BOMBA DE CALOR ÁGUA-ÁGUA ACIONADA A BIOGÁS PARA AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO EM FAZENDAS LEITEIRAS VI-

SANDO A RACIONALIZAÇÃO NO USO DA ENERGIA ELÉTRICA

RODRIGO APARECIDO JORDAN Engenheiro Agrícola, aluno de Doutorado, FEAGRI/UNICAMP, Departamento de Construções Rurais, Caixa Postal 6011, CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (19)

3788-1013, e-mail: jordan@agr.unicamp.br

LUÍS AUGUSTO BARBOSA CORTEZ Orientador do presente trabalho, Prof. Dr. Livre Docente FEAGRI/UNICAMP, De-partamento de Construções Rurais, Caixa Postal 6011, CEP 13083-970, Campi-

nas-SP, tel: (19) 3788-4702, e-mail: cortez@reitoria.unicamp.br

RICARDO BALDASSIN JÚNIOR Engenheiro Mecânico, aluno de Mestrado, FEM/UNICAMP, CEP 13083-970,

Campinas-SP, tel: (19) 3788-1013, e-mail: baldassin@fem.unicamp.br

LINCOLN DE CAMARGO NEVES FILHO Prof. M.Sc. Assistente do Departamento de Engenharia de Alimentos, FE-

A/UNICAMP, CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (019) 3788-4040, e-mail: neves-lin@fea.unicamp.br.

JORGE DE LUCAS JR.

Prof. adjunto, Departamento de Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agrá-rias e Veterinárias – UNESP, Campus de Jaboticabal, Jaboticabal-SP, tel: (16)

3209-2637, e-mail:jlucas@fcav.unesp.Br

HONORATO CCALI PACCO Engenheiro de Alimentos, aluno de Doutorado, FEAGRI/UNICAMP, Departamento

de Construções Rurais, Caixa Postal 6011, CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (19) 3788-1013, e-mail: honorato.pacco@agr.unicamp.br

RESUMO Este trabalho mostra alguns resultados de um projeto ainda em fase inicial, que objetiva o desenvol-vimento de uma bomba de calor água-água para utilização em laticínios e fazendas leiteiras, para produção simultânea de “frio” e “calor”, visando a redução do uso de energia elétrica para o aqueci-mento de água. O trabalho também visa o aproveitamento dos dejetos orgânicos provenientes dos animais estabulados nestas instalações, para produção de biogás a ser utilizado no acionamento da bomba de calor, em substituição a energia elétrica. Nas instalações leiteiras, a energia elétrica é in-tensamente utilizada na geração de energia térmica para resfriamento e conservação do leite e, a-quecimento de água utilizada na pasteurização, limpeza e desinfecção de equipamentos e salas. O grande problema está no uso direto da energia elétrica com o emprego de resistências para o aque-cimento de água, fazendo o desperdício de energia e a conta paga pelos produtores aumentar em muito. O problema se agrava ainda mais com a crise de energia atual implicando em constantes reajustes nas tarifas. Assim, espera-se com este trabalho, conseguir desenvolver um equipamen-to que contribua para o uso mais eficiente da energia e também, buscar uma alto-suficiência e-nergética das propriedades leiteiras para geração de energia térmica, com a produção e utiliza-ção do biogás. Os resultados até aqui obtidos mostram uma grande viabilidade para utilização do equipamento proposto.

ABSTRACT

This work presents some preliminary results for the development of a water-to-water heat pump used dairy farms for simultaneous milk cooling and water heating. The general idea in this project is to elimi-nate the electric heater and use the heating effect, usually wasted, in existing refrigeration systems. In this project it was also studied the use of the dairy cows for biogas production. The generated biogas is to be used to fuel an Otto engine which will power in substitution of the electric energy. Usually, dairy farms, electric energy is intensely used in the generation of thermal energy for milk cooling to extend its shelf life, and water heating used in the pasteurization, cleaning and equipment disinfection and working rooms. The direct use of electric energy results in high energy costs representing a major concern nowadays in Brazil. Therefore, it is expected with this work, to develop an equipment that con-tributes to the most efficient use of the energy and also, to look for a more efficient use of energy in dairy farms, increasing its self-sufficiency, with the production and use of the biogas to meet all thermal energy requirements. The results here obtained show an economic viability for use of the proposed equipment.

