Cristallinité par diffraction aux rayons X

Uma bomba de calor funciona através de contínuos ciclos de compressão/expansão de um fluido de trabalho (fluido frigorigéneo) onde é retirado calor a um fluido frio e transferida essa mesma energia a um fluido de temperatura superior. Energia elétrica é utilizada para através de um compressor realizar trabalho sobre o sistema por forma a concentrar e transportar energia térmica. A figura 2.7 apresenta um esquema simplificado de uma bomba de calor.

Figura 2.7: Esquema simplificado de uma bomba de calor [1]

O fluído de trabalho numa bomba de calor é normalmente um fluido refrigerante ou frigo- rigéneo e a sua seleção está normalmente dependente das características gerais e requisitos do sistema envolvente à bomba. Uma vez que a energia térmica apenas pode se movimentar de um nível energético mais alto para outro mais baixo, o fluido frigorigéneo deverá se apresentar a uma temperatura mais baixa que a temperatura de entrada do fluido vindo do solo. No condensador o líquido frigorigéneo apresenta também uma temperatura superior ao circuito de aquecimento. Com as necessárias considerações iniciais é então possível identificar os seguintes processos:

• Numa aproximação inicial consideremos o liquido refrigerante a baixa temperatura e baixa pressão presente no ponto 2, em estado liquido. O fluido bombeado no circuito de água glicolada passa no evaporador onde fornece energia ao fluido frigorigéneo levando à sua mudança de estado.

• Desta forma o fluido de principal chega ao ponto 3 em forma de vapor e a baixa pressão. Neste ponto o compressor irá realizar um aumento de pressão e consequentemente um au- mento de temperatura.

• Assim sendo o vapor proveniente do compressor circula no condensador cedendo energia ao fluido presente no circuito de aquecimento voltando então ao estado liquido.

• Através da passagem do fluido presente no condensador pela válvula de expansão, presente no ponto 6, dá-se então a diminuição da pressão e consequentemente diminuição da tempe- ratura. Desta forma é reiniciado o processo circular presente na bomba de calor.

Uma vez que é possível aproveitar o efeito produzido por um evaporador (válvula de expansão) para retirar calor no Verão, e o calor no condensador para fornecer calor no Inverno, é então

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definido o conceito principal para aquecimento e arrefecimento segundo os componentes de uma bomba de calor. No entanto coloca-se a questão de para um duplo efeito supracitado seriam necessárias duas máquinas em operação inversa o que por sua vez aumentaria o investimento, manutenção e ocupação de espaço físico. Por forma a suprimir a necessidade de duas máquinas é então aplicada uma válvula de expansão de duplo sentido e uma válvula de quatro vias à saída do compressor para um duplo efeito. A figura 2.8 apresenta o funcionamento de bomba de calor reversível. [10]

Figura 2.8: Funcionamento de bomba de calor reversível, adaptado de [10]

Os principais componentes presentes numa bomba de calor encontram-se presentes na figura 2.9. O estado do fluido frigorigéneo durante todo o ciclo é bem ilustrado num diagrama de entalpia e pressão, como aquele apresentado à direita nesta figura. As mudanças de entalpia no conden- sador e no evaporador indicam a taxa de transferência de calor por unidade de massa de fluido refrigerante.

A principal razão para o interesse em usar bombas de calor para fornecer aquecimento e ar- refecimento é a necessidade de menos trabalho para transferir calor da fonte para o dissipador do que para converter energia primária em calor. Por outras palavras, a energia necessária para criar um gradiente é visivelmente menor do que o aquecimento ou arrefecimento fornecido. Este efeito é quantificado na termodinâmica clássica pelo coeficiente de desempenho (COP). Se Qhfor a quantidade de calor fornecida e W for o trabalho necessário, então COP =Qh/W.

A termodinâmica clássica também nos diz que existe um valor máximo teórico (eficiência de Carnot) limitado pela temperatura absoluta da fonte (Tf) e carga (Tc) de modo que, COPmax=Tc/(Tc- Tf) no modo de aquecimento. Isso significa que maiores eficiências podem ser alcançadas se a temperatura da fonte e da carga estiverem próximas, como é geralmente o caso quando se consi- dera os edifícios e o ambiente circundante. [19]

Figura 2.9: Modelo conceptual de uma bomba de calor (esquerda) e um ciclo idealizado represen- tado segundo pressão e entalpia (direita), adaptado de [20].

De acordo com o exemplo prático presente em [21], no caso de a temperatura ambiente atingir elevados valores, a diferença de performance entre uma bomba de calor corrente e uma bomba de calor geotérmica são ainda mais evidentes. O conceito de bomba de calor geotérmica é que o calor não é descartado na atmosfera, mas num permutador de calor terrestre, onde a temperatura é muito mais baixa e constante durante todo o ano. Desta forma as bombas de calor aproveitam a temperatura constante e baixa do dissipador para maximizar o COP ou EER. A figura 2.10 apresenta uma comparação de temperaturas entre uma bomba de calor convencional e uma bomba de calor geotérmica [21].

As aplicações geotérmicas de baixa temperatura têm como objetivo fornecer energia a um fluido de alta compressibilidade e baixo ponto de vaporização por forma a transferir energia tér- mica a uma instalação no Inverno e o processo inverso no Verão. No entanto, apenas é possível re- tirar calor se a temperatura da entrada geotérmica for superior à temperatura de retorno do circuito secundário, a qual vem determinada pela instalação de aquecimento e pela temperatura exterior.

Em bombas de calor fora do conceito geotérmico,em condições normais, a diferença mínima geralmente aceite encontra-se num intervalo de 4-6oC entre a temperatura média do fluido quente e a temperatura média do fluido frio e um salto térmico máximo de 10oC entre a temperatura de entrada e saída do fluido que incorpora o sistema em contacto direto com o solo. Na maior parte das aplicações, os fluxos utilizados são:

• caudal de fluido geotérmico entre 65 e 165 l/h kWt, com possível variação de temperatura entre os 13,3 e 5,3oC

• caudal de fluido quente entre 165 e 195 l/h kWt, com possível variação de temperatura entre os 5,3 e 4,4oC

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Figura 2.10: Comparação de temperaturas entre uma bomba de calor convencional (esquerda) e uma bomba de calor geotérmica (direita) [21].

No entanto, uma bomba de calor geotérmica permite evitar os limites evidenciados acima e explorar o potencial do solo, que em principio seria duvidoso devido à sua baixa temperatura e permite ainda explorar o recurso a uma temperatura mais baixa que o normal. De momento contribuem dois fatores importantes que propiciam a implementação deste tipo de bombas: a existência de uma ampla gama de bombas de calor de diferentes tipos e gama de potências a preço continuamente mais acessível que não exigem uma instalação complicada ou mão de obra excessivamente qualificada para instalação e manutenção; e por outro, a existência de maiores áreas de exploração para geotermia de muito baixa temperatura. [10]