Bomba de calor

Bomba de calor é um dispositivo que tem por finalidade transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Ela opera realizando um ciclo termodinâmico cujo objetivo é receber calor de um corpo a baixa temperatura e ceder calor para um corpo a alta temperatura. A realização de trabalho é necessária para esse processo.

Componentes externos de uma bomba de calor residencial

Bombas de calor são projetadas para mover energia térmica na direção oposta ao fluxo espontâneo de calor. Apesar de condicionadores de ar e refrigeradores serem exemplos comuns de bombas de calor, o termo “bomba de calor” é mais geral e se aplica a dispositivos AVAC usados para aquecimento e resfriamento de ambientes. Quando a bomba de calor é usada para aquecimento, ela emprega o mesmo ciclo de refrigeração usado por ar condicionados e refrigeradores, mas no sentido contrário, liberando calor no espaço condicionado ao invés de fazê-lo no ambiente ao redor. Neste caso bombas de calor geralmente extraem calor de ambiente externo mais frio ou do chão.

Visão geral

Em aplicações AVAC, o termo “bomba de calor” usualmente se refere a dispositivos de refrigeração por compressão facilmente reversíveis, com alta eficiência em ambos os sentidos de transferência de energia térmica.

O calor flui espontaneamente de lugares mais quentes para lugares mais frios. A bomba de calor pode absorver calor de um espaço mais frio e liberá-lo para um mais quente, e vice-versa. Esse processo requer um certa quantidade de energia externa, pois o calor não é conservado.

Bombas de calor usam um fluido volátil, chamado de fluido refrigerante, que vaporiza ao absorver calor e condensa ao perdê-lo. O refrigerante flui através de tubos isolados entre o evaporador e o condensador, permitindo a transferência eficiente de energia térmica.

Princípios operacionais

Ciclo de refrigeração por compressão de vapor de uma bomba de calor:
1) condensador,
2) válvula de expansão,
3) evaporador,
4) compressor

A bomba de calor explora as propriedades físicas da evaporação e condensação de um fluido volátil conhecido como refrigerante. Esse fluido é comprimido para se tornar mais quente no lado a ser aquecido e libera a pressão no lado onde o calor é absorvido.

O fluido percorre um ciclo termodinâmico, no qual ele absorve calor no evaporador, onde a pressão e a temperatura são baixas, recebe trabalho (é pressurizado) no compressor e cede calor no condensador, onde a pressão e a temperatura são altas. Quando o fluido refrigerante escoa pela válvula de expansão, ocorre uma queda de pressão. Assim, a bomba de calor é um dispositivo que opera segundo um ciclo que precisa de trabalho para que seja possível a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura para outro a alta temperatura.

O fluido de trabalho, no seu estado gasoso, é pressurizado por um compressor e então circula pelo sistema através de tubos isolados. No lado de descarregamento do compressor, o vapor, com alta pressão e alta temperatura, é resfriado em um condensador, até ele se tornar um líquido com alta pressão e temperatura moderada. O refrigerante condensado passa por uma válvula de expansão que diminui a sua pressão. O fluido líquido então entra no evaporador, onde ele absorve calor e ferve. Logo após ele retorna para o compressor e o ciclo se repete.

É essencial que o refrigerante atinja uma temperatura alta o suficiente, quando comprimido, para liberar calor através do condensador, e que atinja uma temperatura baixa o suficiente, quando expandido, para que o calor possa fluir do ambiente frio para o fluido no evaporador. A diferença de pressão deve ser grande o bastante para o fluido se condensar no lado quente e evaporar no lado frio. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a diferença de pressão necessária e, consequentemente, maior a energia requerida para comprimir o fluido. Portanto, como em todas as bombas de calor, o coeficiente de performance decresce com o aumento da diferença de temperatura.

Nas bombas de calor, sempre ocorre a troca de calor entre o refrigerante e substâncias externas ao equipamento. O trabalho é fornecido na forma de energia elétrica ou por meio de um eixo de rotação.

Uma máquina térmica recebe calor de um reservatório quente, converte parte desse calor em trabalho mecânico e rejeita a diferença na forma de calor para um reservatório frio. O refrigerador, entretanto, recebe o calor de um reservatório frio, o compressor fornece trabalho mecânico ao refrigerador e o calor é rejeitado para o reservatório quente.

Eficiência

A eficiência de uma bomba de calor é representada pelo coeficiente de performance (COP), que é dado pela seguinte fórmula:

$COP_{\mathrm {aquecimento} }={\frac {\Delta Q_{\mathrm {quente} }}{W}}$

$COP_{\mathrm {resfriamento} }={\frac {\Delta Q_{\mathrm {frio} }}{W}}$

Onde

• $\Delta Q_{quente}$ é o calor liberado para o reservatório quente.
• $\Delta Q_{frio}$ é o calor extraído do reservatório frio.
• $W$ é o trabalho realizado no compressor.

Inserção no edifício

Embora as bombas de calor sejam convincentes em termos de eficiência energética e de emissões de CO2, os vizinhos queixam-se cada vez mais do ruído. A causa são as unidades exteriores. Estas aspiram o ar ambiente e geram ruído no processo. Dependendo do modelo, este pode ser um fator de stress, especialmente em áreas residenciais densamente povoadas. De acordo com o fabricante, o nível de ruído situa-se entre os 40 e os 60 decibéis.

Ver também

• Motor Schukey (máquina frigorífica que emprega ar atmosférico como fluido refrigerante)
• Refrigeração por compressão
• Trocador de energia térmica