DESENVOLVIMENTO DE UMA BOMBA DE CALOR ÁGUA-ÁGUAACIONADA A BIOGÁS PARA UTILIZAÇÃO EM PROCESSOS DE
AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO EM LATICÍNIOS VISANDO ARACIONALIZAÇÃO DE ENERGIA NO NÍVEL DE PRODUÇÃO LEITEIRA
Rodrigo Aparecido Jordan, Luís Augusto Barbosa Cortez Faculdade de Engenharia Agrícola, 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 Ciências Agrárias e Veterinárias, 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
indústriais em países mais desenvolvidos. Sãoequipamentos muito eficientes, podendo gerarum efeito 3 a 5 vezes superior a energia elétricautilizada. Este projeto busca o desenvolvimentode uma bomba de calor tipo água-água acionadacom biogás, proveniente da digestão anaeróbiade esterco bovino, para resfriamento de leite e,aquecimento de água utilizada na limpeza edesinfecção de equipamentos e instalações deordenha, visando a eficientização do uso daenergia elétrica no nível de propriedade leiteira.
Pela grande disponibilidade desubstrato orgânico nas propriedades leiteiras,proveniente dos animais estabulados é possívelainda, através de um biodigestor, realizar oacionamento da bomba de calor com um motor a
RESUMO
É grande o desperdício na utilizaçãoda energia. Um fator que contribuisensivelmente para aumentar este problemaestá relacionado com o uso direto daeletricidade para aquecimento de água emprocessos. Em grande parte da agroindústrialeiteira, o problema se repete, na maioria doscasos, em se tratando de pequenas unidades, aforma utilizada para "produzir" calor é atravésda utilização de tanques providos deresistências elétricas chamados de "boilers".Este procedimento faz os custos deprocessamento e o desperdício de energiaaumentarem, pois, os equipamentos queutilizam corrente elétrica diretamente paraaquecimento de água possuem uma eficiênciaexergética muito baixa. A questão então sevolta para o desenvolvimento de umequipamento que utilize racionalmente aenergia elétrica. Pouco conhecidas no Brasil, asbombas de calor são empregadas noaquecimento de residências 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 biogás, 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.
INTRODUÇÃOApós o processamento do leite, as
instalações e os equipamentos precisam serlimpos e desinfetados com a utilização de águaquente a uma temperatura em torno de 60º C. Namaioria dos casos, em se tratando de pequenasunidades, a forma utilizada para produzir calor éatravés da utilização de aquecedores elétricos defluxo contínuo ou tanques providos deresistências elétricas também chamados de“boilers”, equipamentos de alto consumo quecontribuem para o desperdício de energia elétricae o aumento da conta paga pelos produtores.
Neste caso, o aumento da eficiência nouso da energia elétrica pode ser obtido com odesenvolvimento de um único equipamento quedesempenhe a função do tanque de resfriamentode leite e do aquecedor elétrico. Uma bomba decalor tipo água-água que, com o mesmoconsumo de energia do equipamento resfriadorde leite, aqueça também, a água para limpezados equipamentos e instalações.
Para uma significativa redução dapotência frigorífica do equipamento, pode serutilizado no lugar do evaporador tipo expansãodireta da bomba de calor, uma serpentinamontada num tanque de água, para termo-acumulação de gelo no lado frio. Assim, abomba de calor trabalha no intervalo entre cadaordenha acumulando gelo para o resfriamento doleite e água quente para utilização na limpezadas instalações. A água quente é acumulada numreservatório isotérmico, conectado aocondensador da bomba de calor.
Necessitando agora, da aquisição das peças paramontagem da bomba de calor e início do testes.As adaptações a serem realizadas serão muitosimples ou, nenhuma, no caso de algunscomponentes desenvolvidos para equipamentosde refrigeração, mas que se adaptamperfeitamente as exigências deste projeto.
Os testes operacionais em nível de
biogás, havendo a possibilidade da substituiçãototal do uso da energia elétrica por uma fonte deenergia disponível em abundância e poucoaproveitada.
