua como portadora de calor constitu do por um trocador de calor e um tanque de estocagem de gua 45 C O tempo de retorno de investimento suplementar foi de dois anos ALMIN 1980 apud ARA JO amp ROCHA 1990 analisa o funcionamento de uma bomba de calor de um est gio empregada em latic nios O sistema utiliza como refrigerante R114 e possui um sub resfriamento Para cada kW utilizado no compressor obt m se 1 95 kW de pot ncia frigor fica e 2 85 kW de pot ncia calor fica VALLOT 1981 apud ARA JO amp ROCHA 1990 descreve um sistema de bomba de calor aplicado em Ludres Fran a O sistema em cascata No primeiro circuito obt m se gua gelada na fonte fria temperatura de evapora o de 2 C utilizando R22 O segundo circuito utiliza R114 como refrigerante e a fonte quente de 95 C EDF 1987 apud ARA JO amp ROCHA 1990 descreve um sistema de bomba de calor instalado na queijaria Guilhoteau Fran a com temperatura de evapora o compreendida entre 5 C e 0 C e uma temperatura de condensa o m dia de 45 C O compressor demanda uma pot ncia de 180 kW O sistema apresenta um COP de 3 1 e utiliza R22 com fluido refrigerante A gua a 40 C obtida estocada e tem fun es como
35. de Itaipu e distribui essa energia para outras regi es nota divulgada pelo Minist rio de Minas e Energia Not cias UOL 11 11 2009 Posteriormente o secret rio executivo do Minist rio de Minas e Energia M rcio Zimmerman manifestou se afirmando que o desligamento de tr s linhas de transmiss o foi a causa do problema duas delas ligam Ivaipor no centro do Paran a Itaber em S o Paulo A terceira liga Itaber subesta o de Tijuco Preto tamb m em S o Paulo Ele classificou o fato de ocorr ncia rar ssima e mais que o sistema de transmiss o brasileiro permite que em caso de desarme de um circuito nada ocorra Nesse caso tivemos as tr s simultaneamente O sistema para se proteger aciona uma s rie de mecanismos de prote o para salvaguardar Prova disso que quatro horas depois do in cio da ocorr ncia voc tinha toda a carga religada no Brasil Not cias UOL 11 11 2009 28 O fato que tanto o apag o quanto a inadimpl ncia acarretam o aumento do pre o da tarifa de energia el trica pois as concession rias fazem uso de mecanismos de seguran a e de repasse do preju zo aos consumidores como o exemplo do seguro apag o e do repasse de preju zos sociais decorrentes da inadimpl ncia A ado o de estrat gias de racionaliza o do uso da energia el trica no Brasil amenizaria essa situa o e dentre elas destacam se as seguintes a es e Ffici ncia e Conse
36. gua do banho em substitui o ao chuveiro el trico apresenta se como uma alternativa simples e estrat gica para auxiliar o Brasil a cumprir com seus compromissos ambientais no cen rio internacional 4 REFRIGERA O E BOMBA DE CALOR 4 1 O desenvolvimento da refrigera o Desde a Pr Hist ria o homem externou a vontade ou a necessidade de obter formas de resfriamento que pudessem fazer com que alimentos ou outras subst ncias atingissem temperaturas inferiores do ambiente Registros hist ricos indicam que os efeitos exercidos por baixas temperaturas sobre a preserva o de alimentos j eram conhecidos nas mais antigas civiliza es A civiliza o chinesa utilizava o gelo natural colhido nas superf cies dos rios e lagos congelados e armazenado com grande cuidado em po os cobertos com palha e cavados na terra com a finalidade de conservar o ch que consumiam A men o hist rica mais antiga a respeito da conserva o do gelo data de aproximadamente 1 000 a C num antigo livro de poemas chin s chamado Shi Ching Refere se a casas de armazenamento as quais eram feitas de diversos materiais isolantes como a palha e o esterco As civiliza es gregas e romanas tamb m aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas a custo do bra o escravo para o preparo de bebidas e alimentos gelados Tanto que nos livros de culin ria dos antigos romanos havia refer ncia ao emprego da neve em alguns de seus pratos com o prop s
37. indiv duo tomando um banho di rio com dez minutos de dura o usando um chuveiro de pot ncia m dia de 4800 W tem se que o gasto de energia el trica mensal referente ao banho dessa fam lia ser _ 4800W 50 h 30 60 E 120000Wh m s 105 Sendo o custo m dio do kWh para essa fam lia R 0 58 tem se que a despesa mensal referente energia el trica consumida pelo chuveiro ser 120kWh A R 0 58 m s kWh R 69 60 m s 106 Admitindo um COP m dio de 3 8 tem se que a economia mensal ser h 1 120kWh R 0 58 Rg51 28 m s do 8 m s kWh 143 O tempo para amortiza o do investimento considerando taxa de juros de 1 8 ao m s valor normalmente praticado por institui es financeiras para financiamento direcionado a aquisi o de moradia ser 1y i capital rr Rd EEES 108 l i amortiza o a NU E nf1 i CORA l 109 l i amortiza o o Inl 1 i capital amortiza o e 110 1 In a 0 018 832 55 E TE VAO e O E 111 In R EE Em que i taxa de juros n n mero de meses Levando se em considera o que a dura o do equipamento compat vel com a vida til de um ar condicionado tem se que o tempo de retorno garante a viabilidade da 144 substitui o dos chuveiros el tricos por bomba de calor para a maioria das resid ncias de m dia e alta renda Ademais fabrica o em s rie diminuir os custos da montagem do e
38. l quida e parte vapor na temperatura de satura o em geral nos sistemas de refrigera o no condensador e no evaporador a rela o entre a massa de vapor e a massa total chamada de t tulo x Assim De E 1 Por se encontrarem a uma temperatura maior que a temperatura de satura o os gases s o vapor altamente superaquecido e sua press o e temperatura s o propriedades independentes 41 4 2 2 Propriedades termodin micas de uma subst ncia A par das propriedades termodin micas mensur veis temperatura press o volume espec fico e massa espec fica para o estudo de transfer ncia de calor trabalho e energia outras propriedades n o diretamente mensur veis mas fundamentais devem ser consideradas energia interna entalpia e entropia A energia interna a soma da energia cin tica das mol culas e da energia potencial A entalpia resulta da soma da energia interna com o produto da press o pelo volume combina o esta que ocorre com muita frequ ncia ao se analisar termicamente alguns processos espec ficos press o constante Alguns autores relacionam a entalpia medida da desordem molecular da subst ncia outros a associam medida da probabilidade de ocorr ncia de um dado estado da subst ncia Matematicamente tem se h u pv 2 4 2 3 Equa es de estado A rela o matem tica que correlaciona press o temperatura e volume espec fico para um sistema em equil brio termodin mico
39. metros utilizados para estabelecer as condi es do projeto s o e pot ncia do chuveiro el trico a ser substitu do 5600 W valor t pico utilizado na regi o e temperatura de entrada de gua 14 C m nimo admitido para o projeto e temperatura m dia da gua de banho 37 C MELO 2003 e temperatura do ambiente onde foi instalada a fonte fria m nima de 11 C e m xima de 38 C e cinco banhos di rios com dura o m dia de 10min cada 75 Conv m salientar que a temperatura m nima da gua de entrada admitida para o projeto n o foi alcan ada em nenhum momento de forma natural sendo certo que foram feitas simula es com recursos artificiais para atingir o valor estabelecido Assim sendo como os fabricantes consideram a efici ncia de 95 para chuveiros el tricos convencionais tem se que a vaz o m xima poss vel para um banho nas condi es extremas de trabalho ser Q mc AT 29 m Q0Kc AT 30 AT 37 14 C 23 C 81 c AT 23 C 4180J Ckg 96140J kg 32 m 0 95 5600J s 96140J kg 0 05534kg 5 33 V 0 05534kg s 0 992 0 997 2kg 1 34 V 0 055031 5 35 V 0 055031 5 60s min 3 3 min 36 Para o projeto almeja se que em condi es de m ximo rendimento 75 do calor entregue gua de banho sejam provenientes da fonte fria Assim sendo tem se que Calor cedido pela fonte fria durante cinco banhos O 0 75 0 95 5600 J s 5 10 60s 37 Q
40. ncia de calor por condu o do ambiente atrav s das paredes das caixas d gua para AT 4 43 C ser 80 O 1680 W 63 Esse valor muito superior ao valor necess rio que de 302 27W Durante todo o per odo de testes em momento algum a temperatura da fonte fria ap s cinco banhos apresentou temperatura inferior a 1 5 C da temperatura medida no in cio dos testes o que comprova a capacidade da fonte fria de absorver calor necess rio do meio em todas as condi es testadas Ressalte se que os c lculos apresentados referem se s condi es extremas e n o foi considerado que durante a opera o normal haver reposi o de gua para as duas caixas d gua em decorr ncia do gasto normal da fam lia usu ria do equipamento que a fonte fria ser o reservat rio normal utilizado na resid ncia e a gua reposta estar em temperatura superior da fonte fria 5 3 O compressor O compressor uma das pe as mais importantes do ciclo b sico de refrigera o e das bombas de calor atuando como o cora o do sistema mantendo o fluxo do refrigerante ao longo dos componentes Nesse processo o compressor recebe o vapor refrigerante vindo do evaporador em baixa temperatura e press o elevando essas grandezas at um valor maior entregando por fim o vapor superaquecido ao condensador Ap s o condensador ceder calor para o meio e o fluido passar pelo capilar ou outro dispositivo de expans o o resultado
41. nei corsariates serena aco aiaa Rali an aco RaRaNECda da rosia ee niiet seente T 5 5 1 C lculo do fluxo de massa de refrigerante ccceccereererecererecererseecerereroreeesorecesoreceseraeesos DO 5 6 Dimensionamento das tubula es ssoesesssesoossosssescoesocssessossosssessossocssessossoessessossoossessse DO 5 6 1 Linhas de such perene ia arara ii OU a ta cr E ADD 5 6 1 1 Calculo da rea da tubula o de SUC O esesoessesesoossssossoesesocsossesocsossosoossesossosseseese DL 5 6 2 DECO do RR EUR 7d PRA IR ROSNRN SS DRR ES SEO NNE DERA SE RED GRAN SEER RARE SECAR totii ARO DERSRRAR ANE 24 5 6 2 1 C lculo da rea da tubula o de l quido soesesossossesoossssossossesossossesoesossesecssssossoe J3 5 6 3 Linhas de descarga de g s inasminarsemeevercserepncimenstosne tasas van aocrvronvanosussudosoreranoruneesssn ss DO 5 6 3 1 C lculo da rea da tubula o de descarga ssesscescscssossesocsossesoossssossossesoessssesosse DO 70 condensador sintas ines rradarsder pondo dadodereina di afiada de pansabia dades tiras ada Totem nie da soosis DO 3 9 O cvaporador a aa na Ra de EEEE 101 5 9 Dispositivos de expans o eccsesseossscenessocnessscnsscsenessonessoonsssronessocesssoccsssoossssocesssocessscccssso 103 3 9 1 V lvula de expans o seems srsti nnns iann LUA 5 9 2 TUDO Capilat renas erdai apa oia ia CR a OR a ER dona cao aaa acne ADA 5 10 Controle de pot ncia contussacasss ee reesasca nie ro staind nisso
42. no elemento de controle de fluxo obstruindo a passagem do refrigerante ou no evaporador diminuindo a transfer ncia de calor Portanto os lubrificantes n o devem apresentar flocula o em temperaturas encontradas normalmente no sistema e umidade o leo deve possuir teor de umidade inferior ou igual ao especificado pelo fabricante a fim de evitar forma o de sedimentos cidos ou mesmo congelamento da umidade no interior do sistema Estas caracter sticas e outras ponto de fluidez resist ncia diel trica ponto de fulgor ponto de combust o cor resist ncia oxida o separa o de fase podem ser checadas em testes espec ficos de laborat rio Para o projeto utilizou se leo compat vel com o refrigerante e com o compressor empregado 5 5 Fluido refrigerante O elemento respons vel pelo transporte do calor absorvido da fonte fria para a fonte quente o fluido refrigerante N o h um fluido refrigerante ideal para todos os sistemas de refrigera o ou bombas de calor vez que o tipo ideal para um projeto pode n o atender s 88 necessidades de outro A escolha do refrigerante deve ser portanto baseada na especificidade do projeto considerando se as seguintes caracter sticas principais e condensar se a press es moderadas e ter elevado calor latente de vaporiza o e n o ser corrosivo e ter baixo volume espec fico e ter miscibilidade com o leo lubrificante e n o atac lo e ter um
43. no prot tipo e o custo final total TABELA 11 CUSTOS DO PROT TIPO Item Refer ncia Quantidade Valor Total Cano de cobre 1 2 263gramas metro 1 150 gramas R 32 00 kg R 36 80 Cano de cobre 5 16 158gramas metro 900 gramas R 32 00 kg R 28 80 Tubo capilar Parede lisa 1 5 metros R 4 20 metro R 6 30 Cano de PVC 20 mm Cola 18 0 metros R 7 00 6m R 21 00 T PVC 20 mm Cola 12 0 unidades R 0 50 cada R 6 00 Joelho PVC 20 mm Cola 1 0 unidade R 0 35 cada R 0 35 Compressor 12000 BTU 1 0 unidade R 320 00 cada R 320 00 Adaptador mangueira 20 mm 8 0 unidades R 0 80 cada R 6 40 Luva cola rosca 20 mm 1 2 8 0 R 0 80 cada R 6 40 Registro PVC 20 mm 20 mm 1 0 R 4 50 cada R 4 50 Abra adeira 5 8 polegada 16 R 0 50 cada R 8 00 V lvula registro 1 4 polegada 1 0 R 15 00 cada R 15 00 V lvula solen ide 220 V 1 0 R 38 00 cada R 38 00 Conex es de lat o 5 16 polegada 4 0 R 2 80 cada R 11 20 Conex es de lat o 1 2 polegada 1 0 R 3 80 cada R 3 80 Si tema de controle Gerador de pulsos 1 0 R 25 00 R 25 00 Chuveiro Sem resist ncia 1 0 R 18 00 R 18 00 Solda e g s para solda R 20 00 Caixas d gua 500 litros 2 0 R 118 00 cada R 236 00 Curva de 45 PVC Cola 20 0 R 0 45 cada R 9 00 Refrigerante R22 1 000 gramas R 12 00 Kg R 12 00 Total R 832 55 142 7 2 An lise da viabilidade financeira Considerando uma fam lia de cinco pessoas e cada
44. o termopar para que o mesmo entrasse em contato direto com a gua J nos pontos de leitura na tubula o de cobre procedeu se da seguinte forma raspou se o tubo e afixou se o temopar com fita isolante utilizada para alta temperatura Como as medidas de temperatura mais cr ticas eram os pontos onde h circula o de gua selecionaram se os melhores termopares para este fim 123 Para amplifica o dos sinais provenientes dos termopares e possibilitar a aquisi o de dados utilizou se um datalogger com oito canais de entrada de dados Fig 41 configurado para termopares tipo K e leitura na escala Celsius com uma casa decimal ap s a v rgula Esse equipamento fabricado por empresa de renome no mercado e com confiabilidade aceit vel para este fim O sinal de sa da do datalogger foi acoplado a um conversor para USB que alimentou um computador para visualiza o e armazenamento dos dados colhidos em planilha eletr nica Figura 41 Datalogger conversor USB e transformador Uma vez que dentro do datalogger j existe compensa o de temperatura e de junta fria pode se trabalhar com os dados calculando a incerteza diretamente dos valores disponibilizados pelo computador enfatizando se ainda que esse sistema tem por caracter stica principal a alta rejei o de ru dos e permite o tratamento do sinal medido atrav s de diversas fun es matem ticas A calibra o dos termopares exige diferentes temperaturas est v
45. pr aquecer o leite a 32 C em uma das se es do pasteurizador aquecimento do ambiente e pr 62 aquecimento da gua de limpeza Descreve ademais a transforma o ocorrida na queijaria Roussey Fran a em decorr ncia da amplia o da sua capacidade Antes da transforma o a ind stria possu a um gerador de vapor com capacidade de 1 t h e press o m dia de 6 bar O calor gerado permitia aquecer a gua a 60 C para pr aquecer o leite de 4 C a 25 C aquecer a cuba de queijo e a gua de lavagem Foram instalados uma bomba de calor gua gua e dois tanques de estocagem de 30 m cada O novo sistema utiliza R22 como fluido refrigerante apresenta uma pot ncia absorvida compressor de 52 kW uma pot ncia calor fica de 170 kW e um COP de 3 2 BAIRD et al 1993 apud JORDAN 2005 descreve um exemplo de aplica o na aquicultura como uma atividade importante na Fl rida respons vel pela produ o de peixes ornamentais bagres jacar s ostras e outras esp cies aqu ticas Neste tipo de atividade preciso um controle r gido de temperatura nos tanques durante o per odo de reprodu o onde necess ria uma grande quantidade de gua a uma temperatura em torno de 27 C Neste contexto a tecnologia de bomba de calor ideal por utilizar de modo eficiente a energia el trica para gera o de calor e frio No per odo do ver o utilizada a fonte fria evaporador para o condicionamento do ambiente
46. que no evaporador a press o e a temperatura do refrigerante s o reduzidas permitindo assim que ele absorva calor 81 Existem cinco tipos b sicos de compressores cujos nomes v m da a o de suas partes mec nicas compressor alternativo compressor rotativo compressor scroll compressor parafuso e compressor centr fugo No projeto foram feitos testes com dois compressores herm ticos sendo um do tipo alternativo e o outro do tipo rotativo para compara o do rendimento de ambos 5 3 1 O compressor alternativo O compressor alternativo o mais comum nos aparelhos de ar condicionado e bombas de calor atuais mas gradativamente a ind stria tem optado pelo compressor rotativo haja vista ser o mais econ mico e silencioso Seu funcionamento consiste em um pist o movendo se alternadamente no interior de um cilindro ora succionando ora comprimindo o fluido refrigerante com as v lvulas de aspira o e descarga dispostas convenientemente para permitir a suc o e a compress o do fluido refrigerante Fig 18 Figura 18 Esbo o do funcinamento de um compressor alternativo Fonte VENTURINI 2005 82 A carca a do compressor alternativo ret m o g s de suc o baixa press o O g s de suc o trazido para dentro do cilindro do corpo atrav s da mufla de suc o pela a o do pist o O g s comprimido e bombeado atrav s da mufla de descarga aquecendo se durante o processo Para sistemas de refrige
47. temperatura da fonte de calor e do sistema de distribui o de calor e O consumo de energia auxiliar bombas ventiladores outros e O padr o t cnico da bomba de calor e O dimensionamento da bomba de calor em rela o demanda de calor e s caracter sticas operacionais do sistema e O sistema de controle da bomba de calor Nas bombas de calor ao contr rio de outros equipamentos n o se emprega uma efici ncia percentual para avaliar seu rendimento sempre maior que a unidade pois a medida de efici ncia como empregada considera o rendimento de uma transforma o o que aceit vel quando se converte uma forma de energia em outra como eletricidade em calor Sendo de uma fonte externa a maior parte do calor aproveitado pelas bombas de calor atribuiu se uma rela o conhecida como COP coeficiente de desempenho para avaliar seu rendimento O COP a raz o entre o calor liberado e o trabalho gasto pela bomba de calor S o empregadas as mesmas unidades para o trabalho e para o calor 69 As bombas de calor corretamente dimensionadas e instaladas podem reduzir significativamente os custos de aquecimento de gua propiciando economia quando comparadas a outras formas convencionais de aquecimento A economia de energia difere para cada tipo de instala o e uso sendo que a qualidade da instala o afetar extremamente a economia de energia e a longevidade do sistema 5 MONTAGEM E PREPARA O DO APARATO EXP
