Bomba de calor reduz o consumo de energia em indústrias de alimentos e bebidas

As bombas de calor têm ganhado espaço cada vez maior em indústrias de alimentos e bebidas. Na realidade, qualquer ambiente que pede a utilização de água quente e em que existe uma fonte de produção de água gelada pode beneficiar-se da tecnologia que proporciona significativos ganhos energéticos e ambientais. Para falar a respeito das aplicações e princípios de funcionamento, a revista Abrava + Climatização & Refrigeração convidou representantes dos dois maiores fabricantes do equipamento com presença no país: Maria Celina Bacellar, pela Johnson Controls, e Ricardo César dos Santos, pela Mayekawa.

Contribuição para o meio ambiente pela redução de emissões de gases de efeito estufa

A bomba de calor Mayekawa foi desenvolvida para geração de água quente industrial, utilizando como fonte térmica o calor extraído dos processos de refrigeração ou climatização, a partir do fluido de resfriamento secundário com água ou solução eutética, somado à energia da compressão do fluido refrigerante, equivalente à potência consumida do motor elétrico que move o compressor de refrigeração do tipo pistão ou parafuso. Do ponto de vista ambiental, a utilização de bomba de calor é vantajosa, por trazer economia com a redução do consumo de combustíveis utilizados no sistema de aquecimento (aquecedores de água ou caldeiras de vapor), contribuindo para o meio ambiente com redução das emissões de CO2 e redução significativa do consumo de água por evaporação, por minimizar o uso ou até mesmo dispensar torres de resfriamento, normalmente utilizadas para dissipar o calor do sistema de refrigeração.

A Mayekawa tem experiência em aplicações de bomba de calor nos seguintes processos industriais:

– Fábricas de chocolate, onde a água quente é utilizada para fluidizar o produto em tubulações encamisadas e a água gelada é utilizada nos fan-coils do sistema de climatização;

– Cervejarias, nos pasteurizadores de garrafas ou latas, em que a água fria é utilizada no estágio final de resfriamento do produto para manter a temperatura de saída das garrafas ou latas envasadas dentro da faixa de temperatura desejada, e a água quente é utilizada para reduzir o consumo de vapor nos estágios de aquecimento do túnel de pasteurização e redução do consumo de água;

– Fábricas de bebidas gaseificadas, nas linhas de envase, onde a água gelada ou solução é utilizada no resfriamento da bebida, para carbonatação, e a água quente faz a elevação de temperatura das garrafas no túnel de aquecimento warmer para evitar a condensação, das mesmas, na área de estocagem;

– Centros de distribuição, com a recuperação do calor para aquecimento de piso e sistemas de degelo dos forçadores de ar.

– Indústrias de alimentos, no aquecimento de água potável, água aquecida para higienização e pré-aquecimento de caldeira de vapor.

O princípio de funcionamento das bombas de calor se dá através da transferência de calor, utilizando a potência externa para fazer o transporte de energia de um meio frio para um meio quente. Para realizar essa movimentação, as bombas de calor possuem um compressor, um condensador, uma válvula de expansão, um evaporador e um líquido refrigerante. A Mayekawa possui várias configurações de bombas de calor, com compressores tipo alternativo e parafuso, projetados para altas pressões de trabalho e com utilização de fluidos naturais como amônia e CO2. As faixas de temperaturas da água quente com bombas de calor Mayekawa podem chegar a 63°C com fluido natural amônia (R-717) e de 65 °C até 90 °C com CO2.

A geração combinada com bomba de calor e refrigeração se torna mais vantajosa quando a fonte térmica está disponível e constante, de modo que a geração de água quente não seja interrompida devido à ausência de calor no lado da refrigeração, o que contribui para uma melhor performance (COP heat). Portanto, a bomba de calor, como a própria denominação sugere, tem como função principal a geração de água quente, e em situação de menor demanda de água quente, a capacidade de refrigeração também será restringida ou o excedente de calor deverá ser dissipado para a atmosfera através de torres de resfriamento evaporativas ou adiabáticas, para que a capacidade de refrigeração seja mantida com menor eficiência energética. Para realizar essa movimentação as bombas de calor possuem um compressor, um condensador, válvulas de expansão e controles, um evaporador e fluido refrigerante.

Para especificar uma bomba de calor é necessário quantificar a disponibilidade de calor na fonte fria para que possa ser realizado o dimensionamento e projeto da quantidade de calor que poderá ser recuperada na fonte quente.

Para atingir o desempenho ótimo, a Mayekawa desenvolve uma linha específica de compressores para aplicações em bomba de calor que requer maior diferencial de pressão de trabalho e são projetados para obter altos índices de performance energética. Aliado a compressores de alta eficiência, destacam-se também as novas tecnologias aplicadas em trocadores de calor e componentes específicos para as características de sistemas de bomba de calor, tornando assim a solução eficiente.