Este trabalho, faz parte de um projetoainda em fase inicial. A apresentação deste nomolde em que está, objetiva divulgação domesmo e a demonstração do potencial deutilização das bombas de calor em processos deaquecimento para a economia de energia. Paratanto, serão mostradas as etapas do projeto aserem seguidas, o equipamento que serámontado e, alguns resultados preliminares desimulações matemáticas e testes iniciais comadaptações simples em um equipamento derefrigeração.
MATERIAIS E MÉTODOS
O projeto será conduzido nas seguintesetapas:
1º) Concepção do projeto.2º) Aquisição das peças e equipamentos.3º) Realização das adaptações necessárias aosequipamentos e peças adquiridos.4º) Testes de consumo e potência com o motor abiogás.5º) Desenvolvimento do sistema de controle eaquisição de dados.6º) Montagem da bomba de calor.7º) Testes operacionais com a bomba de calorem nível de laboratório.8º) Testes operacionais com a bomba de calorem nível de campo.9º) Estudo de caso para uma fazenda deprodução de leite.
dados, um estudo de caso para uma fazendaleiteira com um plantel de 100 animais e 50matrizes em lactação permanente.
Dimensionamento da Bomba deCalor
A primeira parte será realizada naUNICAMP, nas instalações do Laboratório deEnergia Termodinâmica da Faculdade deEngenharia Agrícola - FEAGRI. Estaconsistirá nas etapas de concepção e montagemda bomba de calor, aquisição das peças,adaptação do motor ciclo Otto para biogás,desenvolvimento dos sistemas de comando eaquisição de dados. Nesta primeira parte serãotambém realizados os testes operacionais emnível de laboratório.
A etapa de concepção do projeto queenvolve os cálculos para dimensionamento dacapacidade da bomba de calor paraaquecimento e resfriamento e, a capacidade decada componente, encontra-se pronta.Necessita
laboratório, serão realizados com o objetivo deobter parâmetros para melhores ajustes dabomba de calor, como por exemplo: o consumode biogás e a adequação do modelo matemáticoaos valores reais de produção de gelo e águaquente. Também, adequação e testes com osistema de aquisição de dados, prevendosituações que poderão ocorrer a campo, evitandoparadas e perca de experimentos. Os dadoscolhidos nesta etapa já serão usados nas análisesdo equipamento. Nos testes de laboratório, aalimentação do motor a biogás dabomba de calor será feita com gás naturalveicular, devido á semelhança da suacomposição com o biogás.
Nos testes operacionais serão realizadasmedidas de pressão, temperatura e vazão dofluído frigorífico da bomba de calor na entrada esaída do compressor, evaporador e docondensador; medidas de temperatura,vazãoe pressão da água na entrada e saída docondensador; consumo de biogás pelo motor dabomba de calor; espessura de gelo; medidas datemperatura e massa do leite e da água deresfriamento e, temperatura ambiente paraobtenção dos parâmetros necessários à análise doprocesso com base nas Leis da Termodinâmica.
A segunda parte dos testesoperacionais, os testes de campo, serãorealizados no Campus da UNESP de Jaboticabal,onde serão utilizadas as instalações de produçãode biogás do Departamento de Engenharia Ruralda Faculdade de Ciências Agrárias eVeterinárias. Estas instalações constam de doisbiodigestores, um modelo Indiano e outromodelo Chinês, um gasômetro e uma estação depurificação e compressão de biogás automotivo.Nesta fase a bomba de calor será transportada atéa instalação de biogás e conectada ao gasômetro.
com R22 , com capacidade de 4 kW;- um tanque de líquido para R22;- uma válvula de expansão termostática com
uma capacidade de 3 kW de refrigeração;- filtro secador, válvulas, tubulações de cobre,
etc.O evaporador será um acumulador de
gelo que fará parte do tanque refrigerador deleite com sistema de termo-acumulação. Para omesmo e para o tanque de leite, foi realizado o
A bomba de calor foi dimensionadacom base em uma fazenda de produção de leite,com uma média diária de produção de 20 litrospor vaca, com duas ordenhas ao dia, somandouma produção total de 1000 litros de leite. Sendoordenhados 600 litros pela manhã e 400 litros átarde. A primeira ordenha é realizada no períododás 4:00 às 6:00 horas e a segunda ordenha, dás16:00 às 18:00 horas. A Figura 1 mostra a curvade carga térmica para resfriamento, representadopelas duas ordenhas.
