DESENVOLVIMENTO DE UMA BOMBA DE CALOR ÁGUA ?· desenvolvimento de uma bomba de calor Água-Água acionada…

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  • DESENVOLVIMENTO DE UMA BOMBA DE CALOR GUA-GUA ACIONADA A BIOGS PARA UTILIZAO EM PROCESSOS DE

    AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO EM LATICNIOS VISANDO A RACIONALIZAO DE ENERGIA NO NVEL DE PRODUO LEITEIRA

    Rodrigo Aparecido Jordan, Lus Augusto Barbosa Cortez Faculdade de Engenharia Agrcola, Universidade Estadual de Campinas

    CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (019) 3788-1007 fax: (019) 3788-1010

    Lincoln de Camargo Neves Filho Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas

    CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (019) 3788-4025

    Jorge de Lucas Jr. Faculdade de Cincias Agrrias e Veterinrias, UNESP

    Jaboticabal-SP, tel: (016) 3209-2637

    indstriais em pases mais desenvolvidos. So equipamentos muito eficientes, podendo gerar um efeito 3 a 5 vezes superior a energia eltrica utilizada. Este projeto busca o desenvolvimento de uma bomba de calor tipo gua-gua acionada com biogs, proveniente da digesto anaerbia de esterco bovino, para resfriamento de leite e, aquecimento de gua utilizada na limpeza e desinfeco de equipamentos e instalaes de ordenha, visando a eficientizao do uso da energia eltrica no nvel de propriedade leiteira.

    Pela grande disponibilidade de

    RESUMO

    grande o desperdcio na utilizao da energia. Um fator que contribui sensivelmente para aumentar este problema est relacionado com o uso direto da eletricidade para aquecimento de gua em processos. Em grande parte da agroindstria leiteira, o problema se repete, na maioria dos casos, em se tratando de pequenas unidades, a forma utilizada para "produzir" calor atravs da utilizao de tanques providos de resistncias eltricas chamados de "boilers". Este procedimento faz os custos de processamento e o desperdcio de energia aumentarem, pois, os equipamentos que utilizam corrente eltrica diretamente para aquecimento de gua possuem uma eficincia exergtica muito baixa. A questo ento se volta para o desenvolvimento de um equipamento que utilize racionalmente a energia eltrica. Pouco conhecidas no Brasil, as bombas de calor so empregadas no aquecimento de residncias e processos

    ABSTRACT

    It is big the waste in the use of the energy. A factor that contributes sensibly to increase this problem is related with the direct use of the electricity for heating of water in processes. In a large part of the industry milkmaid, the problem he/she repeats, in most of the cases, if being about small units, the form used " to produce " heat is through the use of called provided tanks of eletric resisten

  • resistances of " boilers ". This procedure makes the processing costs and the waste of energy they increase, therefore, the equipments that use electric current directly for heating of water they possess an efficiency very low exergetic. The subject then goes back to the development of an equipment that uses the electric energy rationally. Not very known in Brazil, the bombs of heat are used in the heating of residences and industrial processes in developed countries. They are very efficient equipments, could generate an effect 3 to 5 times superior the used electric energy. This project search the development of a bomb of heat type water-water worked with biogs, coming of the digestion without air of bovine manure, for cooling of milk and heating of water used in the cleaning and disinfection of equipments and facilities of it milks, seeking the efficiency of the use of the electric energy in property milkmaid's level.

    INTRODUO

    Aps o processamento do leite, as instalaes e os equipamentos precisam ser limpos e desinfetados com a utilizao de gua quente a uma temperatura em torno de 60 C. Na maioria dos casos, em se tratando de pequenas unidades, a forma utilizada para produzir calor atravs da utilizao de aquecedores eltricos de fluxo contnuo ou tanques providos de resistncias eltricas tambm chamados de boilers, equipamentos de alto consumo que contribuem para o desperdcio de energia eltrica e o aumento da conta paga pelos produtores.

    Neste caso, o aumento da eficincia no uso da energia eltrica pode ser obtido com o desenvolvimento de um nico equipamento que desempenhe a funo do tanque de resfriamento de leite e do aquecedor eltrico. Uma bomba de calor tipo gua-gua que, com o mesmo consumo de energia do equipamento resfriador de leite, aquea tambm, a gua para limpeza dos equipamentos e instalaes.