48. uso do equipamento indicando o COP obtido em cada situa o 131 Tabela 4 Temperatura de entrada da gua pr xima de 14 C compressor alternativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o m xima Ponto 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 Tae C Tae C Teac C Tae C Tire C Tere C TC Tal 8 5 12 6 12 9 36 0 8 1 1 4 29 2 71 2 8 4 12 5 12 8 35 9 8 2 1 5 29 1 72 1 8 6 12 6 12 2 35 9 7 9 1 4 28 9 72 5 8 5 12 6 12 2 36 0 8 1 1 6 28 9 73 1 8 6 12 6 12 2 36 0 8 0 1 5 29 0 72 1 8 7 12 6 12 2 36 1 7 9 1 2 28 8 72 5 8 6 12 6 12 5 36 1 8 0 1 3 28 9 71 8 8 5 12 8 12 8 36 1 7 9 1 5 29 1 72 5 8 5 12 7 12 6 36 1 8 1 1 4 28 8 73 1 8 6 12 6 12 7 36 2 8 1 1 3 28 7 72 5 8 5 12 5 12 6 36 0 8 2 1 3 29 1 12 6 8 7 12 6 12 6 36 2 8 0 1 2 28 9 73 2 8 5 12 5 12 5 36 1 8 1 1 4 29 1 73 3 MSC 8 55 12 60 12 52 36 05 8 05 138 2896 72 50 MC 8 92 13 97 1402 37 35 8 25 170 29 38 118 Fluxo de gua pelo evaporador 11 40 Imn 0 19 kgs Diferen a de temperatura no evaporador 505 0 20 C Fluxo de calor retirado pelo evaporador 4012 30 155 66 W Fluxo de gua para banho 3 30 Imn 0 06 kgs Diferen a de temperatura no condensador 23 59 E 0 20 C Fluxo de calor cedido pelo condensador 5363 65 4506 W Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 1370 00 W COP do sistema completo inclui bomba 3 92 0 03 Obs A press o no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen
49. vapor at que a temperatura do fluido seja reduzida abaixo da sua temperatura de satura o na press o qual 97 est submetido As formas de condensa o mais comuns s o condensa o em pel cula condensa o por gotas sobre a superf cie condensa o homog nea e por fim condensa o por contato direto Fig 22 q u u i a Gota Pelicula T lt Tsat T lt Tsat a b Vapor vapor Spray liquido Neblina Gotas e cd Figura 22 Formas de condensa o a Condensa o em Pel cula b Condensa o por gotas sobre a superf cie c Condensa o homog nea d Condensa o por contato direto LIMA 2008 Segundo LIMA 2008 a forma dominante de condensa o chamada de condensa o em pel cula na qual uma pel cula de l quido cobre toda a superf cie A condensa o em pel cula ocorre em superf cies limpas entretanto caso alguma subst ncia iniba o umedecimento da superf cie a condensa o em gotas ocorrer As gotas se formam em fendas depress es e cavidades sobre a superf cie e podem crescer e se unir formando gotas que variam de poucos m crons no di metro a aglomera es vis veis a olho nu Para que sejam mantidas altas taxas de transfer ncia de calor e condensa o a forma o de got culas desej vel em rela o forma o de pel cula Segundo o mesmo autor os tipos mais comuns de condensadores resfriados a gua
50. 2 4 36 4 40 5 20 1 23 9 28 3 32 3 36 4 40 5 20 2 24 0 28 3 32 4 36 4 40 4 20 2 23 9 28 3 32 4 36 4 40 4 20 2 24 0 28 3 32 3 36 3 40 4 20 2 24 0 28 3 32 4 36 3 40 4 20 1 24 0 28 3 32 4 36 4 40 4 20 1 24 0 28 3 32 4 36 4 40 4 M dia 20 16 23 97 28 29 32 37 36 38 40 44 d padr o 0 052 0 048 0 032 0 048 0 042 0 052 y ax b 0 13 0 131 0 109 0 113 0 048 0 033 Gr fico de corre o da leitura do termopar 6 Termopar 6 43 0 y 0 9808x 0 3114 e R 0 9998 o 38 0 P 2 33 0 Q gej g E 280 E o 23 0 18 0 18 00 23 00 28 00 33 00 38 00 43 00 Temperatura medida vii AP NDICE G Leituras de temperatura para aferi o do termopar 7 Termopar 7 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 4 0 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 3 7 7 6 11 7 15 6 19 7 23 5 3 7 7 6 11 7 15 5 19 7 23 5 3 7 7 6 11 8 15 6 19 7 23 5 3 8 7 6 11 7 15 5 19 7 23 6 3 7 7 5 11 7 15 6 19 6 23 5 3 7 7 6 11 7 15 6 19 7 23 5 3 8 7 5 11 7 15 5 19 6 23 6 3 7 7 6 11 7 15 6 19 7 23 5 3 7 7 5 11 7 15 5 19 6 23 6 3 7 7 6 11 7 15 5 19 7 23 5 M dia 3 72 7 57 11 71 15 55 19 67 23 53 d padr o 0 042 0 048 0 032 0 053 0 048 0 048 y ax b 0 062 0 076 0 076 0 072 0 060 0 071 Gr fico de corre o da leitura do termopar 7 is Termopar 7 22 0 y 1 003x 0 331 E R 0 9999 Q 2 170 KY ij uv 2 v To o 120 Z Ke E 2 7 0 2 0 2 00 7 00 12 00 17 00 22 00 27 00 Temperatura medida viii AP NDICE H Leituras de te
51. 8 60 2640 8440 16 70 2080 21 00 4350 12 80 8 50 26 50 8430 MSC 16 75 20 75 2111 4356 12 88 8 62 26 55 85 51 MC 17 14 22 03 2259 4468 130 8 80 2696 83 93 Fluxo de gua pelo evaporador 11 85 Imin 0 20 kgs Diferen a de temperatura no evaporador 4 89 0 20 C Fluxo de calor retirado pelo evaporador 4037 58 161 81 W Fluxo de gua para banho 3 50 Vmin 0 06 kgs Diferen a de temperatura no condensador 210 0 20 C Fluxo de calor cedido pelo condensador 5387 85 41 179 W Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba 1370 00 W COP do sistema completo inclui bomba 393 0 03 Obs A press o medida no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma n o consome energia na pot ncia m xima MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabelall MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa es da tabelall 135 TABELA 8 Temperatura de entrada da gua pr xima de 25 C compressor rotativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o 50 Ponto 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 Te C Toae C Teac C Tiac C Tore C Tere C Tore C Terc C 18 3 20 7 23 7 39 7 16 8 6 5 31 3 90 6 18 3 20 7 23 7 39 7 16 4 6 2 31 3 90 6 18 2 20 7 23 7 39 7 16 4 6 6 31 3 90 6 18 3 20 7 23 7 39 7 16 4 6 4 31 3 90 5 18 2 20 7 23 7 39 8 16 3 6 3 31 3 90 6 18 2 20 5 23 7 39 8 16 2 6 0 31 3 90 6 18
52. A Como AT T Ts 23 tem se 1 Uc T Es 24 Q k Q amp Q Por analogia ao circuito el trico pode se considerar a resist ncia t rmica global igual a Rs R R R 25 Assim tem se R A KA A 26 56 Em que Re Resist ncia global de transfer ncia de calor R Resist ncia de convec o do fluido A R Resist ncia de condu o das paredes R Resist ncia de convec odo fluido B 4 2 6 6 Diferen a de temperatura m dia logar tmica Num trocador de calor p ex numa serpentina de gua gelada num evaporador ou num condensador um fluido quente cede calor por convec o para uma das superf cies dos tubos do trocador A partir da esse fluxo transmitido por condu o para a outra superf cie dos tubos e ato cont nuo transferido por convec o para o fluido frio Esse processo estende se por todo o comprimento dos tubos do trocador o que faz com que a temperatura dos fluidos varie Desta forma por depender da diferen a de temperatura entre o fluido quente e o fluido frio a taxa de transfer ncia de calor tamb m varia ao longo dos tubos Portanto ao se analisar os mecanismos de transfer ncia de calor em trocadores deve se levar em conta a diferen a de temperatura m dia logar tmica AZ para o c lculo do fluxo de calor de forma a se considerar os diferentes valores do diferencial de temperaturas entre os dois fluidos que circulam ao longo do trocador A dif
53. ERIMETAL E SUA INSTRUMENTA O 5 1 Descri o do projeto Este projeto destina se a avaliar a viabilidade t cnica e financeira da substitui o do chuveiro el trico por bomba de calor para resid ncias A ideia inicial a de que o prot tipo desenvolvido apresente efetiva economia de energia e que seja voltado para fins dom sticos com viabilidade t cnica e econ mica e que sua ado o em larga escala contribua para a redu o da demanda no hor rio de pico Para tanto a montagem do m dulo foi idealizada de forma a dispensar altera es significativas na estrutura do im vel como uma alternativa mais barata e bem mais f cil de ser instalada em compara o aos aquecedores solares e a g s Buscou se a utiliza o de materiais de baixo custo e de f cil aquisi o no mercado de forma a propiciar a reprodu o do prot tipo por qualquer t cnico capacitado em refrigera o Ademais a perspectiva de que sua efici ncia n o dependa das condi es clim ticas uma vez que o calor a ser reposto ser absorvido por fontes de calor que na maior parte do tempo estar o com temperatura inferior temperatura ambiente O prot tipo trata se de uma bomba de calor para aquecimento de gua para banho do tipo gua para gua utilizando como fonte t rmica duas caixas d gua de 500 litros cada sendo o calor retirado dessas caixas reposto pelo meio ambiente durante todo o dia atrav s de trocas de calor por radia o condu o e c
54. Ff 0 3429 388 13 03g 5 15 S Para a parte l quida tem se va 0 8841 kg Va 0 884lkg 0 02497 kg s 1000cm T 22 07cm I s 76 A 22 52 cm s 130 cm s 0 173 cm 17 Para a parte de vapor tem se v 15 1351 kg Va 15 135lkg 0 01303kg s 1000cm 1 197 2cm s 78 95 197 2cm I s 2 A 04lcm 1400cm s E Logo a rea total A ser A 0 314cm Assim sendo um tubo de 0 632cm de di metro atende s necessidades do projeto pelo que se utilizou um tubo de 5 16 que tem di metro ligeiramente menor com a finalidade de diminuir a press o na entrada da v lvula para proteg la de golpes 5 6 3 Linhas de descarga de g s Ao dimensionar linhas de refrigerante situadas entre a v lvula de descarga do compressor e o condensador algumas das considera es discutidas no dimensionamento de linhas de suc o tamb m s o aplic veis A queda de press o n o t o cr tica mas a velocidade deve ser adequada para assegurar o fluxo do leo juntamente com o vapor de refrigerante A queda de press o nas linhas de descarga aumenta a taxa de compress o e consequentemente a pot ncia necess ria para acionar o compressor Ao mesmo tempo a efici ncia volum trica diminui com o aumento da taxa de compress o o que resulta em redu o da capacidade do compressor Levando em conta esses fatores a boa pr tica no sentido de que as linhas de descarga d
55. KA E para convec o tem se 1 R EE SA 21 O uso da analogia el trica permite resolver problemas mais complexos envolvendo resist ncias t rmicas em s rie e em paralelo de maneira bem mais r pida 4 2 6 5 Coeficiente global de transfer ncia de calor As mais diversas situa es em que h transfer ncia de calor na verdade envolvem uma conjuga o de processos de condu o e transmiss o VENTURINI 2005 cita as paredes de uma c mara frigor fica como exemplo t pico explicando que por convec o o calor transferido do ar externo para as paredes da c mara e concomitantemente h a condu o pela parede e pelo isolamento e a transmiss o da superf cie interna da parede para o ar contido na c mara convec o Salienta ainda que os casos em que se opera a transfer ncia de calor entre fluidos envolvem dois valores para o coeficiente de convec o a um para cada fluido devendo se considerar ademais a condutividade t rmica K do material que os separa no exemplo da c mara frigor fica o isolante da c mara e a sua espessura 55 Usualmente considera se o coeficiente global de transfer ncia de calor UG relacionando o com a taxa total de transfer ncia de calor Q a rea normal ao fluxo de calor A e a diferen a total de temperatura 4T atrav s do coeficiente global de transfer ncia de calor Ug dado pela equa o TISTI A B Q l L E po 4 22 QA kA O
56. L estabelece que a exig ncia de medi o do fator de pot ncia pelas concession rias obrigat ria para unidades 119 consumidoras de m dia tens o supridas com mais de 2 300V e facultativa para unidades consumidoras de baixa tens o abaixo de 2 300V como resid ncias em geral A cobran a em baixa tens o na pr tica raramente ocorre pois o fator de pot ncia deste tipo de unidade consumidora geralmente est acima de 0 92 Dessa forma n o compensa a instala o de medidores de energia reativa nas resid ncias pois o custo seria maior que o benef cio Assim sendo para o c lculo da pot ncia solicitada pelo compressor no projeto seria necess rio medir a corrente el trica a tens o e o fator de pot ncia e avaliar os erros decorrente destas medidas Para evitar tais erros optou se por usar o medidor de energia el trica utilizado pelas concession rias nas resid ncias Fig 39 instrumento devidamente aferido e homologado pelo INMETRO E ATA el a e pl Figura 39 Medidor de energia instalado no local Para medir o consumo de energia adotou se o processo de contar o n mero de voltas completas dadas pelo disco do medidor de energia em um intervalo de aproximadamente 300s para miminizar os erros e a partir desse dado calcular a energia consumida uma vez que 120 cada volta corresponde a 3 6 Wh importante salientar que o disco possui uma marca que facilita o trabalho Como as concession rias desprez
57. Linhas de suc o A linha mais cr tica no sistema de tubula es a linha de suc o que transporta vapor refrigerante do evaporador para o compressor Nessa linha deve se ter uma velocidade suficientemente alta para transportar o leo de volta ao compressor tanto nas linhas horizontais como nas verticais com fluxo ascendente Simultaneamente deve haver uma queda de press o m nima para evitar quedas excessivas de capacidade e aumento de pot ncia do compressor A queda de press o na linha de suc o aumenta o volume do g s refrigerante que deve ser trabalhado pelo compressor para uma dada capacidade Como o compressor alternativo uma m quina de volume constante queda de press o significa redu o de capacidade A uma temperatura fixa de condensa o a taxa de compress o aumenta quando diminui a press o de suc o Quando a taxa de compress o aumenta a efici ncia volum trica diminui resultando da uma diminui o na capacidade do compressor A pot ncia necess ria para mover o compressor tamb m aumenta quando a taxa de compress o aumenta Assim a queda de press o deve ser mantida no seu valor m nimo mas tamb m devem ser considerados os problemas econ micos decorrentes do aumento do tamanho da linha VENTURINI 2005 esclarece que as linhas de suc o s o normalmente dimensionadas de forma que a perda de carga total n o exceda o equivalente a 2 2 C de queda 91 da temperatura de satura o para fl
58. UNIVERSIDADE FEDERAL DE S O JO O DEL REI Departamento de Ci ncias T rmicas e dos Fluidos CENTRO FEDERAL DE EDUCA O TECN LOGICA DE MINAS GERAIS Departamento de Engenharia Mec nica Programa de P s Gradua o em Engenharia da Energia Celi Hip lito Dutra Estudo da viabilidade t cnica de substitui o de chuveiros el tricos por bomba de calor S o Jo o Del Rei Setembro de 2010 Celi Hip lito Dutra Estudo da viabilidade t cnica de substitui o de chuveiros el tricos por bomba de calor Disserta o apresentada ao Programa de P s gradua o em Engenharia da Energia em Associa o Ampla entre o Centro Federal de Educa o Tecnol gica de Minas Gerais e a Universidade Federal de S o Jo o Del Rei como requisito parcial para a obten o do t tulo de Mestre em Engenharia da Energia Orientador Prof Dr Fl vio Neves Teixeira Coorientador Prof Dr Jos Antonio da Silva S o Jo o Del Rei Setembro de 2010 D978e Dutra Celi Hip lito Estudo da viabilidade t cnica de substitui o de chuveiros el tricos por bomba de calor Celi Hip lito Dutra S o Jo o Del Rei 2010 xx f Orientador Prof Dr Fl vio Neves Teixeira Trabalho de conclus o de curso Disserta o de Mestrado Universidade Federal de S o Jo o Del Rei Inclui bibliografia 1 Bomba de calor 2 Termodin mica 3 Chuveiro I Teixeira Fl vio Neves II Universidade Federal de S o Jo o Del Rei HI
59. URAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 22 5 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O NTA SCUM Asse O cancer PD a fa OS pon no E ad Ae a 137 TABELA 11 COMPRESSOR ALTERNATIVO TEMPERATURAS DE ENTRADA DA GUA PR XIMA DE 26 C POT NCIA AJUSTADA PARA POSI O DE LISTA DE SIGLAS ANEEL Ag ncia Nacional de Energia El trica CEMIG Companhia Energ tica do Estado de Minas Gerais CONPET Programa Nacional da Racionaliza o do Uso dos Derivados do Petr leo e do G s Natural ELETROPAULO AES ELETROPAULO GE General Electric INMETRO Instituto Nacional de Metrologia Normaliza o e Qualidade Industrial IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MME Minist rio de Minas e Energia ONS Operador Nacional do Sistema El trico PR Estado do Paran PROCEL Programa Nacional de Conserva o de Energia LISTA DE S MBOLOS S mbolos Ar bicos Q Calor cedido pela fonte fria kJ dia Fluxo de calor Fluxo de massa kg s Fluxo de trabalho Fluxo de gua em massa Fluxo de gua em volume 1 s rea normal m Calor especifico a press o constante energia fun o fator de forma fator agrupante acelera o da gravidade entalpia J Kg intensidade de corrente el trica A condutividade t rmica W mK comprimento m massa kg press o kpa n vel de acidez Calor a alta temperatura Calor a baixa temperatura constante particular de um g s raio m resist ncia de convec o do fl
60. a das temperaturas j corrigidas com equa es da tabelall 138 Ressalte se que as Tabelas 4 a 10 encerram apenas uma amostragem dos dados colhidos Devido capacidade do datalogger de coletar uma amostragem por segundo de teste e ao fato de terem sido efetuados testes em in meras situa es de uso e durante um vasto per odo obteve se a coleta de milhares de dados e a reprodu o da totalidade desses dados colhidos no bojo desse trabalho invi vel Transcorrido o per odo de testes analisando se os dados apurou se que o prot tipo apresentou o rendimento esperado qual seja pr ximo de 75 do calor entregue gua de banho foi cedido pela fonte fria satisfazendo plenamente s necessidades do usu rio tanto com rela o vaz o de gua dispensada pelo crivo quando aos cinco n veis de temperatura O prot tipo apresentou um grau de conforto superior em compara o a um chuveiro el trico com pot ncia de 5600 W permitindo cinco n veis de ajuste com um consumo at 25 da energia gasta pelo chuveiro el trico Ademais ressalte se a seguran a do equipamento quanto ao risco de choque el trico e possibilidade de se alterar a pot ncia sem que o equipamento seja desligado Assim sendo a viabilidade t cnica do projeto restou demonstrada dentro das expectativas propostas aproveitamento energ tico atrav s da bomba de calor com uma redu o significativa na utiliza o de energia el trica para aquecimento de
61. al o fornecimento de calor fonte quente o ideal que isso ocorra com o menor gasto de energia no compressor Para tanto o sistema deve ser otimizado visando retirar a maior quantidade poss vel da fonte fria sem aumentar demasiadamente o trabalho do compressor Portanto para se determinar o rendimento de uma bomba de calor deve se calcular a raz o entre a pot ncia do compressor e o fluxo de calor entregue fonte quente ou usar a energia fornecida ao compressor e a quantidade de calor fornecida pela fonte quente Esse rendimento em bombas de calor normalmente conhecido como coeficiente de performance ou COP Assim sendo para bomba de calor tem se COP calor entregue pela fonte quente trabalho de compressor ou COP fluxo de calor entregue pela fonte quente pot ncia do compressor O erro cometido na avalia o do COP ser tanto maior quanto o erro cometido ao apurar as medidas das grandezas utilizadas no seu c lculo No projeto o respons vel pela entrega do calor fonte quente o trocador de calor usado como condensador que aquecer a gua para banho Logo para avaliar a quantidade de 129 calor entregue pela fonte quente basta calcular o volume de gua aquecida em um determinado tempo e a varia o de sua temperatura Para minimizar os erros adotou se o crit rio de buscar a m dia de v rias medidas durante um tempo relativamente longo conforme explicado anteriormente Assim para a medida de v