Figura1. Carga térmica com os picos das ordenhas.
Figura 2. Tanque refrigerador de leite com sistema de termo-acumulação de gelo, em corte.
Figura 3. Detalhe da montagem da serpentina (evaporador)do tanque refrigerador de leite.
Por uma questão de custo edesperdício, nestes testes, o leite serásubstituído por água, pois ambos apresentamcalores específicos semelhantes. Em testes comtanques refrigeradores de leite é utilizado omesmo procedimento (Portaria N.º 18 de 10 deabril de 2001, Regulamento Técnico paraFabricação, Funcionamento e Ensaios deTanques Refrigeradores de Leite a Granel).
Após a finalização dos testesoperacionais, será realizado com base nestesdad
A bomba de calor trabalhará nointervalo de 10 horas entre cada ordenha,produzindo gelo e água quente. Com á termo-acumulação de gelo, a capacidade média,calculada para a bomba de calor foi de 2,09kW. Se fosse utilizado um sistema de expansãodireta, a capacidade da bomba de calor deveriaser igual á carga térmica em cada ordenha,implicando num aumento significativo dapotência e do custo do equipamento.
O fluído usado no circuito frigoríficoda referida bomba será o R22 (ASHRAE,1996). Para montagem do protótipo, serãoutilizados os seguintes componentes com suasrespectivas capacidades:- um motor a gasolina, com potência de 3 kW,
adaptado para biogás;- um tanque resfriador de leite com sistema de
termo-acumulação embutido, para duasordenhas com capacidade total para 1000litros de leite;
- um compressor aberto operando com R22com capacidade para 3 kW de refrigeração;
- um evaporador tipo serpentina comcapacidade para 3 kW de refrigeração;
- um tanque isotérmico para água quente comcapacidade para 1000 litros;
- um trocador de calor a água para utilizaçãocom a
dimensionamento completo da capacidade e dasdimensões físicas, incluindo simulações deoperação em computador com modelagemmatemática para o processo de congelamento. Amodelagem foi feita com base nas equações quedescrevem a formação de gelo e no balanço deenergia entre a água, o gelo e o leite.
O tanque refrigerador de leite e aserpentina (Figuras 2 e 3), foram dimensionadoscom uma geometria especial, de forma aproporcionar uma maior troca de calor entre oleite e a água do reservatório do banco de gelo,aproveitando a convecção natural, evitando-se autilização de mais um auxiliar elétrico paraagitação da água e promoção da troca de calor.
A adaptação do motor ciclo Otto parafuncionar com biogás, será feita através daadaptação na entrada do carburador, de umaválvula que controla a mistura de ar e biogás naadmissão.
A Figura 4 mostra um esquemasimplificado do funcionamento geral da bombade calor a ser montada para o experimento.
O refrigerante R22, após passar pelaválvula de expansão (VE), evapora-se noevaporador tipo serpentina (EV), instalado notanque refrigerador de leite (TRL). Com aevaporação, o refrigerante retira calor da água,ocorrendo o sub-resfriamento da mesma e aformação de gelo em torno do evaporador. Ocompressor (CP) da bomba de calor acionadopelo motor a biogás (MB) então aspira o vaporaquecido do evaporador (EV) e descarrega-o nocondensador (CD), que é o trocador de calorresfriado a água, onde ocorre a condensação do
jh = entalpia específica na entrada ou saída do
fluxo, kJ/kg;•
Ι = componente gerador de irreversibilidade,kW;
xje = exergia específica na entrada ou saída do
fluxo, kJ/kg;
RT = temperatura na superfície de controle ondeacontece a transferência de calor, K;s = entropia específica do fluxo, kJ/kgK;
00 , sh = entalpia e entropia específica do fluxono estado de referência.Estado de referência: 0T = temperatura do meio,
0p = pressão atmosférica.
A eficiência exergética ou eficiência de SegundaLei é igual a:
ENTRADADEEXERGIASAÍDADEEXERGIA
ESL = ...............(4)
Na avaliação da bomba de calor, oparâmetro de maior interesse é o coeficiente dedesempenho (C.O.P.), que relaciona aquantidade de energia térmica produzida com aquantidade de energia utilizada pelo sistema.Este parâmetro permite medir a eficiência ecompara este a outros sistemas semelhantes.
