ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UMA BOMBA DE CALOR:...

DOUGLAS ALEXANDRE RODRIGUES DE SOUZA

ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UMA BOMBA DE CALOR: PROPOSTA DE MODELO DE CONTROLE DE FLUXO DE MASSA DE R-22 PARA O AUMENTO DA

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

FLORIANÓPOLIS, 2014

INSITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM MECATRÔNICA




Dissertação submetida ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Mecatrônica.

Orientador: Francisco Édson Nogueira de Melo, Me. Eng.

Coorientador: Sérgio Pereira da Rocha, Dr. Eng.

FLORIANÓPOLIS, 2014

CDD 621.382 S729m Souza, Douglas Alexandre Rodrigues de 1 v. : il. Inclui referências. 1. Refrigeração. Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis Catalogado por: Edinei Antonio Moreno CRB 14/1065 Rose Mari Lobo Goulart CRB 14/277




Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Mestre em Mecatrônica na sua forma final pela banca examinadora do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.

Florianópolis, 21 de novembro de 2014.

__________________________________________ Prof. Francisco Édson Nogueira de Melo, M. Eng.

Orientador

__________________________________________ Prof. Roberto Alexandre Dias, D. Eng.

Coordenador do Curso Banca Examinadora:

__________________________________________ Prof. Francisco Édson Nogueira de Melo, M. Eng.

Presidente

__________________________________________ Profa. Cynthia Beatriz Scheffer Dutra, D. Eng.

__________________________________________ Prof. Joaquim Manoel Gonçalves, D. Eng.

“O homem levou-me de volta à entrada do templo, e vi água saindo de debaixo da soleira do templo e indo para o leste, pois o

templo estava voltado para o oriente. A água descia de debaixo do lado sul do templo, ao sul do altar.

Ele então me levou para fora, pela porta norte, e conduziu-me pelo lado de fora até a porta externa que dá para o leste, e a

água fluía do lado sul.

O homem foi para o lado leste com uma linha de medir na mão e, enquanto ia, mediu quinhentos metros e levou-me pela água, que

batia no tornozelo. Levou-me então de volta à margem do rio.

Ele mediu mais quinhentos metros e levou-me pela água, que chegava ao joelho. Mediu mais quinhentos e levou-me pela água,

que batia na cintura. Mediu mais quinhentos, mas agora era um rio que eu não conseguia atravessar, porque a água havia

aumentado e era tão profunda que só se podia atravessar a nado; era um rio que não se podia atravessar andando.

Ele me perguntou: 'Filho do homem, você vê isto?'

Quando ali cheguei, vi muitas árvores em cada lado do rio. Ele me disse: 'Esta água flui na direção da região situada a leste e

desce até a Arabá, onde entra no Mar. Quando deságua no Mar, a água ali é saneada.

Por onde passar o rio haverá todo tipo de animais e de peixes. Porque essa água flui para lá e saneia a água salgada; de modo

que onde o rio fluir tudo viverá. [...] Os peixes serão de muitos tipos, como os peixes do mar Grande. Mas os charcos e os pântanos não ficarão saneados; serão deixados para o sal.

Árvores frutíferas de toda espécie crescerão em ambas as margens do rio. Suas folhas não murcharão e os seus frutos não

cairão. Todo mês produzirão, porque a água vinda do santuário chega a elas. Seus frutos servirão de comida; suas folhas, de

remédio.' ” (Ezequiel 47.1-12).

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer ao IFSC pela oportunidade e apoio na realização deste projeto de Mestrado. Ao meu orientador professor Édson Melo que não desistiu de mim em nenhum momento. Ao meu coorientador professor Sérgio Pereira da Rocha que apontou a direção durante o andamento da pesquisa. Ainda, de forma especial, a Coordenadoria de Refrigeração e Ar-condicionado do Campus São José, na pessoa do professor George Henry Wojcikiewics. Também, ao grupo de professores de RAC que defenderam e ajudaram de forma incondicional a realização desse trabalho. Aos técnicos de laboratório Ronaldo e Carlos Eduardo. As estagiárias Natalia e Jaqueline. Da mesma forma, agradeço a todos os meus amigos que observaram a minha angústia nesses últimos momentos. Por fim, não importa o que tenha acontecido, ou o que irá acontecer, esse trabalho foi realizado quando não estava pensando em você Maria Luisa.

RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo sobre a eficiência e o comportamento de uma bomba de calor, bem como uma proposta de modelo de controle de fluxo de fluido refrigerante com a finalidade de proporcionar o seu máximo desempenho. O estudo analisou a eficiência energética de uma bomba de calor a partir, principalmente, da medição de temperatura e da energia consumida, de forma a determinar o seu desempenho. Com base na pesquisa aqui desenvolvida, foi realizada a seleção de parâmetros na tentativa de apresentar um modelo de controle da quantidade de fluido refrigerante que circula pelo sistema. Sugerindo-se ainda, o desenvolvimento de uma tecnologia que possibilitasse o controle automático do fluxo da massa de R-22 de modo a maximizar o desempenho, contribuindo para a economia de energia através da eficiência energética. O melhor desempenho vai ocorrer a partir da detecção de variáveis de temperatura, atuando no funcionamento com a liberação de mais ou menos fluido que circula pelo sistema. O modelo de controle foi idealizado através do monitoramento das temperaturas, de condensação e evaporação, liberando proporcionalmente a quantidade de fluido refrigerante que circula pelo sistema através de válvulas automatizadas e reservatório de fluido intermediário.

Palavras-chave: Bomba de Calor. R-22. Eficiência Energética.

ABSTRACT

This paper presents a study on the efficiency and performance of a heat pump as well as a proposal to control refrigerant flow in order to provide the maximum performance model. The study analyzed the energy efficiency of a heat pump from mainly the measuring temperature and the energy consumed in order to determine its performance. Based on the research conducted here, the selection of parameters was performed in an attempt to present a model for controlling the amount of refrigerant flowing through the system. Suggesting also the development of a technology that would allow automatic control of the flow of the mass of R-22 in order to maximize performance, contributing to energy savings through energy efficiency. The best performance will occur from the detection of temperature variables, acting on running with the release of more or less fluid that circulates through the system. The model of control was idealized by monitoring temperatures, condensation and evaporation, releasing proportionally the amount of refrigerant flowing through the system via automated valves and intermediate reservoir fluid.

Key-words: Heat Pump. R-22. Energy Efficiency.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – (A) Ciclo padrão de refrigeração e (B) Representação simplificada do diagrama p - h ....... 29

Figura 2 – Tubo capilar ............................................................... 32

Figura 3 – Válvula de expansão genérica................................... 33

Figura 4 – Principais Linhas do Diagrama de Mollier p - h para o R-22............................................................... 34

Figura 5 – Consumo setorial de eletricidade (2012)................... 41

Figura 6 – Consumo final de energia elétrica em GWh.............. 42

Figura 7 – Estimativa de consumo final de energia residencial (2010)........................................................................ 46

Figura 8 – Efeito da carga de refrigerante no COP para diferentes temperaturas ambiente............................ 51

Figura 9 – Efeito da carga de refrigerante no COP para diferentes volumes do condensador ........................ 51

Figura 10 – Influência da temperatura de evaporação no COP do ciclo teórico............................................................... 53

Figura 11 – Influência da temperatura de condensação no COP do ciclo teórico.......................................................... 54

Figura 12 – Influência do sub-resfriamento no COP do ciclo teórico ....................................................................... 55

Figura 13 – Influência do superaquecimento no COP do ciclo teórico ....................................................................... 56

Figura 14 – Experimento realizado ............................................. 58

Figura 15 – Curva de desempenho da bomba de água: vazão x pressão........................................................ 61

Figura 16 – Radiador automotivo................................................ 62

Figura 17 – Diagrama das dimensões do radiador automotivo em [mm].................................................................... 63

Figura 18 – Ventoinha do radiador ............................................. 64

Figura 19 – Tubos e conexões PPR........................................... 65

Figura 20 – Dimensões do termistor de vidro em [mm].............. 67

Figura 21 – Curva característica típica dos termistores NTC e PTC ............................................................... 68

Figura 22 – Alicate amperímetro digital modelo ET-3610 .......... 69

Figura 23 – Sistema de aquisição Agilent 34970A..................... 71

Figura 24 – Furação para instalação do termistor...................... 75

Figura 25 – Medição de energia com alicate amperímetro digital ........................................................................ 78

Figura 26 – Experimento realizado............................................. 80

Figura 27 – Instalação do radiador ............................................. 81

Figura 28 – Teste de funcionamento dos sensores de temperatura .............................................................. 82

Figura 29 – Localização dos sensores de temperatura no experimento............................................................. 83

Figura 30 – Carga de fluido refrigerante..................................... 86

Figura 31 – Teste de funcionamento da bomba de calor........... 87

Figura 32 – Comportamento da tensão ao longo de um teste .......................................................................... 88