    Para uma significativa reduo da potncia frigorfica do equipamento, pode ser utilizado no lugar do evaporador tipo expanso direta da bomba de calor, uma serpentina montada num tanque de gua, para termo-acumulao de gelo no lado frio. Assim, a bomba de calor trabalha no intervalo entre cada ordenha acumulando gelo para o resfriamento do leite e gua quente para utilizao na limpeza das instalaes. A gua quente acumulada num reservatrio isotrmico, conectado ao condensador da bomba de calor.

    substrato orgnico nas propriedades leiteiras, proveniente dos animais estabulados possvel ainda, atravs de um biodigestor, realizar o acionamento da bomba de calor com um motor a biogs, havendo a possibilidade da substituio total do uso da energia eltrica por uma fonte de energia disponvel em abundncia e pouco aproveitada.

    Este trabalho, faz parte de um projeto ainda em fase inicial. A apresentao deste no molde em que est, objetiva divulgao do mesmo e a demonstrao do potencial de utilizao das bombas de calor em processos de aquecimento para a economia de energia. Para tanto, sero mostradas as etapas do projeto a serem seguidas, o equipamento que ser montado e, alguns resultados preliminares de simulaes matemticas e testes iniciais com adaptaes simples em um equipamento de refrigerao.

    MATERIAIS E MTODOS

    O projeto ser conduzido nas seguintes

    etapas:

    1) Concepo do projeto. 2) Aquisio das peas e equipamentos. 3) Realizao das adaptaes necessrias aos equipamentos e peas adquiridos. 4) Testes de consumo e potncia com o motor a biogs. 5) Desenvolvimento do sistema de controle e aquisio de dados. 6) Montagem da bomba de calor. 7) Testes operacionais com a bomba de calor em nvel de laboratrio. 8) Testes operacionais com a bomba de calor em nvel de campo. 9) Estudo de caso para uma fazenda de produo de leite.

    dados, um estudo de caso para uma fazenda leiteira com um plantel de 100 animais e 50

    A primeira parte ser realizada na UNICAMP, nas instalaes do Laboratrio de Energia Termodinmica da Faculdade de Engenharia Agrcola - FEAGRI. Esta consistir nas etapas de concepo e montagem da bomba de calor, aquisio das peas, adaptao do motor ciclo Otto para biogs, desenvolvimento dos sistemas de comando e aquisio de dados. Nesta primeira parte sero tambm realizados os testes operacionais em nvel de laboratrio.

    A etapa de concepo do projeto que envolve os clculos para dimensionamento da capacidade da bomba de calor para aquecimento e resfriamento e, a capacidade de cada componente, encontra-se pronta. Necessita

  • Necessitando agora, da aquisio das peas para montagem da bomba de calor e incio do testes. As adaptaes a serem realizadas sero muito simples ou, nenhuma, no caso de alguns componentes desenvolvidos para equipamentos de refrigerao, mas que se adaptam perfeitamente as exigncias deste projeto.

    Os testes operacionais em nvel de laboratrio, sero realizados com o objetivo de obter parmetros para melhores ajustes da bomba de calor, como por exemplo: o consumo de biogs e a adequao do modelo matemtico aos valores reais de produo de gelo e gua quente. Tambm, adequao e testes com o sistema de aquisio de dados, prevendo situaes que podero ocorrer a campo, evitando paradas e perca de experimentos. Os dados colhidos nesta etapa j sero usados nas anlises do equipamento. Nos testes de laboratrio, a alimentao do motor a biogs da bomba de calor ser feita com gs natural veicular, devido semelhana da sua composio com o biogs.

    Nos testes operacionais sero realizadas medidas de presso, temperatura e vazo do fludo frigorfico da bomba de calor na entrada e sada do compressor, evaporador e do condensador; medidas de temperatura,vazoe presso da gua na entrada e sada do condensador; consumo de biogs pelo motor da bomba de calor; espessura de gelo; medidas da temperatura e massa do leite e da gua de resfriamento e, temperatura ambiente para obteno dos parmetros necessrios anlise do processo com base nas Leis da Termodinmica.

