O artigo retrataa recuperação de calor de sobreaquecimento e de condensação do ciclo frigorífico
A recuperação de calor é um processo que permite reutilizar o calor residual de um sistema para aquecer ou resfriar outro ambiente ou líquido. Isso não apenas reduz desperdícios, mas também economiza energia e dinheiro.
Mas o que é calor?
CALOR é definido como energia cinética total dos átomos e moléculas que compõem uma substância, ou também pode ser definido como a energia transmitida espontaneamente entre corpos que se encontram em diferentes temperaturas.
E temperatura? Qual a diferença entre calor e temperatura?
TEMPERATURA é uma medida da energia cinética média das moléculas ou átomos individuais.
A distinção fica mais clara pelo seguinte exemplo. A temperatura de um copo de água fervente é a mesma que a da água fervente de um balde. Contudo, o balde de água fervente tem uma maior quantidade de energia que o copo de água fervente. Portanto, a quantidade de calor depende da massa do material, a temperatura não.
Embora os conceitos de calor e temperatura sejam distintos, eles são relacionados. A temperatura de uma parcela de ar pode mudar quando o ar ganha ou perde calor, mas isto não é sempre necessário, pois pode haver também mudança de fase da água contida no ar ou mudança de volume da parcela de ar, associada com o ganho ou perda de calor. Por outro lado, gradientes de temperatura determinam o fluxo de calor de um lugar para outro através dos 3 tipos de troca térmica: radiação, condução e convecção
A recuperação do excesso de calor pode ser obtida a partir de várias fontes:
– Gases de combustão;
– Efluentes quentes ou frios;
– Ar de exaustão;
– Água de arrefecimento e óleo hidráulico;
– Calor de sobreaquecimento e de condensação rejeitados dos processos de refrigeração;
– Correntes do processo que necessitem de ser arrefecidas.
Como o foco desta revista são sistemas de ar-condicionado e refrigeração, a fonte para recuperação que vamos retratar a seguir é o calor de sobreaquecimento e de condensação do ciclo frigorífico.
No ciclo frigorífico, tanto em sistemas de refrigeração como em sistemas de ar-condicionado, temos calor sendo absorvido de um ambiente, no caso de equipamentos de expansão direta, ou de um fluido em equipamentos de expansão indireta, e sendo rejeitados para outro ambiente, externo se for em sistemas de condensação à ar ou para outro fluido, em sistemas de condensação à água.
Este calor rejeitado, é maior do que o calor absorvido, pois é a soma do calor absorvido com a potência necessária inserida no ciclo de refrigeração pelo compressor para promover o fluxo do fluido refrigerante entre os componentes do sistema, promovendo sua evaporação ondese promove a absorção do calor e condensação que é onde se promove a rejeição do calor.
Isto quer dizer que sistemas de refrigeração e ar-condicionado rejeitam uma quantidade enorme de calor e, sendo calor uma fonte de energia, estes sistemas estão jogando energia fora, de forma que é muito importante conseguir utilizar esta energia de alguma forma, sendo a forma mais viável o aquecimento de água, podendo esta água aquecida ser utilizada tanto no consumo em sistemas hidro sanitários, como também aquecimento de piscinas, ou em serpentinas de desumidificação em unidades de tratamento de ar.
A recuperação de calor em sistemas de ar-condicionado de expansão indireta (água gelada), pode ser feita pela utilização de chillers com recuperação de calor ou através de sistemas dedicados a recuperação de calor, como bombas de calor água/água, com água circulando tanto no evaporador do equipamento como com água circulando no condensador do equipamento.
Um fator determinante na escolha do processo de recuperação de calor é a temperatura desejada da água que teremos que aquecer.
Chillers de condensação àágua normalmente são projetados para operarem com água de condensação entrando a 29,5oC e saindo a 35oC. Com esta água de condensação a 35oC já é possível fazer o aquecimento de piscinas, ou o pré-aquecimento de água de reposição de reservatórios de água quente, utilizando-se um trocador intermediário para não misturar a água de condensação com a água da piscina, ou a água sanitária de consumo.
