Bombas de calor

                         ESTUDO TÉCNICO

O USO DE BOMBAS DE CALOR EM SISTEMAS DE  AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO DE LÍQUIDOS

• AUTORIA E RESPONSABILIDADE:

      Ambiental Associados Projetos Representações e Consultoria Ltda;

• ÁREA DE ESTUDO:

Energia

• RESPONSÁVEL TÉCNICO:

     Nilzo de Almeida Plazzi Filho

           CREA – 3169-D-ES

• DATA:

Julho de 2009

• RESPONSABILIDADES

• Este Estudo Técnico é de Responsabilidade e Propriedade da Ambiental Associados Projetos Representações e Consultoria Ltda, conforme sua autoria e responsabilidade técnica;
• O Autor NÃO autoriza a circulação e publicidade deste trabalho;
• As destinações deste Estudo Técnico são reservadas a pessoas e empresas definidas pelo Responsável Técnico.  

1) INTRODUÇÃO

Um dos marcos da revolução industrial foi a invenção da máquina a vapor. A partir de sua invenção, queimava-se carvão e madeira e o calor liberado transformava água em vapor e consequentemente em trabalho. Mas mesmo com este grande passo para o desenvolvimento industrial, um questão importante naquela época era avaliar qual a quantidade máxima de trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada quantidade de combustível, já que suas características físicas diferentes influenciavam no rendimento final do processo. Esta questão foi respondida brilhantemente pelo Engenheiro Francês Sadi Carnot, que em 1.811, representou matematicamente a Segunda Lei da Termodinâmica e apresentou princípios que serviram de base para posteriores estudos de desenvolvimento tecnológico.

O Estudo Técnico que desenvolveremos a seguir apresenta os princípios e aplicações das BOMBAS DE CALOR, que são máquinas utilizadas para importantes transformações energéticas e que podem ser excelentes opções para o resfriamento e aquecimento de líquidos em diversos seguimentos.

2) LEIS FUNDAMENTAIS DA TERMODINÂMICA

O estudo da Física quase sempre envolve o conceito de energia, que se manifesta de várias formas, recebendo em cada caso um nome que a caracterize, como energia mecânica, energia elétrica, energia térmica e etc. O conceito de energia pode ser bem aceito como sendo “aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema, se opondo a uma força que resiste a esta mudança”.

Lembremos ainda que CALOR é ENERGIA TÉRMICA em trânsito e é assim que deve ser entendido quando nos referirmos a ele neste Estudo.

A TERMODINÂMICA estuda as transformações e as relações existentes entre dois tipos de energia: a ENERGIA MECÂNICA e a ENERGIA TÉRMICA. O conhecimento de suas leis fundamentais é pré-requisito fundamental para o entendimento e o desenvolvimento de suas aplicações.

A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA é, na realidade uma aplicação do PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA, e pode ser enunciado conforme abaixo:

“ Energia não pode ser criada ou destruída. Só se pode mudá-la de uma forma para outra, ou só acrescentá-la a um sistema (aquilo com que estamos lidando), retirando de outro lugar (dos arredores)”.

“ A variação da ENERGIA INTERNA (∆U) entre dois estados quaisquer de equilíbrio de uma sistema pode ser determinado pela diferença entre o calor (Q) e o trabalho (W) trocados com o meio, considerando que este sistema sofre uma transformação termodinâmica (variações de temperatura, pressão, volume)”:

                                                ∆U = Q - W

                             

A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA está relacionada com o fluxo de calor de uma fonte para outra e é bem aplicável ao funcionamento das MÁQUINAS TÉRMICAS. Os principais enunciados:

“ É impossível construir uma máquina que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica recebida de uma fonte quente”.

“ É impossível uma máquina, sem ajuda de um agente externo, conduzir calor de um sistema para um outro que esteja a uma maior temperatura”.

3) OS ESTUDOS DE SADI CARNOT

Na realidade, os estudos de CARNOT representam matematicamente os enunciados da SEGUNDA LEI.

Se considerarmos uma operação contínua com 2 reservatórios, um quente a T1 e outro frio a T2,  teremos esquematicamente o funcionamento de um máquina térmica, conforme a SITUAÇÃO 1 mostrada a seguir:

                  

          SITUAÇÃO 1                                         

   [pic 3][pic 2]

Nesta SITUAÇÃO 1, o dispositivo, representado pelo círculo, recebe calor Q1 da fonte quente T1 e tem como resultado a realização do trabalho W e ainda o calor rejeitado Q2 para a fonte fria T2;

                                        Q1 – W = Q2    ou:

                                        W = Q1 – Q2

                                         

A máquina da SITUAÇÃO 1 é chamada  MOTOR A CALOR DE  CARNOT, ou seja, é a máquina térmica REVERSÍVEL que produz trabalho a partir de um fluxo de calor. Analisando esta situação, concluímos que não podemos apenas tomar calor de uma fonte quente em uma operação contínua.  Na realidade sempre precisaremos de um suprimento de calor a uma maior temperatura (fonte quente) e um escoadouro de calor a uma menor temperatura (fonte fria).