Figura 33 – Comportamento da corrente ao longo de um teste .......................................................................... 89

Figura 34 – Comportamento da temperatura da água na saída e no retorno à bomba de calor ....................... 90

Figura 35 – Comportamento das temperaturas da água na saída e no retorno à bomba de calor ....................... 91

Figura 36 – Comportamento da variação da temperatura da água..................................................................... 92

Figura 37 – Condições de desempenho da bomba de calor com base nas informações do fabricante .............. 102

Figura 38 – Condição de desempenho da bomba de calor após da troca do refrigerante ................................. 105

Figura 39 – Controle de processos em malha fechada............ 108

Figura 40 – Diagrama de controle discreto de um processo contínuo. ................................................................. 109

Figura 41 – Modelo de controle proposto ................................. 110

Figura 42 – Concepção do modelo de controle proposto......... 112

Figura 43 – Fluxograma do modelo de controle proposto........ 113

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Conversão BTU/h para watts.................................... 39

Tabela 2 – Característica da bomba de calor............................. 58

Tabela 3 – Característica da bomba de água............................. 60

Tabela 4 – Características elétricas da bomba de água ............ 61

Tabela 5 – Características elétricas do termistor........................ 66

Tabela 6 – Características do alicate amperímetro digital ......... 69

Tabela 7 – Medições de vazão ................................................... 76

Tabela 8 – Dados coletados de corrente, tensão e potência em um dos testes ..................................................... 92

Tabela 9 – Incertezas de medição das grandezas independentes .......................................................... 98

Tabela 10 – Incerteza expandida máxima para algumas variáveis.................................................................... 99

Tabela 11 – Resumo dos resultados dos ensaios iniciais........ 101

Tabela 12 – Resumo dos resultados dos ensaios finais .......... 103

ABREVIATURAS E SIGLAS

A/D – Analógico/Digital

BEN – Balanço Energético Nacional

BEU – Balanço de Energia Útil

BNDES – Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social

BTU – British Thermal Unit

CLP – Controlador Lógico Programável

CNC – Controle Numérico Computadorizado

CNPE – Conselho Nacional de Política Energética

CONPET – Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural

COP – Coeficiente de desempenho

D/A – Digital/Analógico

ELETROBRÁS – Centrais Elétricas Brasileiras S.A.

EPE – Empresa de Pesquisa Energética

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

LAN – Local Area Network

MME – Ministério de Minas e Energia

NTC – Negative Temperature Coefficient

PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem

PNE – Plano Nacional de Energia

PTC – Coeficiente Positivo de Temperatura

PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

PPR – Polipropileno Copolímero Random

SI – Sistema Internacional

SCPI – Standard Commands for Programmable Instruments

USB – Universal Serial Bus

LISTA DE SÍMBOLOS

EQ potência de refrigeração [kW]

CW potência de compressão [kW]

m vazão mássica [kg/s]

h entalpia específica [kcal/kg]

CQ fluxo de calor do condensador [kW]

p pressão [kgf/cm2]

TO temperatura de evaporação [°C]

TC temperatura de condensação [°C]

∆T variação de temperatura [K]

Q fluxo de calor [J/s]

C calor específico [J/kgK]

Qz vazão volumétrica [L/s]

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ......................................................................... 27

1.1 Contextualização................................................................. 28

1.1.1 O Sistema de refrigeração ................................................. 28

1.1.2 Rendimento energético ...................................................... 36

1.1.3 Panorama energético brasileiro ......................................... 40

1.1.4 Consumo específico de equipamentos eletrodomésticos ................................................................... 44

1.2 Objetivo do trabalho ........................................................... 46

1.3 Delimitação do trabalho ..................................................... 47

1.4 Estrutura do trabalho.......................................................... 47

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................. 49

2.1 Refrigeração e uso de refrigerante .................................. 49

2.2 Carga de refrigerante.......................................................... 49

2.3 Parâmetros que influenciam o COP do ciclo de refrigeração.......................................................................... 52