62. am o erro deste instrumento menos de 0 5 para correntes de at 15 A adotou se esse mesmo procedimento fazendo se contudo a seguinte verifica o pr via foram ligadas doze l mpadas de 100 W pot ncia pr xima do compressor usado no projeto durante aproximadamente 300 s contando se o n mero de voltas dada pelo disco at se obter n mero exato de voltas Em cinco medi es o resultado obtido foi um intervalo m dio de 300 8 s para o disco completar 28 voltas pS 00965 Figura 40 a e b Consumo de energia el trica em duas fases do projeto Assim tem se que a energia registrada pelo medidor em 300 8 s foi de E 28 3 6Wh 100 8Wh 97 Considerando a pot ncia total das l mpadas 1200 W tem se que _ 1200W h 300 8s 3600s h 100 3Wh 98 121 Assim tem se que o erro foi 1008 1003 70 5 99 Como o tempo de medida utilizado longo cerca de 300s o erro na medida de tempo desprez vel conforme j explicado anteriormente Como a velocidade do disco relativamente pequena uma volta a cada lls aproximadamente e seu per metro relativamente grande 40cm tem se uma velocidade linear de 3 6cm s Isto facilita a contagem e diminui o erro uma vez que a marca o existente no disco tem 0 5cm de per metro e leva cerca de 0 139s para passar pela marca Portanto para a medida de energia adotou se o m todo da contagem do n mero de giros do disco do medidor garant
63. anente a equa o acima pode ser escrita como 2 kd e 3 D0 Dm gt h 8 DW D m h gz 10 ent sai 2 Para a aplica o do balan o de energia necess rio estabelecer tamb m uma conven o de sinais para trabalho e calor Assim sendo adotou se como regra a seguinte conven o o trabalho realizado pelo sistema e o calor transferido ao sistema tem sinal positivo o trabalho realizado sobre o sistema e o calor transferido pelo sistema tem sinal negativo conforme Fig 06 No Sistema Internacional a unidade de fluxo de trabalho e calor o Watt w a unidade da vaz o m ssica kg s a unidade da entalpia J kg a de velocidade m s e a unidade da cota A acelera o da gravidade que pode ser considerada constante igual a 9 81 m s 48 Q X Q 6 WC Figura 06 Conven o dos sinais para trabalho e calor 4 2 6 Transfer ncia de calor Existindo diferen a de temperatura entre duas regi es a transmiss o de calor dar se sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura Teoricamente a transfer ncia de calor pode ocorrer isoladamente por condu o convec o ou radia o VENTURINI 2005 observa que na pratica as tr s formas citadas ocorrem simultaneamente mas conforme o caso concreto o observador quem vai analisar a possibilidade de serem desprezadas uma ou duas das formas 4 2 6 1 Transfer ncia de calor por condu o A intera o en
64. ar a pot ncia do equipamento Como exemplo do procedimento tem se que para a temperatura da gua de sa da do evaporador igual a 11 7 C valor j corrigido foram coletados dois recipientes de 20 litros completos e um terceiro que para ser completado necessitou de duas provetas de 1000 ml e mais 450 ml na proveta de 500 ml Assim tem se que o volume total foi de 114 20 litros 20 ml 20 litros 20 ml 20 litros 20 ml 2 1000 ml 10 ml 450 ml 5 ml 57 55 litros E 85 ml 91 Sendo 0 085 57 55 100 0 14 92 O valor de 57 55 litros pode ser usado sem se incorrer em erro significativo Logo o fluxo de gua do evaporador nestas condi es foi de V 57 551 0 1918 a 3005 i 23 Sendo o volume espec fico para a gua a 12 C 0 998 1 kg tem se 019181 s me e 01922 eis 0 9981 kg j 28 Para todos os demais c lculos envolvendo fluxo de gua os mesmos procedimentos foram adotados apresentando se nos c lculos finais apenas os resultados uma vez que o erro envolvendo as medidas de volume pode ser desprezado como mostrado anteriormente 6 7 Medida de press o No projeto a medida de press o tem como finalidade apenas avaliar o estado do refrigerante em um ponto e em uma dada temperatura n o sendo seu valor cr tico uma vez que se buscou assegurar que se tenha vapor superaquecido na entrada do compressor ponto mais vulner vel do sistema Foram utilizados medidores d
65. ar heating system in adverse weather conditions requires complementation by electricity or gas That said presenting an alternative to heating water for bathing using the heat pump which has been worldwide used to heat water for swimming pools and condominiums as well as household heating heating with the prospect of associating the power s economic factors and low cost of implementation is the focus of this study seeking thereby to compare it through with the balance and economic balance to with the conventional shower As a water pump uses energy to pump water to higher ground a heat pump uses electricity to pump heat from cold places to warmer places with great energy savings and lower investment than the solar heating with the advantage of being available any time of day or year regardless weather conditions Based on this a prototype was developed with the aim of replacing the electric shower using as source of cold water from two water tanks of 500 liters each The heating of water bath is done by recovering heat from the condenser through a heat exchanger designed and built specifically for the system under consideration he proposed system showed a saving of up to 75 of electricity consumption compared to electric showers which is enough to amortize the initial investment by the use of heat pumps contributing in this manner to alleviate the electricity sector during the rush time LISTA DE FIGURAS Figura 01 Gr fico da curva d
66. aria o de temperatura da gua para banho foi introduzido um termopar na entrada do evaporador e outro na sa da Para avaliar a quantidade de gua aquecida buscou se sempre um tempo suficiente para que o volume se aproximasse o m ximo poss vel de vinte litros Para a medida de consumo de energia el trica os procedimentos foram explicados anteriormente Logo o valor real do COP ser Am c T LAT T AT cop Mu Smd e CT 47 4TO T PAP 6 11 An lise dos resultados Realizaram se v rios testes primeiro com o compressor alternativo e posteriormente com o compressor rotativo simulando condi es normais de uso durante todas as esta es do ano e erros de opera o Em ambos os casos testou se a resist ncia do equipamento para avaliar a robustez do sistema levando se em conta o seguinte procedimento manteve se o equipamento ligado em pot ncia m xima por duas horas di rias durante cinco dias consecutivos e o equipamento operou normalmente sem apresentar falhas ou fadigas mesmo com varia o de tens o de alimenta o de E 5 130 Durante o per odo de testes buscou se o aproveitamento das condi es normais do local onde est instalado o equipamento realizando se inclusive v rios testes no per odo noturno Quando as condi es locais n o permitiram a realiza o dos testes previstos normalmente por se encontrar a temperatura da gua acima do esperado foram utilizados artif cios para
67. as geladeiras IFET Bahia 2009 No in cio do s culo XX come a a se disseminar o uso da eletricidade para movimentar pequenas m quinas e motores Com essa nova fonte de energia as ind strias buscaram meios de produzir o frio em pequena escala na pr pria resid ncia dos usu rios 38 O primeiro refrigerador dom stico surgiu em 1913 mas sua aceita o foi m nima tendo em vista que ele era constitu do de um sistema de opera o manual exigindo aten o constante e muito esfor o al m disso apresentava baixo rendimento Em 1918 que apareceu o primeiro refrigerador autom tico movido a eletricidade fabricado pela Kelvinator Company dos Estados Unidos Segundo LIMA 2008 esse produto foi feito para ser colocado dentro das caixas de gelo e funcionava da seguinte forma o frio era ent o produzido expandindo se uma subst ncia vol til o fluido refrigerante a baixa press o num tubo muito fino o qual passava no interior do refrigerador A expans o do g s provocava uma diminui o na sua temperatura retirando calor do ambiente ao redor do tubo Em seguida o g s era comprimido e passava por outro tubo fino colocado na parte externa posterior do refrigerador o condensador e liberava calor para a atmosfera para depois retornar ao interior do refrigerador e reiniciar o processo A partir de 1920 a evolu o foi grande com uma produ o sempre crescente de refrigeradores mec nicos Em 1926 foi fabricado o com
68. as dos refrigerantes s o usadas as tabelas de propriedades termodin micas S o encontradas na literatura tabelas para todos os refrigerantes utilizados na refrigera o comercial e industrial as quais podem relacionar as propriedades do l quido comprimido ou l quido sub resfriado as propriedades de satura o l quido saturado e vapor saturado e as 43 propriedades do vapor superaquecido Nessas tabelas as propriedades s o fornecidas em fun o da temperatura e ou press o Os valores num ricos de entalpia e de entropia podem primeira vista ser diferentes de uma tabela para outra para o mesmo estado termodin mico devido aos valores de refer ncia diferentes Contudo isso n o interfere nos resultados das an lises t rmicas desde que sejam utilizados dados de entalpia e entropia corrigidos para uma nica refer ncia 4 2 4 Diagramas de Mollier para fluidos refrigerantes A representa o das propriedades termodin micas dos fluidos frigor ficos tem como ordenada a press o absoluta e como abscissa a entalpia espec fica porquanto tais coordenadas adequam se mais representa o do ciclo termodin mico de refrigera o por compress o de vapor Na Fig 04 s o apresentados os elementos essenciais dos chamados diagramas de Mollier para qualquer subst ncia pura Por meio de tais diagramas s o visualizados os processos que ocorrem em cada uma das partes do sistema destacando se tr s regi es caracter sticas
69. baixar a temperatura da gua de forma a permitir a realiza o de testes na temperatura prevista Realizaram se testes com temperaturas da gua da fonte fria e de entrada da alimenta o do chuveiro de 14 C a 26 C com intervalos variados tendo em vista que os valores reais s puderam ser calculados ap s a corre o com as curvas de aferi o da Tabela 11 Para cada faixa de temperatura manteve se o sistema em funcionamento at se alcan ar um regime estacion rio e a partir da passou se coleta de dados Os dados referentes s temperaturas de entrada e sa da de gua do evaporador e do condensador foram coletados atrav s do datalogger e armazenados automaticamente em planilhas eletr nicas Os dados referentes ao consumo de energia foram apurados concomitantemente aos de vaz o de gua com a coopera o de um ajudante A vaz o de refrigerante foi variada atrav s do registro usado como v lvula de expans o at se obter o rendimento m ximo na menor temperatura prevista para o projeto Ademais a vaz o da gua do chuveiro e da gua da fonte fria foi variada de forma a se obter dados suficientes avalia o do prot tipo As tabelas 4 5 6 7 8 9 e 10 encerram o consumo de energia a vaz o de gua para banho a temperatura de entrada e sa da da gua de banho a temperatura de entrada e sa da da gua da fonte fria e a temperatura do refrigerante em todos os pontos de entrada e sa da em v rias condi es de
70. bear o calor dos locais frios para locais mais quentes Para bombear calor necess rio menos energia el trica do que se fosse feita a convers o da energia el trica em calor como em aquecedores el tricos De fato em temperaturas suaves de inverno pode se obter mais calor de cada watt de eletricidade comparado com um chuveiro el trico usando se o mecanismo da bomba de calor Inicialmente uma abordagem sobre a quest o energ tica e ambiental apresentada com o vultoso uso do chuveiro el trico no Brasil com suas implica es negativas no plano econ mico e social Exposta essa problem tica para um conhecimento mais aprofundado sobre bombas de calor uma revis o bibliogr fica se imp e permitindo o conhecimento da hist ria da refrigera o e o avan o dessa tecnologia culminando no uso de bombas de calor A seguir 20 um breve esbo o sobre Termodin mica e a defini o de bomba de calor s o tra ados citando se as suas mais diversas aplica es Logo ap s uma explana o sobre os componentes e o funcionamento da bomba de calor feita analisando se os fatores que influenciam seu desempenho sua opera o e manuten o de forma adequada e eficiente A partir da apresenta se o prot tipo de uma bomba de calor para aquecimento de gua para banho do tipo gua para gua a montagem prepara o de seu aparato experimental e sua instrumenta o seguido do estudo f sico matem tico das vari veis envolvidas
71. ccesosoossssoocessooesesosecsssscossssocssesosesssssessssse 122 6 9 1 Calibra o e c lculo da incerteza dos termopares ssssssssessoesoossessoesoossessoesoossessossoessese 125 6 10 C lculo do coeficiente de performanCe essesseessescoesocsseccoesocsscesoesocsscesoeeocssoessesscesees L28 6 11 An lise dos resultados sesossossesocsossosoossesossossesocsossosoossssossossesocssssosoossssossossesoessssoseesse L29 6 12 An lise da varia o do COP com as condi es de USo eseesessosssseseossesossossesoesssseseee LIS 7 ESTUDO DA VIABILIDADE FINANCEIRA cccsceceeseereeseereoseececeecocseecorceccorareros 140 7 1 Custo do prot tipo seessessesseesoesocsscescoecoossccsceccoesocsseccoesocssecsoesocsseesoesocsscessesocsseessesssssees 140 7 2 An lise de viabilidade financeira oooossssssososcossssssssosoosossssssosoosossssssssooeoseesssssoseos 142 A AP NDICE Leituras de temperaturas para aferi o dos termopares A Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 1 seessessoesocssossoossessossoossessoseooeo B Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 2 cecceesscsescesescessccc cel C Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 3 cceecereersecerocecoccel D Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 4 e ssesscssessosssecssesooesoesoesoossossse IV E Leituras de temperaturas para aferi o do t
72. cimento a partir de uma nica fonte de calor externo cuja temperatura inferior do local ou do sistema em aquecimento BERNIER 1979 Uma bomba de calor um equipamento que retira calor de uma fonte a baixa temperatura e transfere esse calor para uma fonte ou dep sito a uma temperatura superior ASHRAE 1996 Como o termo bomba indica uma bomba de calor move o calor de um lugar para outro No inverno move o calor da parte externa ao interior para aquecimento e no ver o move o calor no outro sentido para refrigera o Com esse mecanismo inverte se o fluxo natural do calor dos lugares quentes para lugares mais frios Como uma bomba de gua que usa a energia para bombear gua para locais mais elevados uma bomba de calor usa a energia el trica para bombear o calor dos locais frios para locais mais quentes 59 Assim a bomba de calor um dispositivo que aplica trabalho externo para extrair uma quantidade do calor de um reservat rio frio e entregar o calor a um reservat rio quente A Fig 11 apresenta de forma simplificada o funcionamento da bomba de calor Os processos de retirada e rejei o de calor ocorrem em fun o da evapora o e condensa o de um fluido refrigerante O compressor tem a fun o de promover a circula o do fluido refrigerante pelos componentes da bomba de calor e tamb m de criar uma baixa press o no evaporador promovendo a evapora o do fluido refrigerante a retirada de calor e
73. compreendido entre as 07h 30min e 18h 30min Ademais apurou se que na cidade de S o 17 Jo o Del Rei a m dia hist rica entre 1960 at 1990 superior a este valor Fig 16 e Tabela 17 M s Climatologia de S o Jo o Del Rei MG P15 Ea 300 E 10 200 Jan Fey Figu Mar Abr Mai Jun Jul f go Set Out Nov Dez M s Tmin C Tmax C 1 Prec mm ra 17 Gr fico de climatologia de S o Jo o Del Rei Fonte www tempoagora uol com br Acesso 25 mar 2007 Tabela 1 Dados climatol gicos de S o Jo o Del Rei Temp M n 3 CC Temp M x i C Precipita o mm Os dados climatol gicos representam uma m dia do per odo entre 1961 e 1990 1 o l AR UDN SS Ma E nN mo S 17 5 17 5 16 9 14 9 12 3 10 5 9 9 11 1 13 15 1 16 1 16 9 27 1 237 9 27 3 204 3 27 3 184 7 25 4 66 9 24 2 31 7 23 3 21 23 1 11 1 24 9 11 8 25 1 51 5 26 5 132 7 26 9 190 2 27 293 4 Fonte www tempoagora uol com br acesso em 25 mar 2007 78 Assim tem se que o fluxo de calor m dio absorvido por radia o ser Q p 0 75 5 669 10W Km K A 290 285 574 K 45 O p A 17 96W m 46 O calor absorvido por convec o ser O p QAAT 47 O p 6W Km C 17 C 12 57 C A 48 O p A 26 58W m 49 O fluxo de calor m dio total reposto para a fonte fria durante o dia ser O A 26 58 17 96 W m 50 Q A 44 54W m
74. compressor a v lvula de expans o e dois trocadores de calor chamados de evaporador respons vel pela absor o do calor da fonte fria e condensador respons vel pela libera o do calor para a fonte quente J nas bombas por absor o ao inv s de energia mec nica utilizado calor para impulsionar o ciclo sistema que utiliza a habilidade de l quidos ou sais de absorverem o vapor do fluido de trabalho A maioria das bombas de calor tem duas partes principais uma unidade ao ar livre e uma unidade interna ao ambiente 67 A unidade ao ar livre geralmente inclui o trocador de calor o compressor e um ventilador Este o lugar onde o calor da parte externa captado para o aquecimento e onde o calor de dentro do ambiente rejeitado para refrigera o A unidade interna ao ambiente cont m o trocador de calor interno e o ventilador que distribui o ar aquecido ou refrigerado ao sistema de dutos Alguns sistemas t m um segundo compressor interno Todos os equipamentos s o conectados por linhas refrigerantes as quais permitem alguma flexibilidade em fixar as unidades internas e externas 4 3 4 Desempenho de bombas de calor O desempenho t cnico e econ mico de uma bomba de calor est intimamente relacionado com as caracter sticas da fonte de calor empregada Uma fonte de calor ideal para bombas de calor deve ter uma temperatura alta e est vel estar dispon vel em abund ncia n o ser corrosiva ou polu da e ter proprie
75. da vez mais utilizado em modernos equipamentos de ar condicionado No desevolvimeto do projeto foram feitos testes utilizando o compressor rotativo Fig 21 Figura 21 Compressor rotativo utilizado no pr totipo 5 3 3 C lculo da pot ncia do compressor A pot ncia solicitada ao compressor ser a diferen a entre o calor entregue fonte quente e o calor absorvido da fonte fria Em condi es extremas 75 do calor ser fornecido pela fonte fria Logo o compressor utilizado no projeto dever ser capaz de fornecer a seguinte pot ncia P 0 25 0 95 5600J s 1330J s 64 Como esse valor est pr ximo do valor do ar condicionado comercial optou se pela utiliza o de um compressor alternativo retirado de um ar condicionado de 12000 Btus e de 86 um compressor rotativo de pot ncia similar tamb m retirado de um ar condicionado Fig 19 e 21 5 4 leos de lubrifica o A fun o b sica dos leos lubrificantes em compressores diminuir o atrito entre as partes m veis e as fixas evitando o desgaste prematuro das pe as e um aquecimento excessivo A lubrifica o permanecer satisfat ria por um longo per odo desde que a temperatura de opera o a press o e a aus ncia de subst ncias contaminantes estejam dentro dos limites operacionais importante lembrar que o leo mistura se ao g s refrigerante circulando pelos componentes do ciclo de refrigera o No ciclo em funcionamento perfeito
