Bomba de calor

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Componentes externos de uma bomba de calor residencial

Bomba de calor é um dispositivo que tem por finalidade transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Ela opera realizando um ciclo termodinâmico cujo objetivo é receber calor de um corpo a baixa temperatura e ceder calor para um corpo a alta temperatura. A realização de trabalho é necessária para esse processo.[1]

Bombas de calor são projetadas para mover energia térmica na direção oposta ao fluxo espontâneo de calor. Apesar de ar-condicionados e refrigeradores serem exemplos comuns de bombas de calor, o termo “bomba de calor” é mais geral e se aplica a dispositivos AVAC usados para aquecimento e resfriamento de ambientes. Quando a bomba de calor é usada para aquecimento, ela emprega o mesmo ciclo de refrigeração usado por ar-condicionados e refrigeradores, mas no sentido contrário, liberando calor no espaço condicionado ao invés de fazê-lo no ambiente ao redor. Neste caso bombas de calor geralmente extraem calor de ambiente externo mais frio ou do chão.[2]

Visão geral[editar | editar código-fonte]

Em aplicações AVAC, o termo “bomba de calor” usualmente se refere a dispositivos de refrigeração por compressão facilmente reversíveis, com alta eficiência em ambos os sentidos de transferência de energia térmica.

O calor flui espontaneamente de lugares mais quentes para lugares mais frios. A bomba de calor pode absorver calor de um espaço mais frio e liberá-lo para um mais quente, e vice-versa. Esse processo requer um certa quantidade de energia externa, pois o calor não é conservado.

Bombas de calor usam um fluido volátil, chamado de fluido refrigerante, que vaporiza ao absorver calor e condensa ao perdê-lo. O refrigerante flui através de tubos isolados entre o evaporador e o condensador, permitindo a transferência eficiente de energia térmica.

Princípios operacionais[editar | editar código-fonte]

A bomba de calor explora as propriedades físicas da evaporação e condensação de um fluido volátil conhecido como refrigerante. Esse fluido é comprimido para se tornar mais quente no lado a ser aquecido e libera a pressão no lado onde o calor é absorvido.

Ciclo de refrigeração por compressão de vapor de uma bomba de calor: 1) condensador, 2) válvula de expansão, 3) evaporador, 4) compressor

O fluido percorre um ciclo termodinâmico, no qual ele absorve calor no evaporador, onde a pressão e a temperatura são baixas, recebe trabalho no compressor e transfere calor no condensador, onde a pressão e a temperatura são altas. Quando o fluido refrigerante escoa pela válvula de expansão, ocorre uma queda de pressão. Assim, a bomba de calor é um dispositivo que opera segundo um ciclo que precisa de trabalho para que seja possível a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a alta temperatura.[1]

O fluido de trabalho, no seu estado gasoso, é pressurizado por um compressor e então circula pelo sistema através de tubos isolados. No lado de descarregamento do compressor, o vapor, com alta pressão e alta temperatura, é resfriado em um condensador, até ele se tornar um líquido com alta pressão e temperatura moderada. O refrigerante condensado passa por uma válvula de expansão que diminui a sua pressão. O fluido líquido então entra no evaporador, onde ele absorve calor e ferve. Logo após ele retorna para o compressor e o ciclo se repete.

É essencial que o refrigerante atinja uma temperatura alta o suficiente, quando comprimido, para liberar calor através do condensador, e que atinja uma temperatura baixa o suficiente, quando expandido, para que o calor possa fluir do ambiente frio para o fluido no evaporador. A diferença de pressão deve ser grande o bastante para o fluido se condensar no lado quente e evaporar no lado frio. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a diferença de pressão necessária e, consequentemente, maior a energia requerida para comprimir o fluido. Portanto, como em todas as bombas de calor, o coeficiente de performance decresce com o aumento da diferença de temperatura.

Nas bombas de calor, sempre ocorre a troca de calor entre o refrigerante e substâncias externas ao equipamento. O trabalho é fornecido na forma de energia elétrica ou por meio de um eixo de rotação.[1]

Eficiência[editar | editar código-fonte]

A eficiência de uma bomba de calor é representada pelo coeficiente de performance (COP), que é dado pela seguinte fórmula:


COP_{\mathrm{aquecimento}} = \frac{\Delta Q_{\mathrm{quente}}}{W}

COP_{\mathrm{resfriamento}} = \frac{\Delta Q_{\mathrm{frio}}}{W}

Onde

  • \Delta Q_{quente} é o calor liberado para o reservatório quente.
  • \Delta Q_{frio} é o calor extraído do reservatório frio.
  • W é o trabalho realizado no compressor.[1]

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. a b c d Borgnakke, Claus. Fundamentos da termodinâmica/ Claus Borgnakke, Richard E. Stonntag; tradução da 7ª edição americana - - São Paulo: Blucher, 2009.
  2. Air-source heat pumps|url=http://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28037.pdf