    A segunda parte dos testes operacionais, os testes de campo, sero realizados no Campus da UNESP de Jaboticabal, onde sero utilizadas as instalaes de produo de biogs do Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Cincias Agrrias e Veterinrias. Estas instalaes constam de dois biodigestores, um modelo Indiano e outro modelo Chins, um gasmetro e uma estao de purificao e compresso de biogs automotivo. Nesta fase a bomba de calor ser transportada at a instalao de biogs e conectada ao gasmetro.

    matrizes em lactao permanente.

    Dimensionamento da Bomba de Calor A bomba de calor foi dimensionada

    com base em uma fazenda de produo de leite, com uma mdia diria de produo de 20 litros por vaca, com duas ordenhas ao dia, somando uma produo total de 1000 litros de leite. Sendo ordenhados 600 litros pela manh e 400 litros tarde. A primeira ordenha realizada no perodo ds 4:00 s 6:00 horas e a segunda ordenha, ds 16:00 s 18:00 horas. A Figura 1 mostra a curva de carga trmica para resfriamento, representado pelas duas ordenhas.

    Figura1. Carga trmica com os picos das ordenhas.

    A bomba de calor trabalhar no intervalo de 10 horas entre cada ordenha, produzindo gelo e gua quente. Com termo-acumulao de gelo, a capacidade mdia, calculada para a bomba de calor foi de 2,09 kW. Se fosse utilizado um sistema de expanso direta, a capacidade da bomba de calor deveria ser igual carga trmica em cada ordenha, implicando num aumento significativo da potncia e do custo do equipamento.

    O fludo usado no circuito frigorfico da referida bomba ser o R22 (ASHRAE, 1996). Para montagem do prottipo, sero utilizados os seguintes componentes com suas respectivas capacidades: - um motor a gasolina, com potncia de 3 kW,

    adaptado para biogs; - um tanque resfriador de leite com sistema de

    termo-acumulao embutido, para duas ordenhas com capacidade total para 1000 litros de leite;

    Por uma questo de custo e desperdcio, nestes testes, o leite ser substitudo por gua, pois ambos apresentam calores especficos semelhantes. Em testes com tanques refrigeradores de leite utilizado o mesmo procedimento (Portaria N. 18 de 10 de abril de 2001, Regulamento Tcnico para Fabricao, Funcionamento e Ensaios de Tanques Refrigeradores de Leite a Granel).

    - um compressor aberto operando com R22 com capacidade para 3 kW de refrigerao;

    - um evaporador tipo serpentina com capacidade para 3 kW de refrigerao;

    - um tanque isotrmico para gua quente com capacidade para 1000 litros; Aps a finalizao dos testes

    operacionais, ser realizado com base nestes - um trocador de calor a gua para utilizao

  • com R22 , com capacidade de 4 kW; - um tanque de lquido para R22; - uma vlvula de expanso termosttica com

    uma capacidade de 3 kW de refrigerao; - filtro secador, vlvulas, tubulaes de cobre,

    etc. O evaporador ser um acumulador de

    gelo que far parte do tanque refrigerador de leite com sistema de termo-acumulao. Para o mesmo e para o tanque de leite, foi realizado o dimensionamento completo da capacidade e das dimenses fsicas, incluindo simulaes de operao em computador com modelagem matemtica para o processo de congelamento. A modelagem foi feita com base nas equaes que descrevem a formao de gelo e no balano de energia entre a gua, o gelo e o leite.

    O tanque refrigerador de leite e a serpentina (Figuras 2 e 3), foram dimensionados com uma geometria especial, de forma a proporcionar uma maior troca de calor entre o leite e a gua do reservatrio do banco de gelo, aproveitando a conveco natural, evitando-se a utilizao de mais um auxiliar eltrico para agitao da gua e promoo da troca de calor.

    A adaptao do motor ciclo Otto para funcionar com biogs, ser feita atravs da adaptao na entrada do carburador, de uma vlvula que controla a mistura de ar e biogs na admisso.

    A Figura 4 mostra um esquema simplificado do funcionamento geral da bomba de calor a ser montada para o experimento.

    Figura 2. Tanque refrigerador de leite com sistema de termo-acumulao de gelo, em corte.

    Figura 3. Detalhe da montagem da serpentina (evaporador) do tanque refrigerador de leite.

    Figura4. Esquerma de funcionamento da bomba de calor.