76. dades termof sicas favor veis Ademais seu emprego deve exigir poucos investimentos e ter um custo operacional baixo Os principais tipos de fontes de calor s o e O ar ambiente recurso amplamente dispon vel e gratuito consistindo na mais comum fonte de calor para bombas t rmicas e O ar de exaust o ventila o fonte de calor comum para bombas de calor em resid ncias e pr dios comerciais e Os len is d gua dispon veis em temperaturas est veis em muitas regi es e Os solos usados para aplica es residenciais e comerciais com vantagens similares s dos sistemas que usam len is d gua como fonte de calor e O calor geot rmico utilizado nas regi es em que n o h len is d gua ou nas regi es onde a ocorr ncia de len is nfima 68 e A gua de rios e lagos que em princ pio uma boa fonte de calor apesar da desvantagem da varia o de temperatura conforme as esta es clim ticas e A gua do mar excelente fonte de calor sob certas condi es sendo utilizada para instala es m dias e grandes de bombeamento de calor e A gua proveniente de processos industriais e efluentes que se caracteriza por uma temperatura relativamente alta e constante durante todo o ano Al m da fonte de calor empregada um grande n mero de fatores capaz de afetar o desempenho da bomba t rmica a saber e O clima demanda anual de refrigera o e aquecimento e picos de carga m ximos e A
77. do em rela o onda de tens o V A carga possui caracter stica capacitiva FP lt adiantado 118 O fluxo de pot ncia em circuitos de corrente alternada tem tr s componentes pot ncia ativa P medida em watts W pot ncia aparente S medida em volt amp res VA e pot ncia reativa Q medida em volt amp re reativo VAr A pot ncia ativa a capacidade do circuito de produzir trabalho em um determinado per odo de tempo Devido aos elementos reativos da carga a pot ncia aparente que o produto da tens o pela corrente do circuito ser igual ou maior que a pot ncia ativa Pode se representar em um ret ngulo a rela o entre as pot ncias aparente S ativa P e reativa Q Fig 38 Se q o ngulo de fase entre as ondas de corrente e tens o ent o o fator de pot ncia igual ao cosseno deste angulo A rela o entre a pot ncia ativa P e a pot ncia reativa S proporcional ao co seno do ngulo fator de pot ncia ES P Figura 38 Se q o ngulo de fase entre as pot ncias ativa P e aparente S ent o o fator de pot ncia igual ao cosseno de q Um baixo fator de pot ncia indica que a energia est sendo mal aproveitada caso em que podem ocorrer as seguintes situa es aumento das perdas el tricas internas da instala o queda de tens o na instala o condutores aquecidos e redu o da capacidade dos transformadores No Brasil a Ag ncia Nacional de Energia El trica ANEE
78. dos a cidade de Belo Horizonte um centro bem desenvolvido no que concerne ao com rcio de pe as e equipamentos Para tanto efetuou se uma pr via pesquisa de pre os em pelo menos tr s lojas especializadas no item a ser adquirido No projeto a avalia o do custo da m o de obra envolvida na fabrica o e instala o do prot tipo restou prejudicada em raz o dos seguintes fatos na montagem e prepara o do aparato experimental n o foi utilizada m o de obra de terceiros como a maiorira dos componentes n o foi encontrada no mercado procedeu se sua confec o fato que dificulta a avalia o do n mero de horas empregadas na sua fabrica o Ademais a mensura o do custo da m o de obra est diretamente ligada ao n vel de automa o a ser empregado na fabrica o do prot tipo em s rie e da quantidade de componentes industrializados Ressalte se ainda que em um poss vel processo de fabrica o em s rie v rios componentes do prot tipo poder o ser suprimidos e ou substitu dos como por exemplo as conex es de lat o poder o ser substitu das por solda as curvas de 45 poder o ser substitu das por curvas nos canos de PVC uma das caixas d gua de 500 litros poder ser suprimida dependo da temperatura de inverno do local da instala o e a caixa d gua existente no im vel onde for instalado o chuveiro poder ser utilizada como fonte fria 141 A Tabela 11 apresenta o custo b sico dos itens utilizados
79. e demanda de eletricidade no Brasil 25 Figura 02 Primeiras geladeiras utilizadas pacas soseasadusaado si craipsaqastalsda dE denis posuapaiismaiaagn es 37 Figura 03 Estados f sicos de uma subst ncia quais se cispr asas sas ds anaraa apa ad aa Ga e 40 Figura 04 Esquema de um diagrama de P x h Mollier para um refrigerante 44 Figura 05 a sistema fechado e b sistema aberto volume de controle 45 Figura 06 Conven o dos sinais para trabalho e calor re 48 Figura 07 Mecanismos de transfer ncia de calor Placas planas a e cilindro b 49 Figura 08 Analogia entre fluxo de calor e fluxo el trico 53 Figura 09 a Gr fico da diferen a de temperatura b Esbo o de um trocador operando com correntes paralelas sp qestirnisasiganb o qui essipadssapsanbadesma so Spagna ia cndads 57 Figura 10 a Gr fico da diferen a de temperatura b Esbo o de um trocador operando EIN CONACOLLENES sasa0s de Seoul EARE O E OR G E s 57 Figura 11 Esquema de funcionamento de uma bomba de calor 59 Figura 12 Esquema do funcionamento de uma bomba t rmica 66 Figura 13 Esbo o t cnico do Prot tipo dee ares ssai gal en ias id cado S ESSES ia Ra UR dE q pat 71 Figura 14 Prot tipo antes da instala o seeeessseeesesesesressersrerressetsreserseestesreesresseseresreses 12 F
80. e g s podem ser dimensionadas para uma queda de press o tal que a redu o de temperatura equivalente n o seja superior a 1 1 C VENTURINI 2005 Segundo o mesmo autor as linhas de descarga de g s devem ser tamb m verificadas quanto velocidade 96 aplicando se os mesmos crit rios utilizados para o movimento correto do leo em linhas de suc o isto 5 0m s nas linhas verticais de fluxo ascendente e 2 5m s nas linhas horizontais A velocidade m xima aceit vel baseada em considera es de ru do de 16 0m s 5 6 3 1 C lculo da rea da tubula o de descarga Como a tubula o de descarga muito curta e o fluido logo ao sair do compressor entra no condensador pode se usar a velocidade de 12 m s para o c lculo dessa tubula o Assim tem se para press o de 1800 KPa e temperatura de 778 C vo 15 3381 kg Va 15 3381kg 0 038kg s 1000cm 1 582 8cm s 80 3 _ 5828cm S at 81 1400cm s Um tubo com di metro de 0 728 cm atende s necessidades do projeto Como o valor mais pr ximo encontrado no mercado foi o de 5 16 de di metro o mesmo foi utilizado 5 7 O Condensador Nesse projeto a fun o do condensador ceder o calor da fonte quente para aquecimento da gua para banho atrav s da condensa o de um fluido que entra no estado de vapor superaquecido e sai como l quido ou como pequeno t tulo Condensar um fluido consiste na remo o de calor na fase de
81. e ordem econ mica e ambiental consider vel Usando a bomba de calor no aquecimento de gua uma empresa do ramo de fabrica o de motores na cidade de Curitiba PR implantou um sistema projetado para atender demanda de gua quente para o banho de aproximadamente trezentos funcion rios que n o polui n o depende de incid ncia de luz solar para funcionar n o utiliza chamas e fornece at seis vezes mais energia em compara o eletricidade que consome O centro de 65 usinagem dessa empresa produz cerca de cinquenta blocos para motores por dia As m quinas de usinagem fresa tornos e outras operam com um l quido chamado coolant gua misturada a leos que tem a fun o de refrigerar e lubrificar as ferramentas de corte das m quinas A bomba instalada realiza a troca de calor entre os dois sistemas resfriando o l quido de arrefecimento ao mesmo tempo em que esquenta a gua do banho Al m de reduzir de forma eficiente a temperatura do sistema de refrigera o o que traz melhorias importantes para o processo de usinagem apresenta uma economia de 92 relativo ao gasto com o combust vel da caldeira e tamb m com as reposi es do coolant A instala o desse mecanismo permitiu reduzir a emiss o de cinquenta toneladas de di xido de carbono por ano ao evitar a queima do GLP que antes aquecia a caldeira A bomba capaz de suprir dois reservat rios que totalizam nove mil litros de gua e consome energia equ
82. e press o de uso profissional um para baixa e outro para alta press o Fig 34 O medidor de baixa press o foi colocado na entrada do compressor para assegurar que o refrigerante neste ponto estivesse no estado de 115 vapor superaquecido e o de alta press o foi colocado na entrada da v lvula de expans o e o tubo capilar para assegurar que se tenha refrigerante l quido neste ponto A confiabilidade desses instrumentos de acordo com o fabricante de 2 contudo como o valor de cada divis o s vezes supera este valor considerou se o valor lido com erro de mais ou menos uma divis o o que bastante aceit vel uma vez que se usou basicamente a parte mais central de cada instrumento Figura 34 Medidores de alta e baixa press o 6 8 Medida de energia el trica A medida de consumo de energia el trica definida como sendo o produto da pot ncia solicitada pelo tempo de sua utiliza o E P t 95 Em que E energia 116 P pot ncia t tempo Ao se adotar tempos relativamente longos o erro decorrente da medida do tempo pode ser desprezado como j explicado anteriormente logo a dificuldade passa a ser a medida da pot ncia Em circuitos de corrente cont nua calcula se a pot ncia multiplicando se a tens o aplicada ao circuito pela corrente Assim tem se P VI 96 Em que P pot ncia V voltagem I corrente el trica Em circuitos de tens o alternada a tens o aplicada ao circuito var
83. eis durante um tempo suficiente para a realiza o do processo Para tanto utilizou se um banho termost tico Fig 42 equipamento cuja fun o manter uma solu o l quida e est vel dentro de uma faixa 124 de temperatura desejada Esse equipamento utiliza um sistema de aquecimento e um de resfriamento controlado por PID 4 Figura 42 Banho t rmico usado para aferi o de termopares Para a obten o da leitura da temperatura de refer ncia foi utilizado um conjunto de term metros de bulbo de merc rio Fig 43 com escalas variando de O a 80 C com m nima divis o de escala 0 1 C e certificado de calibra o incerteza 0 05 C Para maior confiabilidade dos dados valendo se de v rios term metros com escalas diferentes buscou se utilizar aquele cujo centro da escala apresentava se o mais pr ximo poss vel da temperatura medida Assim sendo para a leitura de uma temperatura de 10 C por exemplo utilizou se um term metro com faixa de medida de O at 20 C Para cada temperatura de refer ncia medida o term metro foi mantido dentro do l quido com toda a parte abaixo da temperatura lida mergulhada no mesmo Para maior confiabilidade nas leituras utilizou se uma lupa para ampliar a escala e minimizar os erros de 125 leitura apesar da dist ncia entre os valores ser significativa uma vez que a faixa de opera o dos term metros bem restrita SRS 1 q WA Mar Ty t E a
84. encial E e energia interna U Sendo a energia cin tica dada por A energia potencial dada por Em que M massa do sistema V velocidade do sistema E acelera o da gravidade Z cota eleva o com rela o a um referencial adotado para o sistema Algumas formas de energia podem atravessar a fronteira de um volume de controle ou seja entrar ou sair do volume de controle Dentre elas est o inclu dos os fluxos de calor Q os fluxos de trabalho W e os fluxos de energia associados massa que atravessam estas fronteiras Uma quantidade de massa em movimento possui energia cin tica energia potencial e energia t rmica Al m disto como geralmente o fluxo m ssico gerado por uma for a motriz h outra forma de energia associada ao fluxo a qual est relacionada com a press o Esta ltima forma de energia chamada de trabalho de fluxo sendo dada pelo produto da 47 press o pelo volume espec fico do fluido Assim ap s algumas simplifica es a Primeira Lei da Termodin mica pode ser escrita como sos ni 5W 5 Lag pab sal Com rela o equa o acima duas observa es importantes devem ser feitas a soma das parcelas u pv como visto anteriormente corresponde entalpia da subst ncia A para a grande maioria dos sistemas industriais a varia o da quantidade de energia armazenada no sistema 4 igual a zero Assim sendo uma vez que o sistema opera em regime perm
85. entre duas superf cies pode ser calculado por Q oF F A T EU 16 4 2 6 4 Analogia entre fluxo de calor e fluxo de carga el trica Considere um fluxo de calor sendo transferido atrav s de uma placa em fun o de uma diferen a de temperatura AT e um fluxo de corrente atrav s de um circuito el trico devido a uma diferen a de potencial AV Fig 08 53 AT To T Te wi V2 Q AVN N e Av k ES A Figura 08 Analogia entre fluxo de calor e fluxo el trico Fonte VENTURINI 2005 Aplicando se a lei de Ohm para o circuito el trico tem se I AV E R 17 Em que I intensidade de corrente el trica V diferen a de potencial el trico R resist ncia el trica A taxa de transfer ncia de calor pode ser considerada um fluxo sendo a temperatura fun o potencial ou motora para este fluxo de calor enquanto a combina o da condutividade t rmica pode ser considerada como a espessura do material e a rea como uma resist ncia a este fluxo Logo pode ser feita uma analogia da equa o de Fourier com a Lei de Ohm para obter se a taxa de transfer ncia de calor em fun o da resist ncia ao fluxo de calor apresentada pelo meio Assim tem se Fluxo de calor diferen a de potencial t rmico resist ncia t rmica R AT E 18 A resist ncia t rmica para condu o em superf cies planas dada por 54 L R EA 19 Para condu o em cilindros tem se atos MERECE 20 Co 27
86. erar com este tipo de chuveiro etc Ademais nas regi es de clima ameno compressores com pot ncia compat vel com a energia gerada por pain is fotovoltaicos poder o vir a serem 147 utilizados tendo como subproduto gua gelada para uso dom stico economizando se a energia consumida pelo refrigerador REFER NCIAS ARA JO M L ROCHA N R Aplica o de Bomba de Calor em Latic nios Revista Instituto de Latic nios C ndido Tostes Juiz de Fora MG V 45 n 267 272 33 37p 1990 ASHRAE Applied heat pump and heat recovery systems Ashrae Ashrae Handbook Atlanta Ashrae 1996 Cap 8 22p ASHRAE Handbook Fundamentals American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 1997 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 2000 ASHRAE HVAC Applications Handbook American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 2003 BALDASSIN J NIOR Ricardo Uso racional de energia em fazendas leiteiras com bombas de calor 2006 p Disserta o de Mestrado Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mec nica Campinas SP Brasil 2006 BATISTA Henrique Gomes Chuveiro flex chegar a 2 6 milh es de casas O Globo 02 jun 2010 Dispon vel em lt http www zapimoveis mht com br gt Acesso em 05 jun 2010 BERNIER J La pompe de chaleur mode d emploi Pyc dition Paris
87. eratura ideal no uso de duchas de aquecimento a g s ou solar No caso do chuveiro el trico o desperd cio de gua igual a zero enquanto no sistema solar ou boiler a perda de 5 litros e no aquecedor a g s a perda de 4 5 litros MELO 2003 O Brasil um pa s com enorme potencial solar porquanto praticamente em todo seu territ rio tem se mais de 2 200 horas de insola o ao ano com um potencial equivalente a quinze trilh es de MWh e correspondente a cinquenta mil vezes o consumo nacional de eletricidade COLLE amp PEREIRA 1999 Segundo FANTINELLI 2002 os sistemas de aquecimento solar primeira vista seriam uma alternativa excelente em rela o aos chuveiros el tricos para prover a gua quente desejada nas habita es no com rcio e nos servi os uma vez que o Brasil recebe energia 31 solar em todo seu territ rio durante praticamente o ano inteiro Isso muito contribuiria para mitigar os impactos socioambientais do setor el trico brasileiro Contudo a tecnologia de coletores solares n o consegue firmar se no pa s devido aos custos e dificuldades de instala o Al m disso como o aquecedor solar normalmente projetado para um n mero determinado de usu rios havendo o eventual aumento do n mero de pessoas para tomar banho ou havendo per odos longos sem insola o torna se necess rio o suporte el trico ou a g s o que obriga o sistema el trico a disponibilizar uma energia que ser usada rara
88. eren a de temperatura m dia logar tmica para um trocador de calor operando com correntes paralelas Fig 09 dada pela equa o AT AT AT Z Ty aTa i AT 1 Ta Ei Tre AT Las Tps 27 57 Fluido B Tes Figura 09 a Gr fico da diferen a de temperatura b Esbo o de um trocador operando com correntes paralelas Fonte VENTURINI 2005 Em trocadores de calor operando em contracorrente Fig 10 h que se observar que para as mesmas temperaturas de entrada e sa da dos fluidos a diferen a de temperatura m dia logar tmica do trocador com escoamento em contracorrente superior de um trocador com escoamento em paralelo e desta forma admitindo se um mesmo coeficiente global de transfer ncia de calor a rea necess ria para que ocorra a troca menor que no trocador de calor de corrente paralela Temp Tes e e Arado ATs FluidoA Fluido A T Trocador de Calor UR ca Ri a Sig contracorrente Area Fluido B Ao Ar Tee Figura 10 a Gr fico da diferen a de temperatura b Esbo o de um trocador operando em contracorrentes Fonte VENTURINI 2005 58 A equa o de diferen a m dia logar tmica para trocadores de calor operando em contracorrente dada pela equa o AT AT AT AT Each Met To Tass T a AT Ti To Bs 28 AT Te Tre 4 3 Bomba de calor 4 3 1 Conceito de bomba de calor Bomba de calor uma m quina termodin mica de aque
89. ermopar 5 ssessossessosssosssesoossosssesooesosssess V F Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 6 eecceeeceeesersecesesccae V G Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 7 cecccsescereseeescececesoe VI H Leituras de temperaturas para aferi o do termopar 8 0 ceccesecessocoe VIII 1 INTRODU O A consci ncia ambiental como condicio sine qua non da preserva o da vida no planeta deve estar presente em toda e qualquer atividade humana O grande desafio da ci ncia nos dias de hoje o desenvolvimento de tecnologias ambientalmente seguras e socialmente justas que atendam a um mercado cada vez mais globalizado de forma que as gera es vindouras possam usufruir de um planeta em condi es plenas de habitabilidade Nesse contexto o aumento da participa o de fontes limpas na gera o de eletricidade e a racionaliza o do uso da energia aumentando sua efici ncia e evitando desperd cios s o medidas importantes que podem em muito contribuir para a prote o do meio ambiente A proposta concebida neste trabalho uso da bomba de calor em substitui o ao chuveiro el trico visa empregar a energia de forma eficiente com base no princ pio da conserva o partindo do seguinte pressuposto como uma bomba de gua que usa a energia para bombear gua para locais mais elevados uma bomba de calor usa a energia el trica para bom
90. erstasereaeno utero strartonsaseteo crpsanioacecatro cotenva raca sera esosenavo casais ns edo 58 4 3 1 Conceito de bomba de Calor ssssssesseseessosecssssooeessooeesseceessoscesesscceessoceessccecsssseceesseceesseceesse 58 4 3 2 Aphica es da bomba de calor ssisssrsssissrscsrisosssissesesesossossssisosotosro sossisssoessoo brosis eusie 60 4 3 3 Tipos de bomba de calor e seus ComMponenteS ssssssssssssesssocescoesoocssoccssccesocesocesoocesseesseee 66 4 3 4 Desempenho de bombas de calor ccceceeeeeerererererecessooees soccer seneossoneosseneos seco osseesosaeesenae 67 17 5 MONTAGEM E PREPARA O DO APARATO EXPERIMETAL E SUA 5 1 Descri o do Projeto aisesantnaiausaahesticaada sesquiininntar soko so oss eeos as oossoo i soose sesso sesso ssia sss LO 5 2 A f nte fria ssscisssssssssoscsiososcesescrousssorsoscsoo rs PA PEN RR RNA A PN EN PO A SS COMPRESSOR sarados nousaroa ae hcnoravaL atos pedtias aro ada Rd pera nnaEaRinca ia sacanear nora oras ta asas asa O 5 3 1 0 compressor alternativo essenciais sorcaetenasioosia nn cr ssucanerenanseeveo DL 3 5 2 0 compressor FOLalivO x assess iuindaioas credo duda ccasdanados dino nd ai danca cai donadi anisina eronsa srias DO 5 3 3 C lculo da pot ncia do compressor cceccemeereemereorererorerererereseracesenacesenacesenacesenccessnacess DO 5 4 leos de lubrifica o cssenerereeneersereensensenseessencenscaseamsensensenscossensenscnseamsensensenscensensess S SS Rluido refricerante coesa
