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

AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO EM LATICNIOS VISANDO ARACIONALIZAO 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 FilhoFaculdade 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

resistances of " boilers ". This procedure makesthe processing costs and the waste of energythey increase, therefore, the equipments that useelectric current directly for heating of water they

indstriais em pases mais desenvolvidos. Soequipamentos muito eficientes, podendo gerarum efeito 3 a 5 vezes superior a energia eltricautilizada. Este projeto busca o desenvolvimentode uma bomba de calor tipo gua-gua acionadacom biogs, proveniente da digesto anaerbiade esterco bovino, para resfriamento de leite e,aquecimento de gua utilizada na limpeza edesinfeco de equipamentos e instalaes deordenha, visando a eficientizao do uso daenergia eltrica no nvel de propriedade leiteira.

Pela grande disponibilidade desubstrato orgnico nas propriedades leiteiras,proveniente dos animais estabulados possvelainda, atravs de um biodigestor, realizar oacionamento da bomba de calor com um motor a

RESUMO

grande o desperdcio na utilizaoda energia. Um fator que contribuisensivelmente para aumentar este problemaest relacionado com o uso direto daeletricidade para aquecimento de gua emprocessos. Em grande parte da agroindstrialeiteira, o problema se repete, na maioria doscasos, em se tratando de pequenas unidades, aforma utilizada para "produzir" calor atravsda utilizao de tanques providos deresistncias eltricas chamados de "boilers".Este procedimento faz os custos deprocessamento e o desperdcio de energiaaumentarem, pois, os equipamentos queutilizam corrente eltrica diretamente paraaquecimento de gua possuem uma eficinciaexergtica muito baixa. A questo ento sevolta para o desenvolvimento de umequipamento que utilize racionalmente aenergia eltrica. Pouco conhecidas no Brasil, asbombas de calor so empregadas noaquecimento de residncias e processos

possess an efficiency very low exergetic. Thesubject then goes back to the development of anequipment that uses the electric energyrationally. Not very known in Brazil, the bombsof heat are used in the heating of residences andindustrial processes in developed countries.They are very efficient equipments, couldgenerate an effect 3 to 5 times superior the usedelectric energy. This project search thedevelopment of a bomb of heat type water-waterworked with biogs, coming of the digestionwithout air of bovine manure, for cooling ofmilk and heating of water used in the cleaningand disinfection of equipments and facilities of itmilks, seeking the efficiency of the use of theelectric energy in property milkmaid's level.

INTRODUOAps o processamento do leite, as

instalaes e os equipamentos precisam serlimpos e desinfetados com a utilizao de guaquente a uma temperatura em torno de 60 C. Namaioria dos casos, em se tratando de pequenasunidades, a forma utilizada para produzir calor atravs da utilizao de aquecedores eltricos defluxo contnuo ou tanques providos deresistncias eltricas tambm chamados deboilers, equipamentos de alto consumo quecontribuem para o desperdcio de energia eltricae o aumento da conta paga pelos produtores.

Neste caso, o aumento da eficincia nouso da energia eltrica pode ser obtido com odesenvolvimento de um nico equipamento quedesempenhe a funo do tanque de resfriamentode leite e do aquecedor eltrico. Uma bomba decalor tipo gua-gua que, com o mesmoconsumo de energia do equipamento resfriadorde leite, aquea tambm, a gua para limpezados equipamentos e instalaes.

Para uma significativa reduo dapotncia frigorfica do equipamento, pode serutilizado no lugar do evaporador tipo expansodireta da bomba de calor, uma serpentinamontada num tanque de gua, para termo-acumulao de gelo no lado frio. Assim, abomba de calor trabalha no intervalo entre cadaordenha acumulando gelo para o resfriamento doleite e gua quente para utilizao na limpezadas instalaes. A gua quente acumulada numreservatrio isotrmico, conectado aocondensador da bomba de calor.

Necessitando agora, da aquisio das peas paramontagem da bomba de calor e incio do testes.As adaptaes a serem realizadas sero muitosimples ou, nenhuma, no caso de algunscomponentes desenvolvidos para equipamentosde refrigerao, mas que se adaptamperfeitamente as exigncias deste projeto.