O coeficiente de desempenho para esta bombade calor é dado por:
No lado de resfriamento do leite:
a4. Esquerma de funcionamento da bomba de calor.
refrigerante e a transferência de calor para a águaque circula no através deste. A água aquecida nocondensador (CD) retorna ao tanque de águaquente (TAQ). Após o estrangulamento pelaválvula de expansão (VE) o refrigerante retornaao evaporador (EV) completando o ciclo.
Avaliação Energética e Exergéticapara o Sistema
As equações de balanço que descrevemos fluxos de energia e exergia serão usadas comoferramentas de princípio para derivar as relaçõesmatemáticas para cada componente do sistema.Assim, considerando operações para estados deregime permanente de fluxo, as equações sãoexpressas como:
balanço de energia
••••
−+−= ∑∑ QWhmhm cvjentrada
jsaída
).().(0 ............ (1)
balanço de exergia
∑ ∑ +−=••
entrada saídajxjx xemxem )()(0
•••
−−
−+ IWQ
T
TCV
R
.1 0 .................................. (2)
)( 000 ssThhe x −−−= .................................(3)
onde:•
Q = fluxo de calor no componente, kW;
cvW•
= trabalho produzido por componente, kW;
jm•
= entrada ou saída de massa, kg/s;
Avaliação Econômica
A avaliação econômica será feita combase na realização de um estudo de caso parauma fazenda leiteira com 50 animais emlactação. Onde, será comparado o desempenhofinanceiro do sistema de aquecimento da bombade calor proposta, com sistemas de aquecimentoutilizando energia elétrica em forma direta(resistências elétricas), energia solar, gás e óleo(queima direta).
Para uma análise simplificada, serãoconsiderados os seguintes parâmetros:- Custo inicial de implantação do sistema;- Custo de operação;- Custo de manutenção;- Benefícios advindo da energia elétrica
economizada;- Benefício do biofertilizante produzido;- Vida útil;
•
•
=W
QCOP L
frigRe ...............................................(5)
No lado de aquecimento da água:
•
•
=W
QCOP H
Bomb ...............................................(6)
onde:
•
LQ = calor retirado no evaporador, kW;•
HQ = calor rejeitado no condensador, kW;•
W = trabalho fornecido ao compressor, kW;
Com base do poder calorífico do biogáse no consumo deste pelo motor, será possívelestimar a energia fornecida ao compressor.
Trabalhando nas faixas de temperaturade evaporação e condensação de –5ºC e 50ºCrespectivamente, os dados obtidos com asimulação mostraram ser possível aquecer emcada ciclo de refrigeração entre 1000 e 1200
- Taxa de retorno;
O custo de manutenção e a vida útilserão estimados com base em históricos defuncionamento para equipamentos similares.Para a bomba de calor, a vida útil média está emtorno de 10 anos.
A taxa de retorno é a relação entre oinvestimento inicial e o benefício do sistema, nocaso, a energia economizada mais obiofertilizante produzido, levando-se emconsideração um certo índice infracionário.Quanto menor esta taxa, mais atraente torna-se oinvestimento.
A avaliação econômica é um dosfatores de maior relevância pois, associada aosresultados das análises técnicas pode viabilizarou inviabilizar um projeto. Do ponto de vistageral, mesmo que um projeto seja viáveltecnicamente, caso não seja economicamente,torna-se inviável frente à necessidade doaumento da eficiência através da redução decustos.
Resultados Preliminares
As Figuras 7 e 8 mostram os gráficoscom os resultados da modelagem matemáticasimulando a formação de gelo e odescongelamento, a variação da temperatura daágua e do leite, o calor retirado no evaporador, ocalor rejeitado no condensador e o trabalhorequerido para bomba de calor.