3 APARATO EXPERIMENTAL .................................................. 57

3.1 Bomba de calor ................................................................... 57

3.1.1 Bomba de água .................................................................. 59

3.2 Radiador ............................................................................... 62

3.2.1 Ventoinha ........................................................................... 63

3.3 Tubos e conexões PPR ...................................................... 64

3.4 Sistemas de medição.......................................................... 65

3.4.1 Medição de temperatura .................................................... 65

3.4.2 Alicate amperímetro digital................................................. 68

3.4.3 Aquisição de dados............................................................ 70

4 METODOLOGIA ...................................................................... 73

4.1 Processo de medição ......................................................... 73

4.1.1 Medição da temperatura .................................................... 74

4.1.2 Medição da vazão .............................................................. 75

4.1.3 Medição da energia consumida......................................... 77

4.2 Visão geral do experimento ............................................... 79

4.3 Método de ensaio................................................................ 81

4.4 Carga de fluido refrigerante............................................... 85

4.5 Execução dos ensaios........................................................ 87

4.6 Processamento dos dados de um ensaio........................ 93

4.7 Incertezas de medição........................................................ 94

5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS........................................ 101

5.1 Ensaios iniciais ................................................................. 101

5.2 Ensaios finais .................................................................... 103

6 CONTROLE DE FLUIDO REFRIGERANTE ........................ 107

6.1 Controle de processos ..................................................... 107

6.2 Controle digital.................................................................. 108

6.3 Modelo de controle de fluxo de massa de R-22 ............ 110

6.3.1 Válvula de controle........................................................... 111

6.3.2 Fluxograma do modelo de controle proposto .................. 113

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................... 115

REFERÊNCIAS......................................................................... 119

APÊNDICE A – Conversão de Unidades............................... 123

APÊNDICE B – Exemplo de Processamento........................ 125

1 INTRODUÇÃO

Os sistemas de refrigeração proporcionam o controle da temperatura em ambientes fechados, de modo que se possam viabilizar processos como a conservação de alimentos, a climatização e o condicionamento do ar. Um exemplo é o ar-condicionado que pode proporcionar o bem-estar através do controle de temperatura, onde o conforto térmico se dá por meio do resfriamento ou aquecimento do ar que circula por determinado ambiente. Outro exemplo é a utilização da bomba de calor, que faz uso do mesmo sistema de refrigeração, só que com a finalidade de aquecer a água (SILVA, 2011).

A invenção dos componentes de um sistema de refrigeração remete à revolução industrial. Ainda hoje, novos métodos para aumento da eficiência são constantemente introduzidos por empresas e inventores do mundo todo, valendo para a grande maioria dos refrigeradores domésticos e bombas de calor baseados em sistemas que operam com base no ciclo de compressão mecânica de vapor.

A Revolução Industrial teve início no Reino Unido (1760) e poucas décadas depois (1850) se espalhou para a Europa Ocidental e os Estados Unidos. Esta transformação incluiu a transição de métodos de produção artesanais para a produção por máquinas. Ela foi caracterizada pela fabricação de novos produtos químicos, novos processos de produção de ferro, maior eficiência no uso da energia e da água, o uso crescente da energia a vapor e o desenvolvimento das máquinas-ferramentas, além da substituição da madeira e de outros biocombustíveis pelo carvão.

Nesse contexto está o uso da energia, cada vez mais, ocupando lugar de destaque no dia a dia das pessoas, tornando-se indispensável para a vida no planeta. O sol, o petróleo, o gás natural, as águas de uma represa ou mesmo o vento, são energias na sua forma mais primitiva. Essas energias passam por transformações até assumirem uma forma que possa ser utilizada pelo homem, como a eletricidade, o calor ou mesmo o

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trabalho mecânico. No entanto, essas transformações seguem leis naturais que são formuladas pela termodinâmica. A primeira lei estabelece um balanço energético no o qual a energia não se cria nem se perde, ela se transforma. A segunda lei estabelece a quantidade de energia primitiva que pode ser transformada em trabalho mecânico, dando origem ao conceito de rendimento energético.

Desta forma, faz-se necessário uma pesquisa que tenha como objetivo conhecer o sistema de refrigeração do ponto de vista de um sistema baseado em bomba de calor, que por sua facilidade de medição, ao contrário de sistemas frigoríficos, possibilitam o levantamento do seu desempenho a partir da medição da temperatura e da energia consumida por esta.

1.1 Contextualização

Nesta seção foram abordados quatro aspectos relacionados ao trabalho. O sistema de refrigeração, cujo funcionamento é semelhante ao de um sistema de bomba de calor utilizado para aquecer a água. O rendimento energético que está associado ao sistema de refrigeração. O panorama energético brasileiro, com vistas a justificar a realização do trabalho, destacando os programas de governo de conservação e de eficiência energética. Por último, o consumo específico de equipamentos eletrodomésticos, cuja parcela atribuída a equipamentos de refrigeração é bastante significativa.