Se dimensionarmos este trocador de calor intermediário para um approach de 3oC teremos como obter água a 32oC a partir da água de condensação a 35oC.Esta água a 32oC também já pode ser suficiente para atender a serpentinas de reaquecimento do ar em processos de desumidificação, se calculadas para operação nesta temperatura.
Este processo de recuperação de calo com as temperaturas acima é o de maior eficiência energética, pois não requer a utilização e uma potência adicional para aumentar a temperatura.Já para a produção de água sanitária para consumo, existe recomendação para armazenamento desta água em temperaturas acima de 45oC por questões sanitárias. Nestes casos, se aumentarmos a temperatura de condensação nos chillers para produção de água em temperaturas mais altas aumentaremos o seu consumo de energia, de forma que precisamos comparar a demanda de refrigeração com a demanda de aquecimento, para verificar a melhor estratégia para se fazer a recuperação de calor.
A alternativa mais conhecida para a produção de água quente (acima de 45oC) oriunda de recuperação de calor de um sistema de ar-condicionado é a utilização de chillers com recuperação de calor.Para produzir água em temperaturas mais altas, estes chillers com recuperação de calor utilizam o calor em temperatura mais alta do superaquecimento do fluido refrigerante. Na saída do compressor é instalado um trocador de calor intermediário antes do condensador do equipamento, e neste trocador de calor consegue-se uma temperatura de água maior do que da água de condensação de chillers à água.
Uma alternativa que vem cada vez mais ganhando mercado na produção de água quente é a utilização de equipamentos dedicados a recuperação de calor funcionando como bombas de calor para promover o acréscimo de temperatura necessário em sistemas de água quente hidrossanitários.Estes equipamentos são dimensionados em função da demanda de água quente, que normalmente aqui no Brasil, por conta do nosso clima, é menos de 20% da demanda de ar-condicionado. No evaporador destes equipamentos pode ser utilizada tanto a água gelada de retorno das unidades de tratamento de ar como também água de condensação. Já no condensador destes equipamentos circulará a água a ser aquecida em temperaturas acima de 45oC.
Este processo de recuperação de calor utilizando-se de equipamentos dedicados a este fim traz algumas vantagens em comparação com a utilização de chillers com recuperação de calor.Em chillers com recuperação de calor, a água quente é o rejeito, não se tem controle sobre a temperatura da água quente produzida, o setpoint do equipamento é a temperatura de saída da água gelada. Quando operando em cargas parciais, a temperatura de produção da água quente diminui, podendo ficar abaixo do valor desejado, quando então deixa de haver a recuperação de calor, e é justamente nos horários mais frios, em que a carga de ar-condicionado cai, que a demanda de água quente aumenta.
Já em equipamentos dedicados a recuperação de calor (bombas de calor água/água), o setpointdos equipamentos é a temperatura da água quente, o rejeito passa ser a produção de água gelada, ou o resfriamento da água de condensação. Neste caso, não existe o risco de não se produzir água quente na temperatura desejada, permitindo efetivamente que se tenha uma fonte de aquecimento independente das tradicionais de queima de combustíveis fósseis.
Sistemas dedicados a recuperação de calor também trazem maior eficiência energética em relação a chillers com recuperação de calor, pois apesar do COP mais baixo na operação com água quente em temperatura mais alta, este COP mais baixo se dá apenas na parcela de produção de água quente que representa menos de 20% da demanda de ar-condicionado, enquanto que um chiller com recuperação de calor terá seu COP mais baixo em relação a operação convencional sem recuperação de calor para toda a demanda de ar-condicionado, e não apenas para demanda de água quente, em função da necessidade de aumentar a temperatura e pressão de condensação.
Na figura 1, podemos ver o fluxograma conjugado água gelada/água quente utilizando-se de uma bomba de calor água/água dedicado a recuperação de calor.
Figura 1
Nesta configuração mantemos o sistema de aquecimento a gás existente como backup, tornando a instalação flex ou hibrida.
Na figura 2, temos o resultado da implantação de um sistema como este no hotel Marriot do aeroporto de Guarulhos em São Paulo.
Engº Marcos Santamaria Alves Corrêa
Indústrias Tosi