91. f tons que ao atingirem uma superf cie podem ser absorvidos refletidos ou transmitidos A transfer ncia de calor por radia o se d como resultado do deslocamento de f tons de uma superf cie para outra sendo que se a superf cie os absorve sua temperatura aumenta Segundo VENTURINI 2005 a energia irradiada por uma superf cie definida em termos do seu poder emissivo que para um radiador perfeito denominado corpo negro dado pela equa o E 0T 14 Em que T temperatura do corpo em Kelvin o constante de Stefan Boltzman Corpos reais irradiam menos energia que um corpo negro ideal isto irradiam menos energia que um corpo negro mesma temperatura A raz o entre o poder emissivo do corpo real e o poder emissivo do corpo negro denominada de emissividade definida segundo a equa o 52 sm 15 A radia o trocada entre duas superf cies afetada pelo posicionamento geom trico das superf cies A rela o geom trica que influencia a quantidade de calor trocado por radia o entre as superf cies chamada de fator de forma Fa As caracter sticas pticas das superf cies como emissividade absort ncia transmissividade e refletividade que tamb m afetam a quantidade de calor trocado por radia o podem ser agrupadas em um nico fator Fe Os fatores Fa e Fe podem ser encontrados em textos e manuais espec ficos sobre transfer ncia de calor O calor trocado por radia o
92. foi finalizado com 2 3 m de comprimento Na Figura 28 a b c e d detalhes da estrutura interna da tubula o do trocador de calor e dos elementos causadores de turbul ncia Figura 28 a b c e d Detalhes do lado interno do trocador de calor do evaporador 5 9 Dispositivos de expans o Para que haja evapora o a press o do refrigerante deve ser reduzida desde a press o de condensa o at a press o de evapora o Nos sistemas frigor ficos e bombas de calor o mecanismo respons vel por esta fun o denominado dispositivo de expans o Al m dessa fun o esse dispositivo tamb m controla a vaz o do refrigerante que chega ao evaporador regulando desta maneira a pot ncia do equipamento Os tipos de dispositivos mais comuns de expans o s o v lvula de expans o termost tica v lvula de expans o eletr nica v lvula de boia v lvula de expans o de press o 104 constante e tubos capilares No projeto foram utilizados dois tipos de dispositivos de expans o um registro usado como v lvula de expans o e um tubo capilar 5 9 1 V lvula de expans o No projeto utilizou se um registro como v lvula de expans o em fun o do seu baixo custo e facilidade de aquisi o A fun o desse registro controlar o fluxo de refrigerante que circula atrav s das v lvulas solen ides por meio do ajuste de um parafuso permitindo o controle da pot ncia desenvolvida pelo sistema durante a opera o
93. has com a amea a de desaparecimento do territ rio de alguns pa ses e enormes perdas para outros isso sem falar das consequ ncias devastantes na agricultura e nos ecossistemas e O desmatamento com a consequente desertifica o causado pela expans o agr cola a urbaniza o a explora o das florestas de modo indiscriminado e a constru o de usinas hidrel tricas e de lcool Portanto a pesquisa de tecnologias limpas e eficientes que conservem energia e diminuam a contribui o brasileira para a emiss o de gases nocivos ao meio ambiente deve ser incentivada como estrat gia nacional para o cumprimento dos objetivos do mil nio e do Protocolo de Kyoto garantindo assim um planeta ambientalmente saud vel para as futuras gera es 3 O IMPACTO DO USO DO CHUVEIRO EL TRICO NA MATRIZ ENERG TICA BRASILEIRA No Brasil o principal sistema de obten o de energia el trica por hidrel tricas uma fonte menos poluente em compara o queima de g s produzindo g s carb nico Contudo a constru o de centrais hidrel tricas pressiona enormemente a biodiversidade impactando o meio ambiente e deslocando grandes contingentes populacionais j sendo necess ria hoje a constru o de usinas termel tricas para suporte no hor rio de pico o que aumenta as emiss es de carbono para a atmosfera contribuindo para as mudan as clim ticas e o aumento de doen as consequentes A infra estrutura para aquecimento de gua na maio
94. ia com o tempo de foma senoidal fazendo com que a corrente tamb m varie de forma senoidal Em circuitos de corrente alternada CA puramente resistivos onde s existem elementos resistivos as ondas de tens o e de corrente el trica est o em fase ou seja mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo Figura 35 Ondas de tens o V e corrente D em fase A carga possui caracter stica resistiva FP 1 Angulo de fase q 0 117 Quando cargas reativas est o presentes tais como capacitores e indutores o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferen a de fase entre as ondas de tens o e corrente alterando o que chamamos de fator de pot ncia Por defini o o fator de pot ncia um n mero adimensional entre O e 1 Quando o fator de pot ncia igual a zero 0 o fluxo de energia inteiramente reativo e a energia armazenada devolvida totalmente Ox fonte em cada ciclo Quando o fator de pot ncia 1 toda a energia fornecida pela fonte consumida pela carga Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e n o produz trabalho til um circuito com baixo fator de pot ncia ter correntes el tricas maiores para realizar o mesmo trabalho que um circuito com alto fator de pot ncia Figura 36 Onda de corrente I atrasada em rela o onda de tens o V A carga possui caracter stica indutiva FP lt atrasado Figura 37 Onda de corrente TI adianta
95. ica o de bombas de calor na ind stria de alimentos mais de 50 somente em ind strias de processamentos de alimentos e latic nios seguido da agricultura papel e celulose refinarias e qu micas cervejarias t xteis pl sticas e outros usos Para CORTEZ amp NEVES FILHO 1996 apud PACCO 2008 as bombas de calor possibilitam uma importante redu o na degrada o da energia el trica em processos de aquecimento e resfriamento de fluidos e poder o contribuir de modo efetivo para o uso racional da energia no Brasil Pouco conhecidas no Brasil as bombas de calor s o empregadas no aquecimento de resid ncias e processos industriais em pa ses mais desenvolvidos Segundo BOUMA 2002 nos Estados Unidos at o ano de 2001 existiam cerca de 1 4 milh es de bombas de calor instaladas em resid ncias e pr dios comerciais sendo que no ano de 1999 foram vendidas aproximadamente 50 000 unidades No Canad foram instaladas na d cada de 90 aproximadamente 30 000 bombas de calor cerca de 20 destas em setores comerciais e institucionais principalmente em escolas No Jap o estima se que haja aproximadamente cinco milh es de unidades e cerca de 5 58 milh es de unidades instaladas na China com um potencial crescente de mercado tendo em vista a exist ncia de 64 aproximadamente 800 milh es de m compreendendo resid ncias e pr dios comerciais e institucionais que necessitam de aquecimento e ou refrigera o Na Europa at o an
96. ico brasileiro e disponibilizando essa energia para fins mais nobres Conforme j evidenciado a desvantagem dos chuveiros el tricos est em seu alto disp ndio em face da transforma o de energia el trica em energia t rmica para aquecimento de gua Para se ter uma ideia eletrodom sticos considerados de grande consumo como 30 aquecedores de ambiente ferros de passar roupas fornos el tricos ou secadores de cabelo em suas pot ncias m ximas consomem em m dia 1 500W em 127V e at 2 500W em 220V Um chuveiro el trico em sua pot ncia m nima consome entre 2 500W e 3 200W chegando a consumir 5 500W em 127V e at 8 800W em 220V Para exemplificar um chuveiro de 6 000W equivale a sessenta l mpadas de 100W ligadas simultaneamente durante todo o hor rio de pico O fator de equil brio deveria estar no tempo de utiliza o do chuveiro alguns minutos frente a horas de uso de um ar condicionado ou geladeira mas apesar de os fabricantes e os rg os ambientais recomendarem menos de dez minutos normalmente o banho do brasileiro se estende alcan ando at vinte ou trinta minutos al m de ser muito comum em algumas regi es do pa s se tomar mais de um banho di rio MELO 2003 A vantagem dos chuveiros el tricos est no consumo de gua que muito menor em compara o s duchas de aquecimento a g s e aquecedores solares O diferencial quanto gua que perdida no in cio de cada banho at se atingir a temp
97. idade de aumentar a turbul ncia da gua e melhorar a troca de calor al m de facilitar a montagem 99 Figura 24 Detalhes da instala o do condensador Em cada trocador de calor foram utilizados dois tubos para refrigerante unidos por arames de cobre a eles soldados para aumentar a rea de troca de calor e provocar turbul ncia Com isto o conjunto ficou mais compacto e houve uma melhora na efici ncia da troca de calor entre os tubos de cobre e a gua Como a condensa o por gotas mais eficiente os tubos de cobre foram achatados para facilitar o dep sito de gotas na parte inferior isso tamb m contribuiu para produzir 100 turbul ncia no fluxo do refrigerante e propiciou a coloca o de dois canos dentro do cano de PVC Os quatro tubos de 5 16 com os quais se constru ram os dois trocadores de calor foram achatados com morsa at que a soma de sua rea interna fosse equivalente rea de um tubo com a finalidade de aumentar a rea de troca de calor e manter uma alta velocidade do fluxo de refrigerante no interior dos mesmos Na Figura 25 a b c e d detalhes da estrutura interna da tubula o do condensador d Figura 25 a b c e d Detalhes do lado interno do trocador de calor do condensador Como o condensador n o se assemelha a nenhum modelo industrializado e foi constru do artesanalmente com material aproveitado buscou se um similar industrializado que operasse em condi e
98. igna o aplicada de um equipamento de refrigera o Se o efeito til for apenas o aquecimento ou o aquecimento e resfriamento tanto variado como simult neo o equipamento em quest o trata se de uma bomba de calor 4 3 2 Aplica es da bomba de calor Segundo BERNIER 1981 apud JORDAN 2005 as primeiras utiliza es comerciais de bombas de calor datam do in cio do s culo XX As bombas de calor n o s o uma tecnologia recente e o conceito de utiliza o do efeito quente produzido em sistemas de refrigera o teve in cio em 1852 com William Thompson Lord Kelvin a quem creditada a inven o ARA JO amp ROCHA 1990 apresentaram um bom trabalho uma revis o bibliogr fica com diversas aplica es de bombas de calor em latic nios da Europa Segundo os autores das diversas cita es foram obtidos valores de coeficiente de desempenho acima 61 de 3 O tempo de retorno do investimento foi citado por alguns autores como sendo dois anos por m foi verificado em alguns casos de quatro a cinco anos Sob o ponto de vista de consumo energ tico a faixa de economia dos sistemas est entre 13 e 45 LANG 1979 apud ARA JO amp ROCHA 1990 refere se a um sistema instalado em uma queijaria em Ausnang Bav ria Alemanha O queijo produzido do tipo Emmental Cerca de 90 000 litros de soro s o produzidos diariamente a 50 C que juntamente com o calor obtido da planta de refrigera o d um total
99. igura 15 Prot tipo montado no local escolhido re 12 Figura 16 a e b Crivo e bot o de controle de temperatura instalados no banheiro 13 Figura 17 Gr fico de climatologia de S o Jo o Del Rei 11 Figura 18 Esbo o do funcinamento de um compressor alternativo eseeeeeerereeeeree 81 Figura 19 a Compressor isolado com madeira antes da instala o b conjunto instalado na NERO SAP AR PRPANER a JO PERES APARADOR NRO RPPN RREO PRP PARDO PDR A 82 Figura 20 Esquema de funcionamento do compressor rotativo 84 Figura 21 Compressor rotativo utilizado no prot tipo 85 Figura 22 Formas de condensa o a Condensa o em Pel cula b Condensa o por gotas sobre a superf cie c Condensa o homog nea d Condensa o por contato diretd musas cessa satao das eacn das a das qua raia dna apa saaa 97 Figura 23 Detalhes dos pontos de entrada e sa da de gua e refrigerante no condensador 99 Figura 24 Detalhes da instala o do condensador era 99 10 Figura 25 a b c e d Detalhes do lado interno do trocador de calor do Condensad t asso CS Sd a R A 100 Figura 26 Detalhes dos pontos de entrada e sa da de gua e do refrigerante no CVAPOLADOS q san io Se O a R ER 102 Figura 27 a e b Detalhes da instala o do evaporador 102 Figura 28 a e b Detalhes do lado interno do trocador de
100. indo se que o erro decorrente da contagem das voltas seguramente ser menor que 0 5 Assim sendo tem se para medida de consumo de energia E nrot 3 6 Wh rot 100 Em que E energia em Wh Nro N mero de rota es no tempo decorrido A pot ncia ser P Eh 101 122 6 9 Medida de temperatura Para a leitura das temperaturas utilizou se oito termopares tipo K n quel cromel de 1 5 m de comprimento cada A soldagem dos elementos constituintes dos termopares foi feita sob g s inerte em um equipamento constru do especificamente para este fim Para medir as temperaturas nos diversos pontos cada termopar foi identificado com numera o conforme especificado na Tabela 2 e visualizado nas Fig 23 e 26 TABELA 2 Identifica o dos termopares 1 Temperatura da gua de sa da do evaporador 2 Temperatura da gua de entrada do evaporador 3 Temperatura da gua de entrada do condensador 4 Temperatura da gua da sa da do condensador gua para banho 5 Temperatura do refrigerante na entrada do compressor 6 Temperatura do refrigerante na jun o da sa da do tubo capilar com a v lvula de expans o 7 Temperatura do refrigerante na sa da do condensador 8 Temperatura do refrigerante na sa da do compressor Para melhor confiabilidade das leituras nos pontos onde as medidas eram referentes temperatura da gua perfurou se o tubo de PVC e nele inseriu se
101. iores produtores de gelo natural mas o inverno naquele ano foi muito fraco e quase n o houve forma o de gelo Como n o havia gelo natural a situa o obrigou que se usasse o artificial quebrando o tabu existente contra esse ltimo e mostrando inclusive que ele era ainda melhor que o produto natural por ser feito com gua mais pura e poder ser produzido vontade conforme as necessidades de consumo IFET Bahia 2009 Com a maior utiliza o do gelo artificial as primeiras geladeiras foram criadas no princ pio do s culo XIX Fig 2 Tais aparelhos eram constitu dos simplesmente por um recipiente quase sempre isolado por meio de placas de corti a dentro do qual eram colocadas 37 pedras de gelo e os alimentos a conservar A fus o do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e reduzia de forma consider vel a temperatura no interior da geladeira IFET Bahia 2009 Figura 02 Primeiras geladeiras utilizadas Fonte Apostila de Refrigera o Mar o 2009 IFET Bahia Apesar da plena aceita o do gelo artificial e de sua disponibilidade para todas as classes sociais sua fabrica o continuava a ser feita em instala es especiais as usinas de gelo n o sendo poss vel sua produ o na casa dos consumidores A figura t pica da poca era o geleiro que com sua carro a isolada percorria os bairros entregando nas casas dos consumidores periodicamente as pedras de gelo que deviam ser colocadas nas primeir
102. is ajuste de temperatura Apresenta seguran a quanto aos riscos de choque el trico e sua pot ncia pode ser alterada pelo usu rio sem a necessidade de se deslig lo A instala o do m dulo em unidades residenciais dispensar altera es significativas na estrutura do im vel e portanto ser mais barata se comparada ao sistema de aquecimento solar uma vez que n o necessita de tubula o especial e de reservat rio de gua para altas temperaturas Ademais a economia de energia el trica propiciada o bastante para amortizar o investimento inicial cerca de um ano e meio para resid ncias de m dia renda Sua implanta o em unidades residenciais implicar numa melhora na qualidade vida das pessoas na medida em que a economia de energia propiciada ap s a amortiza o vai repercutir no or amento familiar liberando montantes a serem gastos a outros fins A princ pio uso do equipamento em resid ncias de baixa renda n o apresenta vantagem direta para o consumidor uma vez que o valor da tarifa nessa classe de renda muito pequeno Contudo o sistema poder ser subsidiado pelas concession rias de energia ou 146 pelo Governo uma vez que implica economia de investimento no setor el trico e ganho ecol gico fatores que por si s justificam o subs dio Adotado em larga escala o sistema acarretar significativa diminui o na demanda de ponta liberando a matriz el trica para atender ao setor produtivo nesse hor rio
103. ito de conserv los IFET Bahia 2009 A civiliza o eg pcia por sua vez devido posi o geogr fica e ao clima de seu pa s n o dispunha de gelo natural Contudo os eg pcios refrescavam a gua por evapora o usando vasos de barro semelhantes s moringas t o comuns no interior do Brasil O barro por sua constitui o porosa deixa passar parte da gua contida no seu interior e a evapora o dessa gua faz baixar a temperatura do sistema IFET Bahia 2009 34 Segundo LIMA 2008 durante muitos s culos a nica utilidade que o homem encontrou para o gelo foi a de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar seu paladar Os m todos mais antigos de produ o do frio faziam uso do gelo natural ou de misturas de sal e neve Posteriormente descobriu se que dissolver nitrato de s dio em gua abaixa a temperatura da mistura pelo menos no s culo XIV esse fato j era conhecido No ano de 1755 j se conhecia o efeito de resfriamento causado pelo ter ao se evaporar sobre a pele Naquele tempo o professor de qu mica William Cullen demonstrou a forma o de gelo na gua em contato com um recipiente contendo ter ao reduzir a press o sobre o ter promoveu sua ebuli o a uma temperatura baixa o suficiente para proporcionar a forma o do gelo Com a inven o do microsc pio no final do s culo XVII descobriu se a exist ncia de microorganismos micr bios e bact rias que at ent o eram invis veis a olh
104. ivalente a um chuveiro convencional Com essa tecnologia de vanguarda a gua dos noventa e seis chuveiros dos vesti rios antes aquecida por uma caldeira de quatro mil litros agora mantida quente o ano todo temperatura m dia de 55 C por uma bomba de calor que retira energia do setor de usinagem a vinte metros de dist ncia Por todo o exposto depreende se que as bombas de calor podem atender s necessidades de aquecimento ambiental de gua e refrigera o em todos os tipos de edifica es bem como s necessidades de aquecimento em diversas instala es industriais Pelo aspecto ambiental deve se considerar o grande impacto na redu o de emiss es de CO cerca de 6 do total de emiss es globais Esse um dos maiores montantes que uma tecnologia individualmente pode oferecer 66 4 3 3 Tipos de bomba de calor e seus componentes Conforme j explicitado uma bomba de calor ou bomba t rmica um sistema que por meio de um ciclo termodin mico troca calor de uma fonte baixa temperatura Q e torna essa energia dispon vel a uma temperatura mais alta Qy Fig 12 rozni Figura 12 Esquema do funcionamento de uma bomba t rmica Fonte PACCO 2008 H dois tipos b sicos de bombas de calor as baseadas no ciclo de compress o de vapor e as baseadas no ciclo de absor o A maioria das bombas de calor trabalha com base no princ pio do ciclo de compress o de vapor cujos principais componentes s o o