Ricardo César dos Santos, Gerente Comercial da Mayekawa do Brasil

Aproveitamento simultâneo dos lados quente e frio para a máxima eficiência

Nos últimos tempos, as bombas de calor estão ganhando popularidade por serem uma boa alternativa às fontes de calor movidas a combustíveis fósseis ou mesmo como um complemento aos sistemas de calor existentes. Em diferentes aplicações industriais, comerciais ou residenciais, a água quente é usada para uma variedade de coisas. O aquecimento ambiente é um dos usos mais populares, mas também outros fins, como: limpeza de garrafas em indústrias de bebidas ou cervejarias, lavagem de equipamentos de processo, aquecimento de equipamentos, aquecimento de água de processo etc. Os níveis de temperatura que podem ser alcançados nas atuais bombas de calor variam: a Johnson Controls pode atingir até 90°C quando a bomba usa os compressores de parafuso Frick e em torno de 70°C, quando usa compressores alternativos Sabroe. São utilizadas em grande escala nos mercados de lácteos, frigoríficos, maltarias, bebidas, ou seja, todo mercado que necessite de água quente.

Não seria incorreto dizer que uma bomba de calor industrial nada mais é do que um sistema de refrigeração, no qual o que se aproveita é o lado quente. Em termos mais técnicos, o princípio de trabalho de uma bomba de calor é extrair calor em um nível de temperatura e fornecer calor a um nível de temperatura mais alto por meio de um fluido de trabalho (o refrigerante) que evapora a um nível de temperatura mais baixo e condensa após uma compressão (no compressor) a uma temperatura e pressão mais altas.

Quando é possível aproveitar os lados quente e frio, simultaneamente, obtém-se a máxima eficiência/benefício da energia empregada no trabalho de compressão. A principal diferença entre a solução que usa uma caldeira e uma bomba de calor é a necessidade de uma carga de resfriamento no lado frio da bomba de calor. A bomba de calor está produzindo simultaneamente líquido ou ar frios, enquanto produz calor no lado quente – que será usado para aquecer água ou ar.

Existem muitos processos industriais que requerem resfriamento e aquecimento, simultaneamente. Nestes casos, a bomba de calor é uma solução muito eficiente, pois aproveita ao máximo a energia empregada no trabalho de compressão – fazendo frio e calor com o mesmo consumo de energia.

Em cervejarias e indústrias de bebidas, por exemplo, o frio é necessário para o processo de produção e engarrafamento e, ao mesmo tempo, a água quente é necessária para desinfecção e limpeza de garrafas. Nos frigoríficos e abatedouros, acontece o mesmo. O frio é necessário para a produção, e o calor, para limpeza e higienização.

E, assim, diversas outras indústrias poderiam substituir ou complementar suas caldeiras com as bombas de calor, às vezes, já presentes em suas plantas, mas, até então, só fazendo frio. O pré-aquecimento da água para caldeiras é uma possibilidade muitas vezes esquecida e que pode ser feita pelas bombas de calor.

A bomba de calor nada mais é do que um chiller sendo usado do lado quente. Assim, seus componentes principais são os mesmos: compressor, condensador, evaporador e expansão. Lembrando que alguns cuidados adicionais devem ser tomados no dimensionamento, principalmente, do condensador que trabalhará com temperaturas muito mais elevadas do que as tradicionais de um sistema dimensionado exclusivamente para refrigeração.

A Johnson Controls desenvolveu os componentes de suas bombas de calor visando oferecer equipamentos ao mercado que suprissem suas demandas de calor: as bombas com compressores parafuso Frick podem produzir temperaturas acima de 90°C e as que utilizam os compressores alternativos Sabroe, 70°C.

A escolha do fluido refrigerante também é determinante para a boa operação do sistema. Atualmente, a amônia é o fluido predominante por ser bem conhecida, possuir boas características e ser muito eficiente. Em alguns casos, na faixa de menor capacidade, emprega-se o Isobutano.

É certo que, no futuro, veremos bombas de calor produzindo temperaturas bem acima de 100°C. Para isso, os fluidos de trabalho serão uma seleção de fluidos naturais, incluindo Butano, Pentano, Heptano e até mesmo água. O principal desafio para obter temperaturas mais altas, acima de 180°C, são os óleos lubrificantes atuais usados nos compressores. No entanto, parece haver um movimento nestes fabricantes em busca de lubrificantes que possam suportar temperaturas mais altas. Outros materiais e componentes também precisam ser desenvolvidos para bombas de calor indo a temperaturas muito altas, como por exemplo, os anéis O-rings e vedações do eixo.

Maria Celina Bacellar, Gerente de Produto de Refrigeração Industrial para América Latina da Johnson Controls