1.1.1 O Sistema de refrigeração

Para melhor compreender um sistema de refrigeração é importante entender seus principais conceitos. Refrigeração é todo processo de remoção de calor. É definida como a parte da ciência que trata do processo de redução e manutenção da

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temperatura de um espaço ou material abaixo da temperatura ambiente. Refrigeração significa esfriar constantemente e conservar o frio. Para se obter o frio, deve-se extrair o calor do corpo que se quer refrigerar, transferindo-o para outro corpo com temperatura menor. Sendo que um ciclo de refrigeração é uma série de processos que proporcionam a refrigeração, onde o estado inicial e final do sistema são os mesmos.

Outro conceito importante é o do efeito refrigerante ou capacidade frigorífica, que é a quantidade de calor absorvida no evaporador, que é a mesma quantidade de calor retirado do espaço que deve ser refrigerado. Mede-se o efeito refrigerante subtraindo-se o calor contido em 1 kg de refrigerante que entra na válvula de expansão, do calor contido no mesmo quilograma de refrigerante ao entrar no compressor. As Figuras 1.A e 1.B mostram a relação entre os elementos de um sistema de refrigeração e o ciclo padrão de refrigeração no diagrama pressão x entalpia1 (p - h).

Figura 1 – (A) Ciclo padrão de refrigeração e (B) Representação

simplificada do diagrama p - h. Fonte: Adaptado de (MSCP, 2012), (SCRIBD, 2012).

1 Entalpia é o calor total ou calor contido em uma substância, expresso em kcal/kg ou kJ/kg.

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É uma aproximação da situação real, uma vez que, por exemplo, não são consideradas perdas de carga e trocas de calor nas tubulações que ligam os dispositivos. Para entender como funciona um sistema de refrigeração dividiu-se o ciclo em quatro partes:

a) Compressão: o compressor é o elemento responsável pela elevação da pressão do sistema, pela pressão de baixa para pressão de alta. Este processo ocorre de forma adiabática, ou seja, sem troca de calor com o meio externo. O processo entre os pontos 1 e 2 é considerado isentrópico, ou seja, os pontos 1 e 2 têm uma mesma entropia o que corresponde, em linhas gerais, a um mesmo grau de desordem da estrutura do fluido refrigerante.

b) Condensação: o elemento responsável é o condensador. A condensação ocorre de forma isobárica2 e sob temperatura constante, com redução da entalpia do fluido pela troca de calor com o ambiente.

c) Expansão: processo representado pela válvula de expansão ou tubo capilar. A expansão é isentálpica3, com redução da pressão do fluido, que passa para a região líquido mais vapor (4).

d) Evaporação: o dispositivo relacionado é o evaporador. Este processo ocorre de forma isotérmica4 e isobárica e há um aumento de entalpia correspondente ao calor removido do sistema.

O funcionamento de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor pode ser demonstrado de acordo com as características termodinâmicas de seus componentes.

2 Processo isobárico é o processo que ocorre à pressão constante. 3 Processo isentálpico é o processo que ocorre à entalpia constante. 4 Processo isotérmico é o processo que ocorre à temperatura constante.

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A Figura 1.A mostra o ciclo de refrigeração de forma resumida, iniciando por 1 com o fluido refrigerante no estado de vapor superaquecido em baixa pressão sendo comprimido no compressor, em 2 o fluido continua em forma de vapor, mas sua pressão e temperatura são aumentadas seguindo para o condensador. Neste, por sua vez, o calor ganho no processo de compressão mais aquele retirado do ambiente refrigerado é expelido para o meio exterior, ocasionando assim o resfriamento do fluido e a consequente mudança da fase de vapor para líquida. Deixando o condensador, ponto 3, no estado de líquido sub-resfriado e em alta pressão, o fluido segue para o dispositivo de expansão, no caso, a válvula de expansão termostática ou tubo capilar, que provoca uma queda de pressão e consequente queda da temperatura. Agora no ponto 4, o fluido, no estado líquido e frio, segue para o evaporador que absorve calor do meio a ser resfriado causando o efeito de refrigeração. O fluido de trabalho, então, muda de fase (líquido para vapor) saindo desse como vapor superaquecido, para retornar ao compressor, iniciando novamente o ciclo.