105. l ou c moda Como atualmente os c lculos s o f ceis de efetuar as duas ltimas equa es devem ser preferidas Assim a forma correta de se apresentar uma medida X X AX 87 importante salientar que a diferen a de x em rela o incerteza Ax deve ser melhor ou igual a 20 para 1 6 4 Propaga o de erros Se Y uma fun o das vari veis X1 X2 X357 X y ent o TES aK 88 onde x uma medida experimental com erro AX ou seja X X AX 89 O erro Ay em y devido aos erros ax das medidas de x pode ser obtido como oY Y dY NA A S E AX E E E J J o 2 112 6 5 Medida de tempo Utilizou se um bom cron metro digital que indica minutos segundos e cent simos contudo o valor de seu erro de calibra o n o foi especificado pelo fabricante Segundo VOULO 1999 para um bom cron metro desse tipo a menor leitura 0 01 pode ser considerada como limite de erro de calibra o para tempos curtos da ordem de minutos importante esclarecer que um bom cron metro pode ser considerado uma exce o regra para instrumentos digitais que geralmente tem erros de calibra o maiores que a menor leitura Para minimizar o efeito do tempo de acionamento do cronometro tempo de rea o humana foram adotados tempos de medida mais longos da ordem de 5 min ou seja 300 s e nesta ordem de grandeza tanto o erro do cron metro quanto a rea o humana menores que um segundo podem ser perfeitamente des
106. lar de interesse social e baixo custo para aquecimento de gua na moradia 179p Disserta o de Mestrado em Energia Universidade Estadual de Campinas Campinas 2002 IFET Bahia Apostila de Refrigera o Campus Santo Amaro Mar 2009 s a JORDAN R A Desenvolvimento de uma bomba de calor gua gua acionada a biog s para utiliza o em processos de aquecimento e resfriamento em latic nios visando racionaliza o do uso de energia no n vel de produ o leiteira 2005 266 p Tese Doutorado em Engenharia Agr cola Faculdade de Engenharia Agr cola Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Campinas SP Brasil 2005 LAZZARIN R M Heat pumps in industry I Equipment Heat Recovery Systems amp VHP Elsevier Science Ltd Great Britain v 14 n 6 p 581 597 1994 LIMA Rafael Sene de An lise num rica de condensadores do tipo arame sobre tubo usados em refrigeradores dom sticos 117 p Disserta o mestrado Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira rea de conhecimento Ci ncias T rmicas 2008 MELO Josu Pereira Comparando alternativas para uso do g s canalixado centrais termel tricas ou aquecimento de gua em resid ncias Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Itajub rea de conhecimento Engenharia de Conserva o de Energia Itajub MG Brasil 2003 MOFFAT R J Describing the Uncertainties in Experimental Results Experimental
107. leitura do termopar 2 Termopar 2 31 0 y 0 98826x 1 297 8 R 1 o S 260 g v 21 0 vu Es fie 5 16 0 z a 11 0 E v 6 0 6 00 11 00 16 00 21 00 26 00 31 00 Temperatura medida 2 C iii AP NDICE C Leituras de temperatura para aferi o do termopar 3 Termopar 3 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 28 0 6 5 10 5 14 5 18 5 22 5 26 5 6 4 10 6 14 4 18 6 22 5 26 6 6 5 10 6 14 4 18 5 22 4 26 6 6 4 10 5 14 5 18 6 225 26 6 6 4 10 6 14 5 18 6 225 26 5 6 5 10 5 14 4 18 5 22 5 26 5 6 4 10 6 14 5 18 6 22 4 26 5 6 4 10 6 14 4 18 5 22 5 26 6 6 5 10 5 14 5 18 6 22 5 26 6 6 5 10 5 14 5 18 6 22 5 26 6 M dia 6 45 10 55 14 46 18 56 22 48 26 56 D padr o 0 053 0 053 0 052 0 052 0 042 0 052 y ax b 0 043 0 049 0 049 0 043 0 045 0 027 Gr fico de corre o da leitura do termopar 3 Termopar 3 31 0 y 0 998x 1 52 R 0 9999 a s 26 0 q Em Es 5 21 0 E U Ke 5 16 0 u U E 11 0 U 6 0 6 00 11 00 16 00 21 00 26 00 31 00 Temperatura medida C AP NDICE D Leituras de temperatura para aferi o do termopar 4 Termopar 4 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 20 0 24 0 28 0 32 0 36 0 40 0 18 3 22 4 26 4 30 6 34 7 38 8 18 3 22 3 26 4 30 6 34 7 38 8 18 3 22 3 26 4 30 6 34 7 38 8 18 3 22 3 26 4 30 6 34 7 38 8 18 3 22 4 26 4 30 6 34 7 38 8 18 4 22 4 26 4 30 6 34 7 38 8 18 4 22 4 26 4 30 6 34 7 38 7 18 3 22 3 26 6 30 6 34 7 38 7
108. lhes dos dipositivos de expans o utilizados no prot tipo 5 10 Controle de pot ncia Como a condi o de opera o do sistema varia de acordo com as condi es ambientais um sistema de controle de pot ncia fez se necess rio para manter o conforto do banho No projeto buscou se aproveitar as vantagens do tubo capilar e da v lvula de expans o Utilizou se um tubo capilar para manter um fluxo m nimo de refrigerante correspondente pot ncia m nima desenvolvida pelo sistema Assim sendo durante a 106 opera o em pot ncia m nima o fluxo refrigerante se dar nica e exclusivamente atrav s do capilar Para o ajuste da pot ncia foi inserido em paralelo com o tubo capilar um registro seguido de duas v lvulas solen ides estas comandadas por pulsos retangulares O uso de duas v lvulas deve se ao fato de a vaz o permitida por uma v lvula mais a vaz o do capilar ser insuficiente para atender pot ncia m xima Fig 29 e 30 Figura 30 Detalhes do sistema de controle de fluxo instalado A condi o de opera o do sistema para pot ncia m xima foi ajustada atrav s do registro com as duas v lvulas abertas com a temperatura ambiente e a temperatura da gua de alimenta o as mais baixas admitidas para o projeto Foram adotadas cinco temperaturas poss veis sendo e primeira com todo equipamento desligado pot ncia zero e A segunda com a vaz o do fluido somente atrav s do capila
109. lsa de estudos que muito contribuiu para minha manuten o financeira durante o curso Ao meu orientador Prof Dr Fl vio Neves Teixeira que apesar de seus vastos compromissos institucionais sempre deu credibilidade s minhas ideias e contribuiu com seu valoroso apoio no desenvolver do trabalho Ao meu orientador Prof Dr Jos Ant nio da Silva por sua incondicional dedica o ci ncia e por seu rduo empenho com o crescimento da Institui o Ao Prof Dr Rolando cujas cr ticas estimularam e propiciaram meu crescimento Ao Prof Dr Cl udio Pellegrini pela contribui o no aprimoramento de meus conhecimentos em Mec nica dos Fluidos Aos servidores da UFSJ em especial ao Fernando respons vel pelo Laborat rio de Hidr ulica pela valorosa contribui o PUC MG UFMG UFLA UFJF e a todos os companheiros de jornada acad mica pela solidariedade troca de experi ncia e ajuda m tua Aos professores do Mestrado em F sica da UFJF Maria Jos Valenzuela Bell Jorge Ananias Neto em especial a Pablo Zimmermann e Jos Roberto Tagliati pelas cartas de apresenta o por fim ao companheiro de estudos Mateus pela solidariedade N o me sinto obrigado a acreditar que o mesmo Deus que nos dotou de sentidos raz o e intelecto pretenda que n o os utilizemos Galileu Galilei RESUMO No Brasil o uso maci o do chuveiro el trico equipamento de baixo custo inicial e de f cil instala
110. mente Uma alternativa que unisse a vantagem dos chuveiros el tricos dos aquecedores solares seria ideal por apresentar equil brio no consumo de energia e gua Atento a essa quest o o Governo Federal lan ou um programa de incentivo ao sistema do chuveiro h brido e o que se espera que no total 2 660 milh es de casas sobretudo de baixa renda poder o ter esse sistema a partir do pr ximo ano at 2014 BATISTA 2010 Nos dias atuais por quest es ambientais o sucesso de qualquer tipo de empreendimento est intrinsecamente ligado promo o do uso racional de energia de modo a reduzir todo e qualquer desperd cio Tanto assim que em pa ses desenvolvidos a solu o empregada para atingir tal prop sito tem sido o emprego de bombas t rmicas equipamentos muito eficientes que utilizam racionalmente a energia que as aciona podendo gerar um efeito tr s a cinco vezes superiores energia utilizada recuperando o calor de uma fonte t rmica como o ar ou a gua fazendo pouco uso de trabalho mec nico CORTEZ amp NEVES FILHO 1996 Mesmo em temperaturas consideradas baixas o ar a terra e a gua continuamente absorvem energia do Sol Essa energia pode ser absorvida por um corpo de temperatura inferior a esta usando se uma bomba de calor para tal fim Por liberar mais energia do que a que consome a bomba de calor viabiliza esse processo 32 Nesse contexto a proposta de usar a bomba de calor para aquecimento da
111. mperatura para aferi o do termopar 8 Termopar 8 n amostra 1 2 3 4 5 6 T de ref 56 0 60 0 64 0 68 0 72 0 76 0 56 9 61 0 65 3 69 4 73 4 77 3 56 9 60 9 65 3 69 3 73 5 TIA 56 9 60 9 65 3 69 4 73 5 77 3 56 9 60 9 65 3 69 4 73 5 77 2 56 9 61 0 65 3 69 4 73 5 77 3 56 9 60 9 65 3 69 4 73 5 77 3 56 9 60 9 65 3 69 3 73 5 77 3 56 9 60 9 65 2 69 4 73 4 77 3 57 0 60 9 65 2 69 4 73 4 TIA 57 0 60 9 65 3 69 4 73 5 77 3 M dia 56 9 60 9 65 3 69 4 73 5 77 3 d padr o 0 042 0 042 0 042 0 042 0 048 0 057 y ax b 0 034 0 129 0 127 0 130 0 122 0 129 Gr fico de corre o da leitura do termopar 8 Termopar 8 y 0 9762x 0 401 R 0 9997 Ra u a uy g Q Kt Es q 5 H m Q a E Q a 64 0 69 0 Temperatuara medida
112. ncia come a a vaporizar temperatura de satura o A gua a uma press o de 1 01325 bar ter a temperatura de satura o igual a 100 C de forma que se a temperatura for maior que 100 C ter se vapor e se for menor que 100 C ter se l quido Press o de satura o a press o na qual se d a condensa o de uma subst ncia pura a uma dada temperatura Assim para o vapor de gua a uma temperatura de 100 C a condensa o come ar quando a press o for de 1 01325 bar e para uma press o acima desse valor ter se l quido para uma press o abaixo desse valor ter se vapor No caso de uma subst ncia que se apresenta em estado l quido temperatura e press o de satura o se a temperatura do l quido menor que a temperatura de satura o para a press o existente o l quido chamado de l quido sub resfriado Por outro lado quando a press o do l quido maior que a press o de satura o para a temperatura dada o l quido chamado de l quido comprimido Na Fig 03 est o representados os v rios estados que uma subst ncia pode apresentar durante um ciclo termodin mico 40 T lt Tsat T Tsat T Tsat l quido l quido saturado vapor mido sub resfriado x 0 O lt x lt 1 P E T supera quecido gas T T Tsat T gt Tsat T gt gt gt gt Tsat vapor saturado vapor g s x 1 superaquecido Figura 03 Estados f sicos de uma subst ncia VENTURINI 2005 Quando coexistem parte
113. o 2001 4 5 milh es de unidades instaladas em resid ncias e 1 5 milh es em pr dios comerciais excluindo a Europa Oriental sendo os pa ses mais representativos em n meros de bombas de calor instaladas Espanha Su cia e Fran a com 500 000 36 000 e 15 000 respectivamente sendo que os quatro pa ses que mais venderam unidades em 2001 foram Su cia ustria Alemanha e Su a com 27 000 4 800 3 600 e 2 800 respectivamente JORDAN 2005 apresenta dados de opera es em laborat rio de uma bomba de calor desenvolvida para gera o simult nea de frio e calor com termo acumula o para uso nos processos de resfriamento de leite e limpeza de equipamentos e ambientes Nessa bomba de calor o acionamento poderia ser atrav s de energia el trica ou biog s motor a combust o dimensionada para atender uma produ o di ria de 1 000 litros de leite em regime de duas ordenhas Foram obtidos valores m dios de coeficientes de desempenho da instala o de resfriamento e de aquecimento de 1 09 e 1 72 respectivamente para o caso de acionamento via energia el trica J no caso de acionamento via combust o biog s os valores encontrados foram da ordem de 0 23 e 0 37 respectivamente Quanto ao tempo de retorno do investimento foi estimado que este se desse em torno de cinco anos quando considerado o acionamento por biog s No Brasil essa tecnologia de vanguarda aos poucos vem sendo implantada trazendo a diversos setores um ganho d
114. o cont nuo e n o intermitente como sucede nos alternativos e por fim aus ncia de v lvulas de admiss o e de descarga o que diminui as perdas melhorando o rendimento volum trico A fabrica o desses compressores exige a utiliza o de materiais especiais e um processo produtivo extremamente automatizado para garantir que os componentes estejam com alto grau de polimento e suas toler ncias dimensionais controladas A complexidade exigida na fabrica o de seus componentes estende se montagem do conjunto eletro mec nico motor e bomba onde cada componente pr selecionado eletronicamente Para o compressor rotativo a toler ncia est em m crons A suc o e a compress o descarga dos compressores rotativos s o feitas ao mesmo tempo Fig 20 Figura 20 Esquema de funcionamento do compressor rotativo Fonte VENTURINI 2005 O compressor rotativo possui dimens o compacta baixo n vel de ru do e comparado com o compressor do tipo alternativo apresenta uma redu o no consumo de energia de at 40 e isso s poss vel gra as sua maior efici ncia volum trica Sua aplica o principalmente em aparelhos de ar condicionado e bombas de calor resulta em menor consumo de energia el trica e consequentemente economia no final do m s para o 85 consumidor Por esta raz o e pela supera o dos entraves tecnol gicos que dificultavam a fabrica o a baixo custo o compressor rotativo vem sendo ca
115. o em que geralmente as pessoas retornam s suas resid ncias ap s o trabalho e usam os chuveiros el tricos acionando os ao mesmo tempo durante o in cio da noite simultaneamente ao acionamento da ilumina o dom stica p blica e comercial Em raz o disso o consumo de energia torna se muito elevado o que leva as concession rias a desestimul lo nesse per odo com o prop sito de evitar um colapso no sistema Por esse motivo o valor da tarifa aplicada aos grandes consumidores muito maior que em hor rios fora de ponta per odos esses em que o consumo de energia el trica tem um n vel aceit vel e dificilmente gerariam um colapso no sistema Isso significa que todo o sistema el trico geradores transformadores e linhas de transmiss o est projetado para suportar o curto per odo de pico quando se ligam os chuveiros el tricos Devido principalmente ao grande consumo do chuveiro el trico al m da sobrecarga do sistema no hor rio de pico as distribuidoras de energia enfrentam tamb m a quest o da inadimpl ncia e os preju zos advindos das instala es el tricas clandestinas 26 Sendo o sistema el trico brasileiro o mais interligado do mundo esse excesso de demanda em curto espa o de tempo torna o muito vulner vel falta de fornecimento vulgarmente conhecido como apag o Em 2001 houve apag o no Brasil devido ao baixo n vel dos reservat rios das usinas hidrel tricas e o consequente racionamen
116. o nu sem aux lio de um instrumento dotado de grande poder de amplia o Assim constatou se que espalhados por todas as partes gua alimentos e organismos vivos microorganismos h em quantidades enormes IFET Bahia 2009 Estudos realizados por cientistas entre eles o c lebre qu mico franc s Louis Pasteur demonstraram que alguns tipos de bact rias s o respons veis pela putrefa o dos alimentos e por muitos tipos de doen as e epidemias Ficou comprovado que a cont nua reprodu o das bact rias podia ser impedida em muitos casos ou pelo menos limitada pela aplica o do frio isto baixando suficientemente a temperatura do ambiente em que as mesmas proliferam Essas conclus es provocaram no s culo XVIII uma grande expans o da ind stria do gelo que at ent o se mostrava incipiente IFET Bahia 2009 At essa descoberta os alimentos eram deixados no seu estado natural estragando se rapidamente A nica maneira de conserv los por maior tempo era submet los a certos tratamentos como a salga o a defuma o ou o uso de condimentos e na maioria dos casos 35 essas t cnicas diminu am a qualidade do alimento e ou modificavam o seu sabor Com a descoberta vislumbrou se a possibilidade de se conservar os alimentos frescos com todas as suas qualidades durante um per odo de tempo maior IFET Bahia 2009 Contudo a depend ncia direta da natureza para a obten o do gelo representava um desafio ao de
117. ologias e de investimentos no setor tanto no fornecimento quanto na demanda A import ncia das medidas governamentais de car ter coletivo n o descarta a participa o de cada indiv duo no processo de mudan a de mentalidade no que diz respeito natureza e aos recursos naturais O homem consciente de que parte da natureza deve eliminar suas a es predat rias e o desperd cio tendo em vista que os recursos naturais que antes lhe pareciam suficientes j d o sinais claros de escassez O aumento da demanda de energia a escassez dos recursos h dricos pr ximos aos locais de grande consumo e o rigor das restri es ambientais para a constru o de grandes usinas hidrel tricas somados ao superdimensionamento do sistema para atender ao hor rio de pico conduzem expans o do sistema el trico por meio da constru o de usinas termel tricas 22 o que al m de encarecer desnecessariamente o custo da energia contribui para o maior problema ambiental da sociedade contempor nea a emiss o de gases de efeito estufa A quest o energ tica tem um significado relevante no contexto ambiental e na busca do desenvolvimento sustent vel representa um desafio para a humanidade uma vez que o suprimento de energia uma das condi es b sicas para o desenvolvimento econ mico entretanto verifica se que nas ltimas d cadas tem provocado desastres ecol gicos ao produzir impactos ambientais em sua cadeia de desenvolvimento desde a
118. onvec o Para uma melhor visualiza o do sistema e para explicar seu princ pio de funcionamento elaborou se um esbo o t cnico Fig 13 com indica o de seus componentes e das varia es de temperaturas ocorridas durante o processo 71 3 Entrada de gua Reservat rio do chuveiro Fonte fria I Fonte fria II gt a 9 9 p t gt pran ol 9 ol 2 f 9 tof Bomba de Circula 1 Abastecimento 3 Condensador I i Evaporador I 54 A Evaporador II Condensador II 4 Compressor Tubo capilar V lvula Solen ide off Sinal de controle de temperatura LEGENDA 1 Fluxo de gua bem abaixo da temperatura ambiente 2 Fluxo de gua em temperatura ambiente ou um pouco abaixo 3 Fluxo de gua em temperatura ambiente 4 Fluxo de gua em temperatura de banho 5 Fluxo de g s baixa press o e temperatura pr xima da ambiente 6 Fluxo de g s baixa press o e temperatura abaixo da ambiente 7 Fluxo de g s alta press o e temperatura pouco acima da ambiente 8 Fluxo de g s alta press o e temperatura muito acima da ambiente 9 Fluxo de calor absorvido pelas caixas d gua SSD gt Menor temperatura Maior temperatura Figura 13 Esbo o t cnico do prot tipo O local disponibilizado para a montagem do prot tipo foi o s t o do laborat rio do pr dio de Engenharia de Energia da Universidade Federal de S o Jo o Del Rei A indica o 12 do local como o mai