1. INTRODUÇÃO Nas unidades produtoras de leite tipos A e B, após o processamento do leite, as instalações e os equipamentos de ordenha, resfriamento, pasteurização e tanques necessitam serem limpos e de-sinfetados, e para isso, se faz necessário à utilização de água quente a uma temperatura entre 50 e 60º C. Num estudo sobre utilização de energia em fazendas leiteiras no Canadá CORTEZ & BOILY (l984) mostraram que nestes processos 16% da energia é utilizada somente para aquecimento, sendo o restante gasto em: ordenha (10%), ventilação e climatização (4%), remoção de esterco (25%), re-frigeração do leite (12%) e outras tarefas (29%). Ainda, segundo CORTEZ & NEVES FILHO (1996), na produção dos leites “A” e “B”, que na época, somados, representavam mais de 20% do total do Estado de São Paulo, existe desperdício de energia. A CEMIG (1989) identificou, em 122 agroindústrias de processamento de leite pesquisadas no Es-tado de Minas Gerais, um potencial de conservação de energia elétrica médio de 17%. Parte deste potencial de economia de energia é advindo dos sistemas de refrigeração e aquecimento. As uni-dades modernas de produção de leite utilizam parcialmente a capacidade de geração térmica dos sistemas de refrigeração, aproveitando apenas o efeito frio. Para suprir a demanda térmica, muitas fazendas utilizam eletricidade para gerar calor, comprometendo a eficiência do processo e econo-micidade da produção. Neste caso, o aumento da eficiência no uso da energia está associado ao aproveitamento máximo dos efeitos térmicos gerados, com o desenvolvimento de um único equipamento que desempenhe a função do tanque resfriador de leite e do aquecedor elétrico. É um exemplo clássico de uma bomba de calor tipo água-água que, com o mesmo consumo de energia do equipamento resfriador de leite, também aqueça a água para limpeza dos equipamentos e instalações. Pela grande disponibilidade de substrato orgânico proveniente dos animais estabulados nas pro-priedades leiteiras é possível, através de um biodigestor, realizar o acionamento da bomba de ca-lor com um motor a biogás. Ter-se-ia a possibilidade da substituição do uso da energia elétrica por uma fonte de energia disponível em abundância e pouco aproveitada. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Desenvolvimento da bomba de calor Em função das questões apresentadas e procurando suprir as necessidades e deficiências, está sendo desenvolvida pelo Laboratório de Energia e Termodinâmica da Faculdade de Engenharia

Agrícola em conjunto com o Laboratório de Refrigeração da Faculdade de Engenharia de Alimen-tos da Unicamp e, o Departamento de Engenharia Rural da Unesp de Jaboticabal, uma bomba de calor água-água acionada por um motor a biogás para produção simultânea de gelo e água quen-te. A bomba de calor foi dimensionada tomando-se como base uma fazenda de produção de leite, com uma média diária de 20 litros por vaca, com duas ordenhas ao dia, somando uma produção total de 1000 litros de leite. São ordenhados 600 litros pela manhã e 400 litros à tarde. A primeira ordenha é realizada no período das 4:00h às 6:00h e a segunda ordenha, das 16:00h às 18:00h onde a Figura 1 mostra a curva de carga térmica para resfriamento das duas ordenhas. A bomba de calor operará no intervalo de 10 horas entre cada ordenha. Com a termoacumulação de gelo a capacidade média calculada para a bomba de calor, considerando-se as perdas por calor de infiltração no tanque de termo-acumulação e também a redução da troca térmica ao longo do proces-so, devido ao aumento do diâmetro de gelo, foi de 2,2 kW. O fluído frigorífico utilizado é o R22. Para acumulação de gelo foi dimensionado um tanque com um volume de 500 litros e um evaporador tipo serpentina de tubo de cobre, liso, com diâmetro de 5/8“e, um comprimento total de 45 m.

Figura 1. Carga térmica com os picos das ordenhas.