Outros conceitos importantes que envolvem o ciclo de refrigeração referem-se ao sub-resfriamento e superaquecimento. O primeiro corresponde à diferença entre a temperatura de saturação do fluido refrigerante, na pressão de condensação, e a temperatura do fluido sub-resfriado entre os pontos 2 e 3 das Figuras 1.A e 1.B. Enquanto o segundo corresponde à diferença entre a temperatura do fluido refrigerante entre os pontos 4 e 1 e a temperatura de saturação desse mesmo fluido, considerando a pressão de evaporação do sistema.

Com isso o sub-resfriamento é a condição em que o líquido refrigerante está com uma temperatura inferior à temperatura de saturação5, necessária para evitar que entre em ebulição e, portanto, a mudança do líquido para uma fase de gasosa. A

5 Temperatura de saturação é a temperatura em que um determinado fluido começa a sofrer o processo de mudança de fase de líquido para gasoso ou vice-versa.

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quantidade de sub-resfriamento, em uma determinada condição, é a diferença entre sua temperatura de saturação e a temperatura real do líquido refrigerante. O sub-resfriamento é desejável porque aumenta a eficiência do sistema e porque ele evita que o líquido refrigerante entre no estado gasoso antes que ele chegue para ao evaporador. Do contrário, o sub-resfriamento inadequado impede a válvula de expansão de medir devidamente o líquido refrigerante que entra no evaporador, resultando em mau desempenho do sistema (MIPAL, 2012).

De forma semelhante, o superaquecimento se refere ao número de graus que o vapor está acima da temperatura de saturação (ponto de ebulição), em uma determinada pressão. Ele indica se a quantidade de refrigerante que está fluindo para o evaporador é apropriada para a aquele sistema. Se o superaquecimento é alto, então é necessário adicionar fluido refrigerante. Se o superaquecimento é baixo, há refrigerante a mais no sistema e este deve ser retirado, possivelmente resultando em inundação do compressor com fluido refrigerante no estado líquido causando danos ao compressor. A Figura 2 mostra o dispositivo de expansão tubo capilar comumente utilizado em refrigeradores domésticos.

Figura 2 – Tubo capilar. Fonte: (Komeco, 2014).

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Os dispositivos de expansão são responsáveis por controlar a vazão de fluido refrigerante que vai para o evaporador e de manter uma pressão apropriada entre as partes de alta e baixa pressão do sistema. O tubo capilar visto na Figura 2 consiste de um tubo longo com aproximadamente quatro metros, geralmente de cobre, com diâmetro reduzido, em torno de 0,7mm, e seção transversal constante. Dos componentes de um sistema de refrigeração, o tubo capilar é o mais simples e de menor custo, mas não o menos importante. Por ser de restrição fixa, não responde adequadamente às variações das condições de operação do sistema. Quando essas variações acontecem o sistema se ajusta com perda do seu desempenho. A Figura 3 apresenta uma válvula de expansão genérica.

Figura 3 – Válvula de expansão genérica.

Fonte: (Google, 2014).

A solução para a perda de desempenho está no emprego da válvula de expansão termostática, que tem a mesma capacidade funcional do tubo capilar de gerar a queda de

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pressão necessária entre o condensador e o evaporador do sistema. Basicamente o seu funcionamento está limitado a duas funções: a de controlar o fluxo de fluido refrigerante que entra no evaporador e manter uma saída constante deste sobreaquecimento. Para executar esta tarefa se faz uso de um sensor de temperatura do bulbo da válvula, que é responsável por fechar ou abrir a válvula, de modo a diminuir ou aumentar a quantidade de fluido refrigerante e consequente evaporação dentro do evaporador, o que implica uma temperatura ambiente superior ou inferior, respectivamente (STOEKER; JONES, 1985).

As propriedades termodinâmicas de uma substância são frequentemente apresentadas em tabelas ou diagramas, que nestes casos, representam a pressão absoluta (p) por entalpia (h), sendo mais comum nos fluidos refrigerantes. Um desses diagramas é o de Mollier. A Figura 4 apresenta os elementos essenciais do diagrama, pressão - entalpia (p - h) para o refrigerante R-22. As características gerais de tais diagramas são as mesmas para todas as substâncias puras.

Figura 4 – Principais Linhas do Diagrama de Mollier p - h

para o R-22. Fonte: (SCRIBD, 2014).

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Um conceito importante, que deve ser destacado, é o de substância pura. Diz-se que uma substância é pura quando sua composição química permanece inalterada diante de uma mudança de fase. A água é um exemplo de substância pura, sua fórmula H2O continua a mesma tanto na fase sólida como nas fases líquida e gasosa. Outra característica das substâncias puras é a de manter constante a temperatura durante a mudança de fase, desde que não se mude a pressão sobre ela. A água entra em ebulição a 100°C sobre uma pressão de 1,033 kgf/cm2. Sendo que se a pressão for reduzida para 0,1 kgf/cm2, a vaporização acontecerá a 45,5°C (IENO; NEGRO, 2004).