119. pelo evaporador 11 80 mm Diferen a de temperatura no evaporador 4 78 Fluxo de calor retirado pelo evaporador 3926 44 Fluxo de gua para banho 3 70 Vmin Diferen a de temperatura no condensador 20 47 Fluxo de calor cedido pelo condensador 5275 83 Pot ncia m dia do sistema compressor mais bomba COP do sistema completo inclui bomba 3 88 Obs A press o medida no ponto 5 assegura que vapor superaquecido Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma n o consome energia na pot ncia m xima MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa es da tabelall MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa es da tabelall TABELA 7 134 Temperatura de entrada da gua pr xima de 22 5 C compressor alternativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o m xima Ponto l 2 3 4 5 6 7 8 Tae CA Tes C Tes C Tae Cl Tre C Tre C Ex C Tere C 16 70 2080 2110 4330 12 80 8 60 26 20 87 70 16 70 20 70 21 00 4350 12 90 8 70 2630 8710 16 80 20 80 2120 4360 1310 8 70 26 50 86 60 16 80 20 70 2120 4370 12 90 8 70 26 70 86 30 16 80 2080 2120 4360 12 80 8 50 26 70 86 00 16 80 2080 2110 4350 1310 8 70 26 70 85 40 16 70 2080 2110 4360 1310 8 70 26 70 85 30 16 70 20 70 2110 4350 12 80 8 60 26 70 85 20 16 70 20 70 2110 4360 1270 8 60 26 70 85 00 16 80 20 70 2110 4350 12 90 8 60 26 50 84 60 16 70 20 70 2120 4370 12 90 8 60 26 50 84 50 16 80 2080 21 00 4370 12 60
120. peratura mais prov vel para o termopar 5 To Temperatura mais prov vel para o termopar 6 T Temperatura mais prov vel para o termopar 7 Ts Temperatura mais prov vel para o termopar 8 Ti Temperatura lida na tela do computador para o termopar 1 Ta Temperatura lida na tela do computador para o termopar 2 Ta Temperatura lida na tela do computador para o termopar 3 Ta Temperatura lida na tela do computador para o termopar 4 Ts Temperatura lida na tela do computador para o termopar 5 To Temperatura lida na tela do computador para o termopar 6 Tn Temperatura lida na tela do computador para o termopar 7 Tg Temperatura lida na tela do computador para o termopar 8 Segundo MOFFAT 1988 os termos na equa o da incerteza menores que 1 3 do maior termo podem ser geralmente desprezados Por essa raz o o erro cometido na leitura das temperaturas de refer ncia foi desprezado Este fato aconteceu para os oito termopares Por 128 isso para as medi es de temperatura considerou se s o valor da incerteza devido aferi o dos term metros de refer ncia e o erro obtido pela aplica o da regress o linear E E 2 3 E E importante salientar que o alto valor de R se deve ao fato da faixa de aferi o ser bem restrita e ter sido repetida in meras vezes 6 10 C lculo do coeficiente de performance Em todo sistema busca se alcan ar o maior benef cio poss vel com o menor gasto Como em uma bomba de calor o objetivo princip
121. pressor herm tico e fabricada pela GE a primeira m quina de refrigera o dom stica A partir de ent o o surgimento das geladeiras dom sticas el tricas capazes de produzir gelo desmantelou o rent vel neg cio de venda de gelo a domic lio IFET Bahia 2009 Curiosamente cumpre citar que em dois anos foram vendidos somente duzentos exemplares de geladeiras e esse fato em compara o com as vendas da Ford empresa criada na mesma poca e que vendeu dois milh es de ve culos demonstra que o mercado de geladeiras demorou a firmar se O fator determinante para o desenvolvimento da ind stria de refrigera o foi a necessidade premente de se diminuir as fun es vitais das bact rias respons veis pelas altera es dos alimentos prolongando se assim o per odo de consumo dos mesmos Os avan os oriundos do emprego dessa tecnologia foram expressivos a ponto de hoje ela ter se 39 tornado imprescind vel vida moderna no uso de condicionamento de ar bombas de calor e produ o de frio em geral inclusive para pesquisas a baixas temperaturas 4 2 Princ pios da Termodin mica 4 2 1 Defini es Segundo VENTURINI 2005 o estado termodin mico de uma dada subst ncia a condi o em que esta se encontra e qualquer mudan a em suas propriedades implica em mudan a de estado do sistema ao qual ela pertence Para uma dada press o aumentando se a temperatura de uma subst ncia pura atinge se um ponto em que a subst
122. prezadas neste tipo de trabalho por serem menores que 0 5 Assim sendo para esse projeto leituras da ordem de 300 s ser o consideradas de erro desprez vel 6 6 Medida de fluxo de massa de gua No desenvolvimento do projeto a medida direta do fluxo de massa de gua algo bem complexo em raz o da varia o do volume espec fico da gua em fun o da temperatura Por esta raz o optou se pela medida do fluxo de gua e sua temperatura fazendo se a convers o em fluxo de massa atrav s do uso de tabelas termodin micas Para medida de volume procedeu se de maneira an loga medida de tempo utilizando se volumes maiores para minimizar os erros Para o c lculo do fluxo de gua do evaporador foi utilizado um tempo de 5 min sendo a gua armazenada e seu volume aferido 113 posteriormente Para tal aferi o foram utilizadas duas provetas de vidro uma de 500 ml e outra de 1000 ml e uma terceira de 20 000 ml esta normalmente usada na aferi o de bombas de gasolina devidamente aferida pelo INMETRO com confiabilidade maior que 0 1 Fig 33 a b c d Figura 33 a Proveta de 500 ml b proveta de 1000 ml c aferidor de volume de 20 litros d detalhes do selo de aferi o A temperatura da gua de alimenta o do chuveiro e da fonte fria foi variada artificialmente para simular diversas condi es de uso A chave seletora de quatro posi es mostrada na Fig 14 c foi o mecanismo utilizado para ajust
123. quipamento o que o tornar ainda mais atrativo em compara o aos tradicionais chuveiros el tricos Al m disso o aproveitamento do reservat rio de gua j existente no im vel reduzir o custo e consequentemente o tempo de retorno do investimento Por fim a facilidade de instala o da bomba de calor a economia de energia el trica propiciada e a libera o das centrais geradoras e linhas de transmiss o e distribui o principalmente no hor rio de pico para usos mais nobres s o fatores que avalizam a implanta o desse novo sistema Destarte por todas as considera es explanadas a viabilidade financeira do projeto plaus vel inclusive superando as expectativas iniciais quanto aos custos da montagem 8 CONCLUS O Os resultados obtidos com o prot tipo representam significativas perspectivas para o consumidor final e para a matriz el trica do pa s Em compara o a um chuveiro el trico com pot ncia similar o sistema apresenta consumo de at 25 da energia gasta pelo chuveiro el trico Assim o rendimento apresentado pelo prot tipo 75 do calor entregue gua de banho prov m da fonte fria implica em efetiva economia de energia independentemente das condi es clim ticas Ressalte se que o equipamento satisfaz plenamente s necessidades do usu rio mantendo o mesmo conforto propiciado pelo chuveiro convencional tanto com rela o vaz o de gua para o banho quando aos cinco n ve
124. r correspondendo a 25 da pot ncia m xima e A terceira com as v lvulas abertas durante 10s e fechadas durante 20s correspondendo a 50 da pot ncia m xima e A quarta com as v lvulas abertas durante 20s e fechadas durante 10s correspondendo a 75 da pot ncia m xima e 107 e A quinta com as v lvulas abertas durante todo o tempo correspondendo pot ncia m xima O circuito respons vel pelo controle on off da v lvula foi montado usando se um circuito integrado de uso comum do tipo 555 funcionando como temporizador com base de tempo ajust vel atrav s de circuito RC 5 11 Bomba de circula o Para se retirar calor da fonte fria necess rio que a gua circule atrav s do evaporador Em um processo de convec o natural o fluxo de gua seria muito pequeno e consequentemente o tamanho do evaporador seria enorme onerando sobremaneira o custo do projeto e reduzindo a efici ncia Para solucionar o problema introduziu se uma bomba de circula o de baixa pot ncia Fig 31 usada em equipamentos dom sticos e por isto de f cil aquisi o e baixo custo capaz de circular 12 l min com uma pot ncia de 36 W gt r A ua Cas N ah t aa Figura 31 Detalhes da b am Ee Bs o x omba de circula o de gua da fonte fria E A 108 A gua extra da da fonte fria circula pelo evaporador e retorna fonte fria E importante salientar que a bomba acionada conjuntamente com o
125. r ncia de calor por convec o executado atrav s da movimenta o de um fluido devido varia o de sua massa espec fica ao se aquecer ou ao seu movimento for ado que atua como elemento transportador de energia t rmica transferindo a normalmente de uma superf cie para outra A convec o intensamente influenciada pelas caracter sticas do escoamento do fluido tais como perfil de velocidades e turbul ncia Os problemas tradicionais envolvendo convec o consistem em definir um coeficiente de transfer ncia de calor por convec o ou somente coeficiente de convec o de tal forma que se tenha a seguinte equa o O GAAT 13 Em que Q fluxo de calor O coeficiente de convec o A rea normal ao fluxo de calor AT diferen a de temperatura O coeficiente de convec o depende das propriedades do fluido e da configura o do escoamento Esses valores s o facilmente encontrados em tabelas para as situa es e fluidos 51 mais comuns o que reduz o problema aplica o da equa o acima VENTURINI 2005 cita como exemplo o coeficiente de convec o entre o ar e as paredes de uma c mara frigor fica apontando que para o ar externo esse valor pr ximo de 29 0W m K ou 25kcall hm C para o ar interno varia entre 8 15 e 17 45W m K ou 7 a 15 kcall hm 0 dependendo da movimenta o do ar 4 2 6 3 Transfer ncia de calor por radia o Todo corpo acima de zero Kelvin emite
126. r o fluxo de gua suficiente para haver troca de calor a gua vem da fonte fria impulsionada por uma bomba capaz de deslocar 12 l min a seguir a gua entra no evaporador e retorna para a fonte fria Pelo mesmo motivo j exposto quando da descri o do condensador tamb m foram utilizadas curvas na confec o do evaporador As figuras 26 e 27 mostram o evaporador montado no local de trabalho No detalhe da figura 26 nota se que a gua entra no ponto 2 e sai no ponto 1 enquanto o refrigerante entra no ponto 6 e sai no ponto 5 102 Para melhorar a rea de troca e produzir turbul ncia na regi o por onde a gua flui a solu o encontrada foi soldar arame de cobre ao redor do tubo de 3 8 em forma de espiral Esse procedimento associado ao uso das curvas PVC apesar de simples resultou em grande aumento na efici ncia do trocador Figura 26 Detalhes dos pontos de entrada e sa da de gua e do refrigerante no evaporador a b Figura 27 a e b Detalhes da instala o do evaporador Da mesma forma que ocorreu com o condensador houve a dificuldade de encontrar no mercado o evaporador ideal para o projeto Assim sendo para o c lculo do comprimento do evaporador procedeu se de forma an loga ao condensador buscando se o comprimento de um similar industrial e 103 desenvolvendo o prot tipo at alcan ar o rendimento esperado e com baixo custo consulte Tabela 12 Ap s v rios testes o evaporador
127. ra o muito vantajoso que haja perdas de calor atrav s do compressor uma vez que o objetivo a retirada de calor de um meio e sua dissipa o para o meio ambiente Por m numa bomba de calor como no caso em estudo o interesse maior a transfer ncia de calor para a fonte quente Assim sendo necess rio que seja feito o isolamento entre o compressor e o meio para evitar perdas No projeto o compressor alternativo foi isolado com madeira material barato e eficiente Fig 19a O capacitor de partida e o capacitor adicionado para corre o do fator de pot ncia foram colocados do lado externo para evitar danos em virtude do aquecimento Na Fig 19b o conjunto j instalado visualizando se no ponto 8 a sa da de refrigerante e no ponto 4 a sa da de gua quente para o crivo a b Figura 19 a Compressor isolado com madeira antes da instala o b conjunto instalado 83 5 3 2 O compressor rotativo Os compressores rotativos s o usados em modernos aparelhos condicionadores de ar e bombas de calor O sistema rotativo composto por um rolete que gira em movimento exc ntrico dentro de um cilindro formando duas c maras suc o e descarga separadas por uma palheta A suc o e a compress o do fluido refrigerante ocorrem ao mesmo tempo e de forma cont nua proporcionando melhor desempenho e menor n vel de ru do e vibra o Diferentemente dos alternativos a carca a dos compressores rotativos suporta o g
128. ra as condi es extremas do projeto na entrada do compressor a temperatura m xima dever ser 10 C e a press o 550 KPa e na sa da do compressor a temperatura dever ser de 78 C e press o de 1800 KPa Dessa forma o fluxo de massa de refrigerante para pot ncia m xima e condi es extremas ser 1 330 J fm J ao sai hon 65 Sendo hsai 291 49 KJ Kg hent 256 49KJ Kg Logo 1 330 291 49 256 49 fm 38 g s 66 5 6 Dimensionamento das tubula es Quando um fluido passa num tubo h uma perda de press o devido ao atrito entre o fluido e a parede do tubo Essa perda de press o n o pode ser evitada mas o seu efeito pode ser reduzido bastando dimensionar devidamente o tubo Quanto maior a massa do fluido a passar num dado tubo maior ser a sua velocidade e portanto maior a sua perda de press o Al m disso quanto maior o comprimento de um tubo maior ser a queda de press o Assim como regra geral para uma dada capacidade os tubos compridos devem ter um di metro superior ao dos tubos curtos 90 Para determinar o di metro das tubula es usadas no projeto o crit rio utilizado foi o valor comercial adequado mais pr ximo do valor calculado Assim sendo como as press es utilizadas no projeto s o inferiores a 3 000 KPa a op o foi pela utiliza o de tubos de cobre com parede de 0 079 mm uma vez que resistem bem a esses valores de press o e s o de baixo custo 5 6 1
129. ra cesa tes aon contassa as seo pcedase L05 5 11 Bomba de circula o e sseessooesoosssoesssesssesssoossoosssossssesssesssocssoosssossssesssesssoosssossssssssssssess L07 5 12 Reservat rio do chuveiro sooesssssssosooeosessssosooeossssssosoooosessssssosooesssssssssoseossssssssoess LOS 6 METODOLOGIA DE COLETA DE DADOS PARA AN LISE ceceeeeeeeeeeeses 109 6 1 C lculo das incertezas o sssssssosooesssssssosooeossssssosooeosessssssosoosessssssosoossssssssssossossssssssoseos 109 6 2 Erros sistem ticos s sosoossssssssosooeossssssosooeosossssososeossssssssosoosessssssosoosossssssssoosossssssssoseos 109 18 6 3 Erros aleat rioS essesseessesocsscesoescosscescecoossccsceccoesocssecccesocsseesoesocsscesoesocsseesoesocsseessesosssees 109 6 4 Propaga o de erros ssesssesssoeesoossoossssesssesssosssoossoossosesssesssoessoosssossssssssesssosssoossssssssssssess II 6 5 Medida de tempo sissssessssssissisissssssssstesssssisessssos visste is sove escobar rsss sososs ostasi sosisini LIZ 6 6 Medida de fluxo de massa de gua essesseessescoesocsseccoesocsseccoesocsscesoesocsseesoesocsseessesosssees L12 6 7 Medida de press o siiucatoraseiiasasii cada dada cereal rala dicas ii eds eita ini a i ti ds LA 6 8 Medida de energia el trica sesscsscessesccssccscescosscessesccesccsseccoesocsseesoesocsseesoesocsseessesoessees IS 6 9 Medida de temperatura sssosesssoocsssooesesooccssos
130. ra e circula no condensador retirando calor do refrigerante e condensando o e sai no ponto 4 em temperatura ideal de banho O refrigerante R22 entra no condensador como vapor superaquecido no ponto 8 e sai como l quido saturado ou com pequeno t tulo no ponto 7 ap s perder calor para a gua A gua da fonte fria no ponto 2 entra na bomba de circula o 74 e em seguida no evaporador perde calor para o refrigerante e sai com temperatura inferior no ponto 1 retornando para a fonte fria Ap s sair do condensador o refrigerante entra no dispositivo de expans o que composto por um tubo capilar e uma v lvula solen ide de controle de fluxo e em seguida entra no evaporador no ponto 6 como l quido saturado e sai como vapor superaquecido baixa press o no ponto 5 ap s retirar calor da fonte fria retornando assim para o compressor O ponto 9 indica a absor o de calor do meio pela fonte fria Feitas tais considera es iniciais uma descri o t cnica de cada componente do sistema se imp e bem como a an lise dos resultados obtidos 5 2 A fonte fria O calor usado para aquecer a gua de banho a soma do calor retirado da fonte fria mais o calor gerado no compressor Assim sendo a fonte fria deve ser calculada para suprir a demanda de calor nas condi es mais desfavor veis para o sistema ou seja quando a temperatura do ambiente e da gua de alimenta o forem as mais baixas admitidas para o projeto Os par
131. raram no neg cio do com rcio de gelo e come aram a traz lo de outras localidades Dados hist ricos revelam que 156 mil toneladas de gelo foram embarcadas em Boston em 1854 As 36 casas de gelo costumeiramente faziam uso de serragem como isolante t rmico e muitas tinham paredes de at um metro de espessura IFET Bahia 2009 Engenheiros e pesquisadores se voltaram para a busca de meios e processos que permitissem a obten o artificial de gelo liberando o homem da depend ncia da natureza Segundo BERNIER 1981 citado por JORDAN 2005 em 1834 foi inventado nos Estados Unidos o primeiro sistema mec nico de fabrica o de gelo artificial usando compress o Esse sistema funcionava por meio de l quido vol til e usava todas as caracter sticas hoje utilizadas em refrigera o constituindo portanto a base precursora dos atuais sistemas de compress o frigor fica Os aperfei oamentos nos processos de fabrica o de gelo artificial foram se acumulando surgindo sistematicamente melhorias nos sistemas com maiores rendimentos e melhores condi es de trabalho Entretanto durante cerca de meio s culo a produ o propriamente dita fez poucos progressos em consequ ncia da cren a geral de que o gelo artificial era prejudicial sa de humana o que tornava o seu consumo relativamente pequeno IFET Bahia 2009 Em 1890 a pr pria natureza encarregou se de dar fim a tal situa o os Estados Unidos eram na poca um dos ma
132. ria das cidades brasileiras baseada no chuveiro el trico equipamento de baixo custo inicial mas de grande consumo de energia ao longo de sua vida til o que representa importantes demandas de capital para o setor el trico a altos custos ambientais e sociais Tomar banho quente um h bito da maioria das fam lias brasileiras e o baixo custo dos chuveiros el tricos permitiu sua utiliza o at mesmo nas casas das fam lias mais humildes sendo certo que esse o eletrodom stico que mais contribui para o consumo de energia el trica nas resid ncias Presente em 73 1 das resid ncias do Brasil o chuveiro ainda o respons vel pela maior fatia do consumo de energia de uma casa 23 9 PROCEL 2007 Segundo MELO 2003 chuveiros e aquecedores de acumula o el tricos representam cerca de 8 do consumo brasileiro de energia el trica Dados do PROCEL 2007 revelam que o chuveiro el trico respons vel por grande parte da carga do sistema nas horas de pico de consumo de eletricidade como pode ser observado no gr fico da Fig 1 25 demanda CHUVEIROS O PROBLEMA 0 6 12 18 24 horas do dia Figura 01 Gr fico da curva de demanda de eletricidade no Brasil PROCEL 2007 O hor rio de pico o compreendido por tr s horas consecutivas de todos os dias exceto s bados domingos e feriados nacionais Essas tr s horas s o das 18h s 21h no hor rio normal e das 19h s 22h no hor rio de ver o Esse o per od