Nas simulações feitas para odimensionamento desta bomba de calor, foiconsiderada uma temperatura de condensaçãoconstante igual a 50º C, que é a temperatura decondensação máxima de projeto.
resfriamento e 4,71 kW de energia paraaquecimento. O evaporador era do tipo casca-tubo, e resfriava uma solução de etilenogricol a1,7ºC, com uma temperatura de evaporação de –9,1ºC. O sistema operava com R12. Atemperatura de condensação era de 40,4ºC, comuma diferença de temperatura de entrada e saídada água do condensador de 3ºC, onde foipossível aquecer 250 litros de água até umatemperatura de 39,6ºC, começando-se com umatemperatura inicial da água de 24,1ºC, em umtempo de 2 horas, com uma vazão de 1 m3/h. OC.O.P. obtido para o aquecimento de água foi de1,88, um pouco baixo por se tratar de umequipamento antigo e uma adaptação um tanto‘grosseira’. Mesmo nestas condições, com esteresultado já é possível ter-se uma idéia dopotencial para recuperação de calor paraaquecimento de água em processos. Calor esteque não é aproveitado sendo perdido para oambiente.
CONCLUSÕES
litros de água até 50ºC, considerando umatemperatura inicial da água de 25º C e, produzirentre 120 e 160 kg de gelo e 500 litros de águagelada a uma temperatura entre 0,5 e 0,9ºC, comum consumo máximo de biogás de 21,56 m3 , oque dá um total de 43,12 m3 por dia. Ocoeficiente de desempenho (C.O.P.) teórico,obtido nas simulações foi de 3,62 para o sistemade resfriamento e, de 4,62 para o sistema deaquecimento. Para o sistema real este coeficientesofrerá uma diminuição. Porém, espera-se nostestes com a bomba de calor, que este semantenha acima de 2,5 para o aquecimento.
Em testes realizados com uma simplesadaptação de um trocador de calor casca-tuboem um antigo sistema de refrigeração doLaboratório de Refrigeração da Faculdade deEngenharia de Alimentos da Unicamp, utilizadopara aulas práticas, acionado por um compressoraberto, com uma potência de 2,6 kW, foipossível obter 3,67 kW de energia para
A minha família, em especial a meuspais.
A Fapesp pela bolsa de estudosconcedida e apoio financeiro ao projeto.
Ao Curso de Pós-Graduação emEngenharia Agrícola da Unicamp.
REFERÊNCIAS
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6. CORTEZ, L. & R. BOILY. La rentabilitédes récupérateurs de chaleur du lait.
Mesmo, em se tratando de um projetoainda em fase inicial, os resultados até aquiobtidos através de simulações e testespreliminares com adaptações em sistemas derefrigeração e, informações adquiridas na revisãobibliográfica, apontam um potencialsignificativo para a recuperação de calor com autilização de bombas de calor em processos ondeexistem demandas sucessivas de frio e calor,como no caso do processo estudado nestetrabalho.
A utilização da bomba de calor nesteprocesso pode trazer uma significativacontribuição na redução dos gastos com energiaelétrica para aquecimento de água.
Pode ser alcançada a substituição totalda energia elétrica, tanto para aquecimento,como para resfriamento, com o uso do biogás noacionamento da bomba de calor.
PALAVRAS CHAVES
Bomba de calor, refrigeração, economia deenergia, aquecimento, biogás.
AGRADECIMENTOS
A Deus que continue iluminando o meucaminho.
A minha esposa Edneia pelacompreensão e motivação.9. GELLER, H. S.; GOLDEMBERG, J.;
MOREIRA, J. R.; HUKAI, R.;SCARPINELLA, C.; YSOHIZAWA,M. Eletricity conservation in Brazil:potencial and progress, energy. GreatBritain v(13): 469-483, 1988.
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Figura 5. Formação de gelo, congelamento e descongelamentoe, variação da temperatura da água e do leite ao longodo tempo.
Figura 6. Calor retirado no evaporador, calor rejeitado nocondensador e trabalho requerido ao longo dotempo.
ABSTRACTIt is big the waste in the use of the energy. Afactor that contributes sensibly to increasethis problem is related with the direct use ofthe electricity for heating of water inprocesses. In a large part of the industrymilkmaid, the problem he/she repeats, inmost of the cases, if being about small units,the form used " to produce " heat is throughthe use of called provided tanks of eletricresisten