No diagrama de Mollier, podemos destacar três regiões características, que são:

a) A região à esquerda linha de líquido saturado (X=0) chamada de região de líquido sub-resfriado.

b) A região compreendida entre as linhas de líquido saturado (X=0) e vapor saturado (X=1), chamada de região de vapor úmido ou região de líquido mais vapor.

c) A região à direita da linha de vapor saturado (X=1), chamada de região de vapor superaquecido.

Para determinar as propriedades termodinâmicas de um estado nas condições saturadas, basta conhecer uma propriedade e o estado estará definido. Para as regiões de líquido sub-resfriado e vapor superaquecido precisa-se conhecer duas propriedades para definir um estado termodinâmico.

Nesta seção, foi mostrada a importância de se conhecer o funcionamento do sistema de refrigeração, com base no ciclo teórico de refrigeração, identificando os elementos essências para seu funcionamento e todas as considerações que envolvem as temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento para desempenho do sistema.

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1.1.2 Rendimento energético

Em um sistema de refrigeração o rendimento energético esta associado ao ciclo de refrigeração, onde o objetivo é a remoção de calor do ambiente a ser refrigerado. Desta forma, seu coeficiente de desempenho (COP), que determina o rendimento energético, é definido como sendo a razão entre o calor retirado e o trabalho realizado:

.

.

E

C

QCOP

W

= (1)

Portanto, o COP é uma expressão da eficiência, utilizado para avaliar a relação entre a capacidade de refrigeração

alcançada e o trabalho consumido. Onde E

Q é a potência de

refrigeração (kW), e C

W é a potência de compressão (kW).

Sendo que:

. .

1 4.( )EQ m h h= − (2)

. .

2 1.( )CW m h h= − (3)

Onde m é vazão mássica (kg/s) e h é a entalpia específica do fluido refrigerante.

37

Desta forma:

1 4

2 1

( )

( )

h hCOP

h h

−=

− (4)

Na Equação 4, h1 representa a entalpia do fluido refrigerante na saída do evaporador (entrada do compressor); h2, a entalpia na descarga do compressor; e h4, a entalpia na entrada do evaporador.

Para melhor entender o COP é necessário visualizar o ciclo de refrigeração, através de seus elementos, em comparação com o digrama simplificado de p - h. As Figuras 1.A e 1.B apresentam de modo simplificado, esses dois diagramas para um determinado fluido refrigerante.

Os pontos 1, 2, 3 e 4 são correspondentes em ambos os

diagramas. A relação entre a potência de refrigeração E

Q e a

potência utilizada por C

W , pode ser representada pela relação

(h1 – h4) e (h2 – h1) respectivamente. Assim sendo, o COP está diretamente associado à capacidade de refrigeração (pontos 1 e 4) e a quantidade de energia gasta pelo compressor (pontos 2 e 1) utilizada para isto. É possível deduzir também, que o

coeficiente de desempenho melhora quando se aumenta E

Q ou

quando se diminui C

W sem degradação do desempenho.

A eficiência energética de um sistema de refrigeração indica o quanto um equipamento real aproxima-se de um comportamento ideal, em que não existem perdas. A eficiência pode ser calculada pelo quociente entre a energia útil, frio produzido, e a energia gasta, trabalho produzido pelo compressor. Embora o COP do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo ideal, pode-se verificar que parâmetros influenciam no desempenho do sistema. Assim, o COP pode ser definido como:

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EnergiaUtil

COPEnergiaGasta

= (5)

Pode-se inferir da Equação 5 que, para ciclo teórico, que o COP é função somente das propriedades do refrigerante, consequentemente depende das temperaturas de condensação e vaporização. Para o ciclo real, entretanto, o desempenho dependerá muito das propriedades na sucção do compressor, do próprio compressor e dos demais equipamentos do sistema (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

Outro conceito que deve ser destacado é o de energia útil. Segundo Marques, Haddad e Martins (2006), energia útil “significa a forma energética última, efetivamente demandada pelo usuário, devendo ser algum fluxo energético simples, como calor de alta e baixa temperatura, iluminação, potência mecânica”. Como, por exemplo, a capacidade de transformar energia elétrica em energia térmica através de uma bomba de calor para o aquecimento da água.