O compressor empregado foi um modelo III da Bitzer. Para seu acionamento e considerando-se as perdas na conversão de gasolina para gás, foi selecionado um motor a explosão de 8 cv. O primeiro protótipo montado recebeu o nome de “B1” e foi projetado para produzir em cada ciclo (in-tervalo de 10 horas) cerca de 237 kg de gelo, 263 litros de água gelada ao redor de 0ºC e aproxima-damente 1000 litros de água quente a 50º C, com um consumo de 18,3 m3 de biogás, o que totaliza 36,50 m3 por dia. Em regime de operação, as temperaturas iniciais dos tanques de gelo e água quen-te, são respectivamente iguais a 3,5º e 25º C. A Figura 2 mostra uma vista geral do protótipo onde se tem o tanque de acumulação de água quente com capacidade de 1000 litros (parte superior), tanque de acumulação de gelo em baixo deste, sistema de acionamento, condensador, controles de refrigeração e quadro de comando elé-trico. O condensador é um trocador a placas brasado. Na Figura 3 tem-se um detalhe do sistema de acionamento e partida da bomba de calor que fun-ciona da seguinte forma: com o acionamento do botão de partida o motor elétrico arrasta o motor a biogás até a rotação nominal, onde, com a abertura da válvula solenóide de gás este entra em funcionamento e um relé temporizado desliga o motor elétrico, passando este a funcionar como um mancal, simplesmente transmitindo o movimento para o compressor.

A utilização do motor elétrico como sistema de arranque do motor a gás, além de ser mais barato cerca de 1/5 do preço de uma embreagem eletromagnética, permite no caso dos testes, acionar a bomba de calor com o motor elétrico. É possível, assim, obter dados para comparação com o mo-tor a gás. Já em uma propriedade, no caso de alguma falha do sistema a biogás, poder-se-á utili-zar o motor elétrico para acionamento da bomba de calor, garantindo o processo. Têm-se assim, duas opções de acionamento.

Figura 2. Vista geral do protótipo “B1”.

Figura 3. Detalhe do sistema de acionamento da bomba de calor “B1”.

Na Figura 4 tem-se o evaporador da bomba de calor “B1”, formado por serpentinas horizontais dispostas umas sobre as outras e amparadas por uma base de metal.

Figura 4. Evaporador da bomba de calor “B1”. 2.2. Testes operacionais em nível de laboratório Nos testes em nível de laboratório, em cada ensaio, a bomba de calor é colocada em funciona-mento durante 10 horas, que é o tempo de acumulação de energia para o qual foi dimensionada. Após este período é medida a quantidade de água quente e gelo produzida. Durante o ensaio é feito o acompanhamento das temperaturas ao longo do sistema frigorífico da bomba de calor e dos reservatórios com um sistema de aquisição de dados conectado a um mi-crocomputador. No laboratório, por não se dispor de biogás para alimentação do motor, utilizou-se gás GLP e, a conversão para consumo de biogás foi realizada através de tabelas de equivalência energética. A medição de consumo de gás GLP foi feita colocando-se o botijão de gás sobre uma balança e anotando-se o peso a cada intervalo de tempo. O consumo instantâneo e total de gás foi obtido por diferença de peso. Para levantar a curva de carga do sistema, e assim poder comparar com o consumo de gás, pro-cedeu-se o acionamento da bomba de calor com o motor elétrico de partida, e instalou-se nos cabos de energia de alimentação deste, um medidor/analisador de energia elétrica. A massa total de gelo formada em cada ciclo foi calculada através do diâmetro de gelo medido no final de cada ensaio, com o uso de um paquímetro. Com os resultados obtidos, realizou-se uma análise econômica comparativa de custos com energia para geração de “frio” e “calor” utilizando o sistema “convencional” (aquecedor elétrico e equipamento de refrigeração) e a bomba de calor sendo acionada com motor elétrico e motor a gás.

3. RESULTADOS PRELIMINARES A Figura 5 mostra os cilindros de gelo formados em torno do evaporador, com a água do tanque esgotada, após um dos testes com a bomba de calor.

Figura 5. Detalhe dos cilindros de gelo formados em torno dos tubos do evaporador da bomba de calor.

