Uma bomba de calor é um equipamento que absorve calor de uma fonte de

calor de temperatura relativamente baixa e libera-o para um meio mais

quente.

uma temperatura baixa para um meio de temperatura mais alta. A potência

externa usada pela bomba de calor é para realizar o trabalho de

transferir energia do meio frio para o meio quente e não para gerar

diretamente aquecimento ou arrefecimento. As bombas de calor são

constituídas por um compressor, um condensador, uma válvula de expansão,

um evaporador e um líquido refrigerante.^\[2\]

A transferência de calor ocorre no sentido de altas temperaturas para

baixas temperaturas, sem a necessidade de dispositivos externos. Pelo

contrário, para que ocorra a transferência de calor de uma temperatura

mais baixa para uma temperatura mais elevada, requer dispositivos

especiais que operam num ciclo termodinâmico, designado por

refrigeração^\[3\].

Assim, para realizar essa transferência de energia, o refrigerador

recebe energia externa na forma de trabalho ou calor do ambiente. O

ciclo de refrigeração mais utilizado é o ciclo de refrigeração por

compressão a vapor (Figura 2), que envolve quatro componentes

principais: um compressor, um condensador, uma válvula de expansão e um

evaporador.

No ciclo de refrigeração por compressão a vapor, o refrigerante entra no

compressor como um gás e é comprimido até a pressão do condensador. O

gás deixa o compressor a uma temperatura relativamente alta e quando

chega ao condensador este arrefece e condensando à medida que passa

pelas bobinas do condensador, rejeitando o calor para o meio

circundante. De seguida, o refrigerante entra numa válvula de expansão,

onde a pressão e temperatura diminuem drasticamente devido ao efeito de

estrangulamento. O refrigerante de baixa temperatura entra então no

evaporador, onde é evaporado, absorvendo o calor do espaço refrigerado.

O ciclo é concluído quando o refrigerante sai do evaporador e entra

novamente no compressor. ^\[4\]

O objetivo de uma bomba de calor passa por manter um espaço aquecido a

uma temperatura alta. Isso é conseguido absorvendo calor de uma fonte de

baixa temperatura, como água, terra ou ar frio no inverno, e fornecendo

este calor para o meio de alta temperatura.

Figura 2- Ciclo termodinâmico de uma bomba de calor.^\[4\]

Eficiência das bombas de calor é medida pelo coeficiente de desempenho,

o COP. Este, é definido pela relação entre o calor total fornecido pela

bomba de calor e quantidade de eletricidade necessária para acionar a

bomba de calor. Quanto maior o valor de COP maior é a eficiência da

bomba. No entanto, sabe-se que a maior parte da energia elétrica

necessária para acionar o compressor é libertada para o líquido

refrigerante na forma de calor. Assim, há maior disponibilidade de calor

no condensador do que o calor extraído no evaporador.

A definição de COP, para uma bomba de calor, é normalmente expressa em

COP_h:

$${COP}\_{h} = \frac{Q\_{useful\\heat}}{Q\_{electric}} \approx \frac{Q\_{waste\\heat}}{Q\_{electric}} + 1\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\(1)$$

<img src="./Bombas de Calor/media/image3.png"

style="width:4.34861in;height:2.61875in" alt="IMG_256" />O

COP_h, depende de vários fatores, entre eles destaca-se a

diferença de temperatura entre a condensação e a evaporação, ou seja,

quando a temperatura de evaporação é elevada leva a um aumento no

COP_h, no entanto quando a temperatura de condensação é baixa

o valor do COP_h é menor. Logo, quanto menor a diferença de

temperaturas entre a condensação e a evaporação, menor é o

COP_h (Figura 3) e, por conseguinte, menor é eficiência.

Outros fatores que influenciam a eficiência é o tipo de refrigerante

utilizado, o controlo do sistema, a eficiência de equipamentos

periféricos como ventiladores, bombas, etc.^\[5\]

Figura 3- Variação do COP_h com a diferença de temperatura de

condensação e de evaporação. ^\[5\]

O cálculo da eficiência máxima teórica, é descrito pela eficiência de

*Carnot* (Equação 2)*:*

$${COP}\_{h,\\Carnot} = \frac{T\_{cond}}{T\_{cond} - T\_{evap}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\(2)$$

Esta eficiência é descrita para um ciclo de compressão ideal e depende

da temperatura de condensação e de evaporação. Contudo, na prática, tal

não é possível, uma vez que existem fatores/parâmetros que influenciam

negativamente a eficiência. Assim o COP_h real é dado pelo

produto da eficiência de Carnot e pela eficiência do sistema (Equação

3). Sendo que, a eficiência do sistema varia entre 50% e 70%

^\[5\].