133. rrompido no Paraguai por cerca de trinta minutos entre 21hl3mim e 21h43min hor rio local devido ao desligamento de Itaipu Not cias UOL 11 11 2009 27 A falta de energia causou preju zos para as empresas estatais que administram o saneamento b sico na Regi o Sudeste Com as m quinas sendo ligadas e desligadas as altera es na circula o de gua produziram mudan as bruscas de press o e ressecamento nos mecanismos obrigando os t cnicos das companhias a enfrentar turnos inesperados de reparo dos danos e manuten o das tubula es No total cerca de 8 5 milh es de habitantes dessa regi o foram afetados De acordo com lista divulgada pelo ONS Operador Nacional do Sistema El trico oficialmente os Estados atingidos pelo apag o foram S o Paulo Mato Grosso do Sul Rio de Janeiro e Esp rito Santo e parcialmente os Estados de Minas Gerais Mato Grosso Goi s Rio Grande do Sul Santa Catarina Paran Acre Rond nia Bahia Sergipe Para ba Alagoas Pernambuco e Rio Grande do Norte Apesar de n o se encontrar na lista oficial o Distrito Federal tamb m relatou falta de energia Not cias UOL 11 11 2009 As causas desse apag o ainda s o controversas O Governo insiste em fatores clim ticos que teriam afetado linhas de transmiss o Houve uma condi o meteorol gica adversa com ventos e chuvas de grande intensidade concentradas na regi o que recebe os circuitos de transmiss o da energia da Usina
134. rva o da Energia aumento da redu o das perdas nas transforma es energ ticas e combate ao desperd cio de recursos naturais pelos consumidores e Substitui o de Combust veis g s natural lcool e biodiesel que s o menos poluentes e e Uso de Fontes Energ ticas Renov veis energia c lica energia solar energia das ondas do mar e c lulas combust veis A CEMIG 2008 estima que o potencial de conserva o de energia em todos os setores seja da ordem de 18 Segundo a ELETROPAULO 2008 o desperd cio de energia em pr dios comerciais pode chegar a 15 O CONPET 2008 tem como objetivo obter um ganho de efici ncia energ tica de 25 no uso dos derivados de petr leo e do g s natural nos pr ximos vinte anos Segundo BALDASSIN 2006 a atua o do PROCEL tem por prioridade a redu o nas perdas t cnicas das concession rias a racionaliza o do uso de energia el trica e o aumento da efici ncia energ tica de equipamentos el tricos Como meta de redu o das perdas t cnicas na transmiss o e distribui o das concession rias tem se um valor pr ximo a 10 quanto ao aumento da efici ncia energ tica dos aparelhos el tricos almeja se um 29 aumento m dio de 10 no desempenho destes No que se refere racionaliza o do uso de energia nos diversos setores consumidores estima se um desperd cio de 14 do total de energia consumido pelo Setor Comercial No Setor de Saneamento B sico espera se que
135. s adequado deveu se ao fato de tratar se de uma constru o em alvenaria coberta com laje e telhado colonial permitindo acesso e visita o de forma f cil O prot tipo foi montado na laje exatamente em cima do banheiro masculino do laborat rio local onde foi instalado o crivo utilizado no experimento Na Fig 14 foto do conjunto antes da montagem sem a inclus o do sistema de controle de temperatura e Fig 15 foto do conjunto completo instalado Figura 15 Prot tipo montado no local escolhido 13 Para maior comodidade do usu rio utilizou se o crivo de um chuveiro usado do qual foi retirada a resist ncia aproveitando se o mecanismo autom tico de acionamento para ligar e desligar o prot tipo e assim garantir que ao se abrir o registro o sistema entre em funcionamento de maneira an loga a um chuveiro convencional A cavidade onde a resist ncia se encontrava foi preenchida com material de baixa densidade com a finalidade de diminuir a quantidade de gua ali armazenada e assim garantir um in cio de aquecimento mais r pido Ao se abrir o registro o sistema entra imediatamente em opera o com o fechamento do circuito el trico atrav s do diafragma presente dentro do crivo de forma an loga a um chuveiro el trico convencional a b Figura 16 a e b crivo e bot o de controle de temperatura instalados no banheiro No ponto 3 da figural3 em temperatura ambiente a gua do reservat rio do chuveiro ent
136. s de descarga de alta press o O g s de suc o puxado diretamente para dentro do cilindro do corpo sendo comprimido e ent o descarregado na carca a do compressor Assim o fluido refrigerante em alta press o e alta temperatura torna a carca a do compressor rotativo mais quente em rela o s do tipo alternativo Outra caracter stica dos compressores rotativos o baixo consumo de energia resultante da combina o dos seguintes fatores e A maneira cont nua e simult nea com que acontece a suc o e a compress o do fluido refrigerante no sistema de bombeamento faz com que a carga aplicada ao eixo da bomba seja mais uniforme exigindo menos do motor el trico e O rigoroso crit rio de acasalamento das pe as minimizando todas as folgas propicia uma perfeita montagem dos componentes mec nicos sem haver perdas nos ciclos de compress o e suc o e e O processo de suc o d se diretamente na c mara de compress o evitando que o g s troque calor com os demais componentes internos o que geraria perdas no rendimento 84 Nos compressores rotativos os gases s o comprimidos por elementos girat rios Vislumbram se outras particularidades nestes tipos de compressores menores perdas mec nicas por atrito pois eles dispensam um maior n mero de pe as m veis menor contamina o de g s com leo lubrificante aus ncia de rea es vari veis sobre as funda es que provocam vibra es compress o feita de mod
137. s semelhantes e utilizou se o comprimento encontrado 2 10 m como refer ncia para a constru o do prot tipo Ap s v rios testes e aperfei oamentos finalmente o prot tipo foi montado com um condensador de 2 5 m de comprimento cujo rendimento conforme se demonstrar atendeu 101 s especifica es do projeto mesmo nas condi es extremas estabelecidas com custo baixo conforme pode ser visto na Tabela 12 5 8 O Evaporador O evaporador de uma bomba de calor deve retirar calor da fonte fria para promover a mudan a de estado do refrigerante do estado l quido at o estado de vapor superaquecido No projeto em condi es extremas o evaporador deve retirar 3990 J s da gua circulante e fornecer essa energia ao refrigerante De maneira an loga ao condensador o evaporador desse projeto foi constru do com tubos duplos sendo que o tubo externo por onde circula a gua de PVC do tipo cola e o tubo interno de cobre ademais tamb m foi adotado o sistema de contracorrente e dois trocadores de calor em paralelo Como a press o no evaporador menor que no condensador utilizou se tubo sem achatamento e de bitola maior com a finalidade de adequar a velocidade do fluxo de refrigerante de forma que a velocidade seja inferior a 14 m s Por ser o tubo interno de di metro maior e o fluxo de gua tamb m maior foi adotado um tubo de cobre por trocador uma vez que a pot ncia menor que no evaporador Para se assegura
138. s term metros fornecido pelo fabricante que de 0 05 C Logo a temperatura mais prov vel lida pelos termopares pode ser escrita pela equa o abaixo T 0 05 C a T b 4AT 102 Tr a TI b ATl 0 05 C 103 Em que T Temperatura de refer ncia T Temperatura lida pelo termopar AT Incerteza na leitura de T A Tabela 3 apresenta o resultado para os oito termopares Tabela 3 Equa es de corre o para a leitura dos termopares 127 Termopar Equa o da reta Equa o de corre o R 1 Tr 1 0033 T 0 338 0 047 C T 1 0033T11 0 338 0 097 C 0 9999 2 Tr 0 98826T2 1 52 0 049 C T 0 98826T gt 1 297 0 0999 C 1 0 3 Tr 0 998 T3 1 52 0 049 C Ta 0 998T3 1 52 0 099 C 0 9999 4 Tr 0 9768 T4 2 131 0 047 C T4 0 9768 Ty 2 131 0 097 C 1 0 5 Tr 0 9838 Ts5 0 338 0 049 C T5 0 9838 Ts 0 1132 0 099 C 0 9998 6 Tr 0 9808 T 0 338 0 131 C To 0 9808 T 0 3114 0 181 C 0 9999 7 Tr 1 003T71 0 33 1 0 076 C T 1 003 T71 0 33 10 126 C 0 9999 8 Tr 0 9762Tg 0 401 0 130 C T 0 9762 Tg 0 401 0 180 C 0 9997 Em que Tr valor corrigido sem levar em considera o o erro dos term metros utilizados como refer ncia T Temperatura mais prov vel para o termopar 1 T Temperatura mais prov vel para o termopar 2 T Temperatura mais prov vel para o termopar 3 T4 Temperatura mais prov vel para o termopar 4 Ts Tem
139. senvolvimento da refrigera o j que o gelo s se formava no inverno e nas regi es de clima bastante frio No s culo XVIII o gelo estava dispon vel apenas para os ricos e poderosos Seu fornecimento era bastante irregular e em se tratando de pa ses mais quentes era sujeito a um transporte demorado no qual a maior parte se perdia por derretimento especialmente porque os meios de conserv lo durante o translado eram deficientes Mesmo nas regi es frias a estocagem do gelo era bastante dif cil s podendo ser feita por per odos relativamente curtos devido defici ncia de isola o IFET Bahia 2009 Em 1806 em Nova York um homem chamado Frederick Tudor deu in cio a um neg cio no qual blocos de gelo eram retirados do rio Hudson e mananciais pr ximos e vendidos grande parte da popula o por um pre o bem acess vel Tudor eventualmente despachava gelo para locais ao redor do mundo e sua primeira empreitada foi um carregamento de 130 toneladas para o porto de St Pierre na ilha da Martinique na regi o do Caribe O gelo era desconhecido por l e n o havia instala es para armazen lo A empreitada poderia ter sido um desastre caso Tudor n o tivesse se associado a um propriet rio local do setor de alimentos com o qual produziu e comercializou sorvetes Um intenso movimento de cargas de gelo foi mantido para os estados do sul dos Estados Unidos at ser suspenso pela Guerra Civil Americana Diversos empres rios ent
140. to com redu o no fornecimento de 20 entre junho de 2001 at 2002 A baixa no volume dos reservat rios das usinas hidrel tricas impossibilitou o sistema de disponibilizar a quantidade de energia demandada Isso levou as distribuidoras de energia a procurarem intensamente alternativas para diminuir o consumo Adotada a pol tica de racionamento o chuveiro el trico teve sua utiliza o diminu da para 22 9 consider vel redu o para o sistema el trico brasileiro como um todo PROCEL 2007 Em dezembro de 2009 ocorreu outro apag o que abrangeu v rios Estados brasileiros O Minist rio de Minas e Energia confirmou que dezoito Estados brasileiros foram afetados pelo apag o que atingiu o pa s entre a noite de 10 12 2009 e a madrugada de 11 12 2009 A pane atingiu inclusive o Paraguai que teve o fornecimento de energia interrompido A hip tese mais prov vel que tenha havido algum acidente que afetou um ou mais pontos do sistema de transmiss o inclusive o de Furnas respons vel por levar a energia de Itaipu para as Regi es Sul e Sudeste e que esse acidente desencadeou outros em efeito domin Imediatamente ap s o apag o a Usina de Itaipu estava com suas m quinas ligadas girando no vazio por m sem possibilidade de transmitir energia pois as linhas de transmiss o que a conectam ao sistema brasileiro estavam desligadas Segundo o jornal paraguaio La Nacion o fornecimento de energia el trica ficou inte
141. tre mol culas adjacentes de um material propicia a transfer ncia de calor por condu o uma vez que a vibra o de uma mol cula transmitida outra sucessivamente A natureza do corpo e sua geometria determinar o a velocidade com a qual esta transfer ncia ir ocorrer para uma dada diferen a de temperatura ou seja pode haver uma maior ou uma menor resist ncia transfer ncia de calor E bom salientar que a 49 transfer ncia de calor diretamente proporcional ao potencial da diferen a de temperatura e inversamente proporcional resist ncia oferecida pelo meio Fig 07 E k jal o Figura 07 Mecanismos de transfer ncia de calor Placas planas a e cilindro b Fonte VENTURINI 2005 E b A forma mais utilizada para correlacionar essas grandezas mediante a Lei de Fourier que geralmente apresentada na forma de equa o para placas planas ou para cilindros Para placas planas a equa o de Fourier dada por AE 11 Em que Q fluxo de calor K condutividade t rmica A rea normal ao fluxo de calor AT diferen a de temperatura Ax espessura da placa Para o caso de sistemas radiais tem se AT m gt 12 r O 27kL 50 Em que Q fluxo de calor K condutividade t rmica L comprimento do cilindro AT diferen a de temperatura r raio interno do cilindro h raio externo do cilindro 4 2 6 2 Transfer ncia de calor por convec o O processo de transfe
142. uido A resist ncia de convec odo fluido B resist ncia el trica resist ncia global de transfer ncia de calor resist ncia de condu o das paredes R Tc Ug as a N resist ncia t rmica entropia temperatura K tempo s diferen a global de temperatura energia interna coeficiente global de transfer ncia de calor refere se diferen a de potencial el trico V velocidade m s volume espec fico m kg trabalho W espessura m t tulo de uma subst ncia cota eleva o S mbolos Gregos ad A coeficiente de convec o constante de Stefan Boltzman diferen a intervalo massa espec fica Kg m Indices inferiores Ae As Be Bs ml refere se entrada do fluido A refere se sa da do fluido A refere se entrada do fluido B refere se sa da do fluido B cin tica refere se entrada refere se fase l quida refere se m dia logarit mica potencial 14 sat ve refere se sa da refere se satura o total refere se fase de vapor refere se ao volume de controle 15 SUM RIO LINTRODU O cus estro a SNE EA 19 2 A QUEST O ENERG TICA E AMBIENTAL eceereemeeneerseersermeemeenerneereerseensernsess 21 3 O IMPACTO DO USO DO CHUVEIRO EL TRICO NA MATRIZ ENERG TICA BRASILEIRA nna ias ereta ER DT pa RRR UN 24 4 REFRIGERA O E BOMBA DE CALOR ecceeeneenenseeeeneeneaseneerenseneesensensesenses 33 4 1
143. uidos halogenados que valores maiores somente s o toler veis em linhas muito longas e que a velocidade do g s outro fator a ser considerado no dimensionamento de linhas de suc o Constatou que praticamente a velocidade m nima necess ria para mover leo em linhas horizontais de suc o de 2 5m s e que quando a linha de suc o vertical com o fluido subindo s o necess rias velocidades maiores para transportar o leo Afirma ademais que a velocidade m nima em linhas verticais de suc o com fluxo ascendente de 5 0 m s e que a considera o final do dimensionamento de linhas de suc o a velocidade m xima que deve estar abaixo dos 16m s quando se pretende eliminar o ru do excessivo 5 6 1 1 Calculo da rea da tubula o de suc o Uma velocidade muito baixa ocasiona um tempo longo de circula o do g s o que acarreta demora no aquecimento inicial da gua para banho provocando um desperd cio de gua Assim utilizou se a velocidade de 14m s abaixo do limite m ximo recomendado mas suficiente para aquecer rapidamente a gua e obter economia na tubula o de cobre Logo V V A 67 V f v 68 A VIV 69 Em que V vaz o V velocidade A rea Ve volume espec fico 92 fluxo de massa em kg s Sendo o volume espec fico do refrigerante na entrada do compressor para 550 kPa e 10 C Ve 44 768 Kg Tem se para um fluxo de massa fn 38 g s 44 768 1 kg
144. uma eleva o de press o no condensador para que ocorra a rejei o de calor e a condensa o do fluido refrigerante Ap s sair do condensador j no estado l quido o fluido refrigerante passa pela v lvula de expans o que tem por objetivo reduzir a sua press o para a condi o de evapora o fechando assim o ciclo Dep sito de calor E Evaporador Qi Fonte de calor Fluido Refrigerante Valvula de Compressor expans o Figura 11 Esquema de funcionamento de uma bomba de calor 60 O consumo de energia da bomba de calor se d no compressor pelo trabalho de compress o do fluido refrigerante sendo este tanto maior quanto maior a diferen a entre as temperaturas de evapora o e condensa o O calor gerado pela bomba de calor que o calor cedido no condensador a soma do trabalho de compress o mais o calor retirado no evaporador da fonte baixa temperatura Da o diferencial da bomba de calor perante outras tecnologias de aquecimento como por exemplo as resist ncias el tricas onde a energia el trica convertida diretamente em calor Todo sistema de refrigera o tamb m uma bomba de calor por operar sob o mesmo princ pio ASHRAE 1996 No entanto a designa o se um determinado equipamento frigor fico uma bomba de calor ou equipamento de refrigera o conceitual e vai depender da aplica o Caso o efeito til seja a retirada de calor para resfriamento a des
145. ura que vapor superaquecido 132 Terc C 105 7 105 9 106 1 106 2 106 4 106 4 106 1 106 7 106 4 106 7 106 5 106 6 107 2 106 38 104 25 kg s C kg s C Por ser a v lvula solen ide do tipo normalmente aberta a mesma n o consome energia na pot ncia m xima MSC M dia das temperaturas sem corre es com equa ers da tabela 11 MC M dia das temperaturas j corrigidas com equa ers da tabelall TABELA 6 Temperatura de entrada da gua pr xima de 20 C compressor rotativo Ponto de leituras conforme figuras 13 14 24 25 27 30 Valores para pot ncia ajustada para posi o m xima 6 00 Te C Tee C Ta C E CI Re C Tere C Tal Tal Ponto 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 133 7 00 8 00 18 7 112 0 18 4 112 2 18 6 112 4 18 6 112 6 18 4 112 8 18 4 112 9 18 6 113 0 18 4 113 3 18 6 113 5 18 6 113 5 18 7 113 6 18 7 113 7 18 7 114 0 18 57 113 04 18 96 110 75 0 20 kgs 0 20 C 161 13 W 0 06 kgs 0 20 C 50 52 W 1360 00 W 0 04 14 7 18 1 18 3 38 8 11 7 4 5 14 7 18 2 18 1 38 8 11 8 4 4 14 6 18 3 18 0 38 9 11 8 4 4 14 7 18 4 18 0 38 9 12 1 4 6 14 5 18 6 18 1 38 9 12 4 4 8 14 7 18 8 18 1 38 9 12 6 4 8 14 8 18 9 18 1 38 8 12 8 4 9 14 8 18 8 18 1 38 8 13 1 4 8 14 8 19 1 18 3 39 0 13 3 4 9 14 9 18 9 18 3 39 1 13 4 4 8 14 9 18 8 18 4 39 1 13 5 5 0 14 8 18 7 18 4 39 0 13 5 4 9 14 9 18 4 18 4 39 0 13 4 4 9 MSC 14 75 18 62 1820 38 92 12 72 4 15 MC 15 14 19 92 19 68 40 15 12 85 4 99 Fluxo de gua
146. utiliza o dos recursos naturais at seu uso final pelos consumidores Assim a produ o de energia tem gerado problemas ambientais dentre os quais se destacam e A chuva cida causada pela polui o atmosf rica com a emiss o do di xido de enxofre e os xidos de nitrog nio que combinados com a gua concentram cido sulf rico H2S0434 e cido n trico HNO3 na chuva Ao entrarem em contato com o solo esses cidos t m um efeito devastador na vegeta o e no ecossistema sendo o uso do carv o mineral um dos maiores causadores desse fen meno considerada chuva cida a que se apresenta com pH menor que 5 6 mas importante real ar que esse tipo de polui o n o contempor neo pois h cerca de 100 anos na Inglaterra a chuva cida foi constatada em regi es densamente povoadas em particular nas proximidades de centrais de queima de carv o mineral e O efeito estufa fen meno causado pelo consumo excessivo de combust veis f sseis e pelo desmatamento O di xido de carbono CO2 o principal agente causador do efeito estufa em fun o da quantidade emitida atualmente na atmosfera e por sua longa dura o Outros gases estufa s o o metano o xido nitroso e os fluorcarbonetos utilizados pela ind stria da refrigera o A principal consequ ncia do efeito estufa devido ao aquecimento global a eleva o do n vel do mar 23 ocasionado pelo degelo das calotas polares e geleiras no alto de montan

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