Na Figura 6 tem-se o comportamento do consumo de gás GLP em relação à temperatura de conden-sação da bomba de calor. Como era de se esperar, a potência requerida para o acionamento do compressor aumenta gradativamente com o acréscimo da temperatura de condensação. No entanto, não foi verificada uma relação específica entre o consumo de GLP do motor da bomba de calor e as diferentes temperaturas de condensação. As curvas obtidas não tendem a seguir um padrão específi-co. Tal fato pode ser explicado verificando-se o que ocorre em motores estacionários utilizados para a-cionamento de geradores de energia elétrica onde, para uma certa faixa de carregamento, o consumo se mantém constante. Isto demonstra, já que o consumo não é afetado, o interesse em trabalhar com a mais alta temperatu-ra de condensação possível para se obter o máximo rendimento do equipamento. Ou, em outras pa-lavras, o consumo será o mesmo e ter-se-á água aquecida a um nível maior de temperatura.

Figura 6. Variação do consumo de gás GLP em relação à temperatura de condensação.

A Figura 7 indica a variação da temperatura de condensação e evaporação ao longo do tempo. As mudanças abruptas nas curvas, para os primeiros instantes, deve-se ao intervalo de partida até a estabilização da operação da bomba de calor.

Figura 7. Comportamento das temperaturas de condensação e evaporação ao longo do tempo. Na Figura 8 tem-se o comportamento em função do tempo, das temperaturas da água na entrada e saída do tanque acumulador de água quente assim como no seu interior. Já a Figura 9 compara os valores medidos em dois ensaios e calculados na modelagem para as temperaturas da água do tanque de termoacumulação de gelo.

Figura 8. Comportamento das temperaturas da água na entrada (Te), saída (Ts) e no interior do tan-que acumulador de água quente (Ti).

Com base nos ensaios, obteve-se uma média de consumo de GLP para acionamento da bomba de calor de 0,75 kg/h. O que, convertendo-se para valores de biogás, corresponde a um consumo de 1,65 m3/h. O consumo diário, considerando-se o tempo de operação da bomba de calor em 20 horas, foi de 33 m3, pouco menor que o estimado nos cálculos para dimensionamento. A Tabela 1 resume outros resultados experimentais dos ensaios com a bomba de calor a biogás “B1”.

Figura 9. Comportamento real obtido em dois ensaios e o proposto pelo dimensionamento, para as temperaturas da água do tanque de termoacumulação de gelo.

Tabela 1. Resultados dos ensaios da bomba de calor a biogás para 10 horas de operação.

COPresfri (motor elétrico) 2.75 COP total COPaquec (motor elétrico) 3,53 6,28

COPresfri (motor a gás) 0,95 COP total COPaquec (motor a gás) 1,21 2,16

Água quente 1000 L entre 50 - 55º C Produção de Gelo Aproximadamente 240 kg

Obs.: O COP total é resultante da soma dos COP de resfriamento e de aquecimento, obtidos pela relação entre a energia térmi-ca produzida e o trabalho necessário, no caso, a energia consumida (gás ou elétrica). Em função dos dados obtidos montou-se a Tabela 2, para comparação de custos, onde são conside-rados os seguintes cenários: Cenário 1- Situação atual: equipamento de refrigeração com condensação a ar, acionado com e-nergia elétrica para resfriamento do leite e “boiler” para aquecer 1000 L de água a 55ºC. Cenário 2- Bomba de calor acionada com energia elétrica, produzindo gelo para o resfriamento do leite e 1000 L de água quente a 55ºC. Cenário 3- Mesma condição do cenário 2, com a bomba de calor sendo acionada com gás natu-ral. Cenário 4- Mesma condição do cenário 2, com a bomba de calor sendo acionada com biogás. Cenário 5- Mesma condição do cenário 4, com a bomba de água do condensador acionada tam-bém pelo motor a biogás. O custo do metro cúbico do biogás foi obtido a partir do valor do investimento para construção do biodigestor mais o custo de manutenção em relação ao volume total de biogás possível de ser pro-duzido durante a sua vida útil. No cálculo dos custos com energia elétrica foi utilizado o valor tarifário fornecido pela Aneel, prati-cado na região Sudeste, grupo B2 rural. Para o gás natural utilizou-se a tarifa praticada pela Com-gás, segmento pequena cogeração destinada ao consumo próprio, faixa de consumo até 100.000 m3/mês. As tarifas foram acrescidas dos valores de ICMS.