                    *C**O**P*_*h* = *η*. *C**O**P*_{*h*, *C**a**r**n**o**t*}                                                                  (3)

<img src="./Bombas de Calor/media/image4.jpeg"

style="width:5.09375in;height:2.44653in"

alt="P-T Diagram refrigerants heat pump" />A escolha do refrigerante é

dependente da aplicação final. Existem vários critério de seleção, tais

como: a gama de temperaturas ( acima de uma determinada temperatura o

refrigerante atinge uma temperatura supercrítica, isto é, a fase fluida

e gasosa não se conseguem distinguir), a pressão (alguns refrigerantes

sujeitos a elevadas temperaturas levam ao aumento da pressão o que

inviabiliza o funcionamento da bomba de calor, a baixas pressões faz

aumentar o volume de varrimento, logo implicam maiores custos de

investimento – Figura 4) , a eficiência energética da bomba de calor, o

ciclo de termodinâmico de cada refrigerante e o tamanho da instalação

industrial.

Figura 4 -Relação entre a pressão e temperatura para cada

refrigerante^\[5\].

Os refrigerantes podem ser de dois tipos, naturais ou sintéticos. Dentro

dos naturais, destacam-se o butano (R600), o isobutano (R600a), a Amónia

(R717), o C0₂ (R744) e a água (R718). O butano e o isobutano

são usados para bombas de calor com temperaturas superiores a 80ºC e

para instalações de refrigeração. A amónia é o refrigerante natural mais

usado em instalações industriais de grande escala, tendo como vantagens:

a sua alta eficiência, não contribui para o efeito de estufa e ainda,

pode fornecer calor a uma temperatura até 90 ºC. Relativamente ao

refrigerante CO₂, este muitas vezes é combinado com amónia de

maneira a diminuir o consumo de amónia no sistema. A água é o

refrigerante que pode ser facilmente adquirido, não causando danos

significativos ao meio ambiente e pode ser usada a temperaturas

superiores a 100ºC ^\[5\].

Os refrigerante sintéticos mais comumente usados são: os

hidrofluorocarbonetos ( R134a, R407c eR410a). Estes tipos de

refrigerantes tem a particularidade, comparativamente com os

refrigerantes sintéticos, de contribuírem negativamente para o efeito de

estufa. O R407C e o R410A são aplicados em sistemas de bomba de calor de

médio e pequeno porte, enquanto que o R134A é usado em sistema de bomba

de calor de médio ou grande porte.

De acordo com o fluido usado para a transferência de calor (HPs) da

fonte fria para a bomba de calor, e da bomba de calor para a fonte

quente, podem haver 3 tipos: bombas de calor de fonte de ar (ASHP),

bombas de calor de fonte de água (WSHP) e bombas de calor de fonte no

solo (GSHP)^\[6\].

A fonte de calor deste tipo de bombas é o ar externo, sendo estas

divididas em HPs ar para ar e HPs ar para água, de acordo com o fluido

de transferência de calor utilizado para a distribuição de energia (água

ou ar). Estas são as mais usadas a nível industrial e funcionam de forma

mais eficiente em climas moderados.

Neste tipo de bombas a água é a fonte de calor onde ocorre a dissipação

do calor através desta. A água é o elemento mais abundante no planeta

Terra, logo é facilmente extraída de lagos, lagoas, riachos, poços ou

águas subterrâneas. Este tipo de bombas esta subdivido em dois grupos:

os HPs água para ar que utilizam o ar para transmitir calor a partir do

espaço condicionado e os HPs água para água, estes usam água como fonte

de calor e afundam para o aquecimento e arrefecimento.

Este tipo de bombas de calor aproveitam a energia térmica armazenada no

subsolo. As temperaturas do solo são relativamente constantes,

oferecendo desta forma uma operação mais eficiente. No entanto, a

instalação deste tipo de bombas requer mais custos associados devido à

necessidade de escavação e instalações de tubulação subterrânea.

As bombas de calor são usadas no mercado e na indústria. Relativamente

ao mercado estas são usadas em restaurantes, hotéis, hospitais, entre

outros. Dependendo do fim do seu uso, isto é, para arrefecer (ar

condicionado e arrefecimento de águas potável) ou para aquecer

(aquecimento de água de banho, saneamento) ^\[7\].

Na indústria as bombas de calor são usadas essencialmente em processos

de secagem, lavagem, aquecimento de água do processo com calor residual

de um sistema de refrigeração, na pauteurização e muitas outras

aplicações.

\[1\] <https://www.britannica.com/technology/heat-pump>

\[2\]<https://www.gea.com/en/products/geafxp.jsp?fbclid=IwAR2qdacoi04nrkIGxKEAGuqwBV6zp_rjWIUYqLPPOJA4c8AJJ5B9gGAN-0>

\[3\] Carvalho,Duarte Anabela, high efficiency ground source heat pump

systems for sustainable building space conditioning, Tese de

Doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia. Coimbra ( 2015).

\[4\]<https://www.nrcan.gc.ca/sites/oee.nrcan.gc.ca/files/pdf/publications/infosource/pub/home/heating-heat-pump/booklet.pdf>

\[5\] <http://industrialheatpumps.nl/nl/>

\[6\] <https://www.delcohvac.com/types-of-heat-pumps/>

\[7\] Gagneja1, Pundhir, Heat Pumps and Its Applications, Int’l Journal

of Advances in Chemical Engg., & Biological Sciences (IJACEBS) Vol. 3,

Issue 1 (2016).

Trabalho elaborado por:

Adriana Moreira

Daniela Moreira