Os testes operacionais em nvel de

biogs, havendo a possibilidade da substituiototal do uso da energia eltrica por uma fonte deenergia disponvel em abundncia e poucoaproveitada.

Este trabalho, faz parte de um projetoainda em fase inicial. A apresentao deste nomolde em que est, objetiva divulgao domesmo e a demonstrao do potencial deutilizao das bombas de calor em processos deaquecimento para a economia de energia. Paratanto, sero mostradas as etapas do projeto aserem seguidas, o equipamento que sermontado e, alguns resultados preliminares desimulaes matemticas e testes iniciais comadaptaes simples em um equipamento derefrigerao.

MATERIAIS E MTODOS

O projeto ser conduzido nas seguintesetapas:

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

dados, um estudo de caso para uma fazendaleiteira com um plantel de 100 animais e 50matrizes em lactao permanente.

Dimensionamento da Bomba deCalor

A primeira parte ser realizada naUNICAMP, nas instalaes do Laboratrio deEnergia Termodinmica da Faculdade deEngenharia Agrcola - FEAGRI. Estaconsistir nas etapas de concepo e montagemda bomba de calor, aquisio das peas,adaptao do motor ciclo Otto para biogs,desenvolvimento dos sistemas de comando eaquisio de dados. Nesta primeira parte serotambm realizados os testes operacionais emnvel de laboratrio.

A etapa de concepo do projeto queenvolve os clculos para dimensionamento dacapacidade da bomba de calor paraaquecimento e resfriamento e, a capacidade decada componente, encontra-se pronta.Necessita

laboratrio, sero realizados com o objetivo deobter parmetros para melhores ajustes dabomba de calor, como por exemplo: o consumode biogs e a adequao do modelo matemticoaos valores reais de produo de gelo e guaquente. Tambm, adequao e testes com osistema de aquisio de dados, prevendosituaes que podero ocorrer a campo, evitandoparadas e perca de experimentos. Os dadoscolhidos nesta etapa j sero usados nas anlisesdo equipamento. Nos testes de laboratrio, aalimentao do motor a biogs dabomba de calor ser feita com gs naturalveicular, devido semelhana da suacomposio com o biogs.

Nos testes operacionais sero realizadasmedidas de presso, temperatura e vazo dofludo frigorfico da bomba de calor na entrada esada do compressor, evaporador e docondensador; medidas de temperatura,vazoe presso da gua na entrada e sada docondensador; consumo de biogs pelo motor dabomba de calor; espessura de gelo; medidas datemperatura e massa do leite e da gua deresfriamento e, temperatura ambiente paraobteno dos parmetros necessrios anlise doprocesso com base nas Leis da Termodinmica.

A segunda parte dos testesoperacionais, os testes de campo, serorealizados no Campus da UNESP de Jaboticabal,onde sero utilizadas as instalaes de produode biogs do Departamento de Engenharia Ruralda Faculdade de Cincias Agrrias eVeterinrias. Estas instalaes constam de doisbiodigestores, um modelo Indiano e outromodelo Chins, um gasmetro e uma estao depurificao e compresso de biogs automotivo.Nesta fase a bomba de calor ser transportada ata instalao de biogs e conectada ao gasmetro.

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 deleite com sistema de termo-acumulao. Para omesmo e para o tanque de leite, foi realizado o

A bomba de calor foi dimensionadacom base em uma fazenda de produo de leite,com uma mdia diria de produo de 20 litrospor vaca, com duas ordenhas ao dia, somandouma produo total de 1000 litros de leite. Sendoordenhados 600 litros pela manh e 400 litros tarde. A primeira ordenha realizada no perodods 4:00 s 6:00 horas e a segunda ordenha, ds16:00 s 18:00 horas. A Figura 1 mostra a curvade carga trmica para resfriamento, representadopelas duas ordenhas.

Figura1. Carga trmica com os picos das ordenhas.

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.

Por uma questo de custo edesperdcio, nestes testes, o leite sersubstitudo por gua, pois ambos apresentamcalores especficos semelhantes. Em testes comtanques refrigeradores de leite utilizado omesmo procedimento (Portaria N. 18 de 10 deabril de 2001, Regulamento Tcnico paraFabricao, Funcionamento e Ensaios deTanques Refrigeradores de Leite a Granel).

Aps a finalizao dos testesoperacionais, ser realizado com