Tabela 2. Comparativo de custo operacional entre o sistema convencional e a bomba de calor com algumas opções de acionamento.

Cenário Demanda

de energia elétrica

Consumo diário Consumo mensal

Tarifa (R$) Custo mensal to-

tal

Potencial de economia

1 Resfriador “Boiler”

5,52 kW 7 kW

33.12 kWh 70 kWh

993,6 kWh 2100 kWh

0,15486/kWh R$ 479,07 -

2 Compressor Bomba d’água

2,21 kW 0,184 kW

44,20 kWh 4,416 kWh

1326 kWh 132,48 kWh

0,15486/kWh R$ 225.86 52,85%

3 Motor a gás natural Bomba d’água

- 0,184 kW

24 m3

4,416 kWh 720 m3

132,48 kWh 0,13419/m3

0,15486/kWh R$ 117,14 75,55%

4 Motor a biogás Bomba d’água

- 0,184 kW

33 m3

4,416 kWh 990 m3

132,48 kWh 0,03/m3

0,15486/kWh R$ 50,22 89,52%

5 Motor a biogás Bomba d’água

- 38,5 m3 1155 m3 0,03/m3 R$ 34,65 92,76%

O tempo de retorno para o investimento na construção de um biodigestor com uma capacidade de produção de biogás de 50 m3 por dia, considerando-se a economia possível de ser gerada no ce-nário 5, dar-se-á em no máximo 17 meses. A determinação de um custo final para a bomba de calor a biogás ainda dependerá do término dos estudos do projeto que se encontra em desenvolvimento. Há que se considerar, ainda, que sistemas de refrigeração já existentes poderão ser transformados em bomba de calor, sem muito investimento. Já está montado para os testes de campo um segundo protótipo da bomba de calor a biogás, de-nominado “B2”, que ficará instalada na unidade de produção e tratamento de biogás do Departa-mento de Engenharia Rural da Faculdade Ciências Agrárias e Veterinárias da UNESP de Jaboti-cabal, onde será conectada a um biodigestor. 4. CONCLUSÕES

Os resultados dos ensaios iniciais mostraram uma boa adequação do método utilizado para o dimen-sionamento da bomba de calor, pois, verificou-se que as capacidades estimadas foram atendidas. Mesmo, em se tratando de um projeto ainda em fase inicial, os resultados até aqui obtidos mostram um potencial significativo para o aquecimento de água em laticínios com a recuperação de calor atra-vés da utilização de bombas de calor. A utilização da bomba de calor neste processo pode trazer uma significativa contribuição na redução dos gastos com energia elétrica para aquecimento de água. Com relação a utilização do biogás para acionamento da bomba de calor, os dados até aqui apon-tam para uma grande viabilidade, mostrando que pode ser possível a substituição total da energia elétrica, tanto para aquecimento, como para resfriamento, resultando em uma grande economia com um investimento relativamente baixo. PALAVRAS-CHAVE: Aquecimento, Resfriamento, Bombas de calor, Energia elétrica, Eficiên-cia AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP. Ao Ministério de Minas de Energia. Às empresas Bitzer, Danfoss e D-Laval pela cessão de equipamentos e controles.

REFERÊNCIAS [1] CEMIG. Estudo de otimização energética: setorial laticínios: CEMIG, 1989.´ [2] CESP. Companhia Energética de São Paulo. Projeto de uma bomba de calor experimental.

Proposta n.º 50380 (não publicado). CESP. São Paulo. 1979. [3] CORTEZ, L. A. B.; NEVES FILHO L. C. Aplicação de bombas de calor na agricultura e na

agroindústria brasileira. Anais do III Congresso Nacional de Energia. La Serena, Chile. 17-19 de abril de 1996. p. 337-343.

[4] CORTEZ, L. & R. BOILY. La rentabilité des récupérateurs de chaleur du lait. Apresentado

no 11e Colloque de Génie Rural, Université Laval, Quebéc, Canadá. 1984. 45 p.