  • O refrigerante R22, aps passar pela vlvula de expanso (VE), evapora-se no evaporador tipo serpentina (EV), instalado no tanque refrigerador de leite (TRL). Com a evaporao, o refrigerante retira calor da gua, ocorrendo o sub-resfriamento da mesma e a formao de gelo em torno do evaporador. O compressor (CP) da bomba de calor acionado pelo motor a biogs (MB) ento aspira o vapor aquecido do evaporador (EV) e descarrega-o no condensador (CD), que o trocador de calor resfriado a gua, onde ocorre a condensao do refrigerante e a transferncia de calor para a gua que circula no atravs deste. A gua aquecida no condensador (CD) retorna ao tanque de gua quente (TAQ). Aps o estrangulamento pela vlvula de expanso (VE) o refrigerante retorna ao evaporador (EV) completando o ciclo.

    Avaliao Energtica e Exergtica para o Sistema

    As equaes de balano que descrevem os fluxos de energia e exergia sero usadas como ferramentas de princpio para derivar as relaes matemticas para cada componente do sistema. Assim, considerando operaes para estados de regime permanente de fluxo, as equaes so expressas como:

    balano de energia

    += QWhmhm cvjentrada

    jsada

    ).().(0 ............ (1)

    balano de exergia

    +=

    entrada sadajxjx xemxem )()(0

    + IWQ

    TT

    CVR

    .1 0 .................................. (2)

    )( 000 ssThhex = .................................(3)

    onde:

    Q = fluxo de calor no componente, kW;

    cvW

    = trabalho produzido por componente, kW;

    jm

    = entrada ou sada de massa, kg/s;

    jh = entalpia especfica na entrada ou sada do fluxo, kJ/kg;

    = componente gerador de irreversibilidade, kW;

    xje = exergia especfica na entrada ou sada do fluxo, kJ/kg;

    RT = temperatura na superfcie de controle onde acontece a transferncia de calor, K; s = entropia especfica do fluxo, kJ/kgK;

    00 , sh = entalpia e entropia especfica do fluxo no estado de referncia. Estado de referncia: = temperatura do meio,

    = presso atmosfrica. 0T

    0p A eficincia exergtica ou eficincia de Segunda Lei igual a:

    ENTRADADEEXERGIASADADEEXERGIAESL = ...............(4)

    Na avaliao da bomba de calor, o

    parmetro de maior interesse o coeficiente de desempenho (C.O.P.), que relaciona a quantidade de energia trmica produzida com a quantidade de energia utilizada pelo sistema. Este parmetro permite medir a eficincia e compara este a outros sistemas semelhantes. O coeficiente de desempenho para esta bomba de calor dado por: No lado de resfriamento do leite:

    =W

    QCOP LfrigRe ...............................................(5)

    No lado de aquecimento da gua:

    =W

    QCOP HBomb ...............................................(6)

    onde:

    LQ = calor retirado no evaporador, kW;

    HQ = calor rejeitado no condensador, kW;

    W = trabalho fornecido ao compressor, kW;

    Com base do poder calorfico do biogs e no consumo deste pelo motor, ser possvel estimar a energia fornecida ao compressor.

  • Avaliao Econmica

    A avaliao econmica ser feita com base na realizao de um estudo de caso para uma fazenda leiteira com 50 animais em lactao. Onde, ser comparado o desempenho financeiro do sistema de aquecimento da bomba de calor proposta, com sistemas de aquecimento utilizando energia eltrica em forma direta (resistncias eltricas), energia solar, gs e leo (queima direta).

    Para uma anlise simplificada, sero considerados os seguintes parmetros: - Custo inicial de implantao do sistema; - Custo de operao; - Custo de manuteno; - Benefcios advindo da energia eltrica

    economizada; - Benefcio do biofertilizante produzido; - Vida til; - Taxa de retorno;

    O custo de manuteno e a vida til

    sero estimados com base em histricos de funcionamento para equipamentos similares. Para a bomba de calor, a vida til mdia est em torno de 10 anos.

    A taxa de retorno a relao entre o investimento inicial e o benefcio do sistema, no caso, a energia economizada mais o biofertilizante produzido, levando-se em considerao um certo ndice infracionrio. Quanto menor esta taxa, mais atraente torna-se o investimento.

    A avaliao econmica um dos fatores de maior relevncia pois, associada aos resultados das anlises tcnicas pode viabilizar ou inviabilizar um projeto. Do ponto de vista geral, mesmo que um projeto seja vivel tecnicamente, caso no seja economicamente, torna-se invivel frente necessidade do aumento da eficincia atravs da reduo de custos.

    Resultados Preliminares

    As Figuras 7 e 8 mostram os grficos com os resultados da modelagem matemtica simulando a formao de gelo e o descongelamento, a variao da temperatura da gua e do leite, o calor retirado no evaporador, o calor rejeitado no condensador e o trabalho requerido para bomba de calor.

    Nas simulaes feitas para o dimensionamento desta bomba de calor, foi considerada uma temperatura de condensao constante igual a 50 C, que a temperatura de condensao mxima de projeto.

    Trabalhando nas faixas de temperatura de evaporao e condensao de 5C e 50C respectivamente, os dados obtidos com a simulao mostraram ser possvel aquecer em cada ciclo de refrigerao entre 1000 e 1200 litros de gua at 50C, considerando uma temperatura inicial da gua de 25 C e, produzir entre 120 e 160 kg de gelo e 500 litros de gua gelada a uma temperatura entre 0,5 e 0,9C, com um consumo mximo de biogs de 21,56 m3 , o que d um total de 43,12 m3 por dia. O coeficiente de desempenho (C.O.P.) terico, obtido nas simulaes foi de 3,62 para o sistema de resfriamento e, de 4,62 para o sistema de aquecimento. Para o sistema real este coeficiente sofrer uma diminuio. Porm, espera-se nos testes com a bomba de calor, que este se mantenha acima de 2,5 para o aquecimento.

    Em testes realizados com uma simples adaptao de um trocador de calor casca-tubo em um antigo sistema de refrigerao do Laboratrio de Refrigerao da Faculdade de Engenharia de Alimentos da Unicamp, utilizado para aulas prticas, acionado por um compressor aberto, com uma potncia de 2,6 kW, foi possvel obter 3,67 kW de energia para

    A minha famlia, em especial a meus

    Figura 5. Formao de gelo, congelamento e descongelamento

    e, variao da temperatura da gua e do leite ao longo do tempo.

    Figura 6. Calor retirado no evaporador, calor rejeitado no

    condensador e trabalho requerido ao longo do tempo.

  • resfriamento e 4,71 kW de energia para aquecimento. O evaporador era do tipo casca-tubo, e resfriava uma soluo de etilenogricol a 1,7C, com uma temperatura de evaporao de 9,1C. O sistema operava com R12. A temperatura de condensao era de 40,4C, com uma diferena de temperatura de entrada e sada da gua do condensador de 3C, onde foi possvel aquecer 250 litros de gua at uma temperatura de 39,6C, comeando-se com uma temperatura inicial da gua de 24,1C, em um tempo de 2 horas, com uma vazo de 1 m3/h. O C.O.P. obtido para o aquecimento de gua foi de 1,88, um pouco baixo por se tratar de um equipamento antigo e uma adaptao um tanto grosseira. Mesmo nestas condies, com este resultado j possvel ter-se uma idia do potencial para recuperao de calor para aquecimento de gua em processos. Calor este que no aproveitado sendo perdido para o ambiente.

    CONCLUSES

    Mesmo, em se tratando de um projeto ainda em fase inicial, os resultados at aqui obtidos atravs de simulaes e testes preliminares com adaptaes em sistemas de refrigerao e, informaes adquiridas na reviso bibliogrfica, apontam um potencial significativo para a recuperao de calor com a utilizao de bombas de calor em processos onde existem demandas sucessivas de frio e calor, como no caso do processo estudado neste trabalho.

    A utilizao da bomba de calor neste processo pode trazer uma significativa contribuio na reduo dos gastos com energia eltrica para aquecimento de gua.

    Pode ser alcanada a substituio total da energia eltrica, tanto para aquecimento, como para resfriamento, com o uso do biogs no acionamento da bomba de calor.

    PALAVRAS CHAVES Bomba de calor, refrigerao, economia de energia, aquecimento, biogs.

    AGRADECIMENTOS A Deus que continue iluminando o meu caminho.

    A minha esposa Edneia pela compreenso e motivao.

    pais. A Fapesp pela bolsa de estudos

    concedida e apoio financeiro ao projeto. Ao Curso de Ps-Graduao em

    Engenharia Agrcola da Unicamp.

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    REFERNCIAS

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