Quando se fala de refrigeração, logo se pensa em congelador, refrigerador ou ar-condicionado. Observa-se, no entanto, que comercialmente esses produtos, em especial o ar-condicionado, pode estar especificado segundo a potência de refrigeração, que está associada a unidade térmica britânica (BTU) que é um acrônimo para British Thermal Unit. Trata-se de uma unidade de medida não pertencente ao Sistema Internacional (SI) utilizada em muitos países como: Brasil, Estados Unidos e Reino Unido. A referida unidade de energia é equivalente a 252,2 calorias ou ainda, podemos dizer que um BTU/h é igual 0,293 W (SCRIBD, 2014).

A Tabela 1 mostra a capacidade equivalente de refrigeração em watts das principais potências encontradas em aparelhos de refrigeração e ar-condicionado comercializados.

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Tabela 1 – Conversão BTU/h para watts

Potência (BTU/h) Potencia (W)

7.000 2.051

7.500 2.198

9.000 2.637

10.000 2.930

12.000 3.516

15.000 4.396

18.000 5.274

20.000 5.860

É importante destacar que a conversão representa apenas o equivalente BTU/h para watts em termos comparativos. Na verdade aparece um fator muito importante neste meio, que é o COP. Portanto, vale ressaltar que o BTU/h é a energia útil e a potência gasta depende do valor do COP. Por exemplo, para um aparelho de 12.000 BTU (3.516W) e um COP típico de 3, temos que o consumo médio é 1.172 W. O Apêndice A traz uma tabela de conversão das principais unidades de medida utilizadas no trabalho.

Sendo assim, o rendimento energético em um sistema de refrigeração está associado à capacidade de transformar energia elétrica em energia térmica. O rendimento é obtido pela relação entre energia útil e a energia gasta pelo sistema, que por sua vez, está relacionado com a massa do fluido refrigerante.

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1.1.3 Panorama energético brasileiro

A energia em seu sentido mais amplo tem um papel fundamental para a sociedade, como elemento chave para a inclusão social, desenvolvimento sustentável e, consequentemente, melhoria da qualidade de vida da população. Desta forma, o Governo Federal do Brasil através do Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), vinculado ao Ministério de Minas e Energia (MME), resolveu estabelecer as políticas para setor elétrico nacional.

Com base nos estudos de curto, médio e longo prazos, o governo criou o Plano Nacional de Energia (PNE) 2030 que permitiu à sociedade brasileira vislumbrar as possíveis formas de ter suas demandas energéticas atendidas, com base nas diretrizes de política energética estabelecidas pelo CNPE. No cenário alto aponta um crescimento médio anual do PIB de 5,1 % ao ano, contra um crescimento médio anual do consumo de energia de cerca de 4,4% ao ano. No caso específico de energia elétrica o crescimento chega a 5,1% ao ano neste mesmo cenário. Já o cenário demográfico adotado nos estudos de longo prazo aponta para um aumento da população de 53 milhões de habitantes até o ano 2030. Significando alcançar uma população total de aproximadamente 238 milhões de habitantes contra uma população atual de 185 milhões. Para ser ter uma ideia do tamanho do crescimento, este acréscimo de população é comparável à população da Espanha (43 milhões) e Portugal (11 milhões) somados6.

O caminho para suprir a necessidade de energia elétrica passa pela viabilização da expansão necessária ao adequado atendimento da demanda, com baixo custo da energia, implementando programas de conservação e de eficiência energética, e considerando as questões socioambientais, dentro do conceito do desenvolvimento sustentável (BRASIL. MME, 2008). 6 Dados de 2005.

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Segundo o relatório final do Balanço Energético Nacional (BEN) 20137, produzido pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) coordenado pelo MME, o setor residencial vem mantendo um crescimento discreto na sua participação na matriz energética nacional nos últimos anos, porém, houve um aumento do consumo de energia elétrica neste mesmo período, consequentemente o aumento do consumo residencial de energia. Com base no relatório a Figura 5 mostra que o setor residencial foi responsável por 23,6% do consumo de energia elétrica, ficando atrás apenas do industrial com 42,1% de toda energia consumida.

Figura 5 – Consumo setorial de eletricidade (2012).

Fonte: (BEN, 2013).

O consumo residencial representa cerca de117.646 GWh de toda a energia consumida no país. A Figura 6 apresenta o total de energia consumida entre os anos de 2003 e 2012.

7 https://ben.epe.gov.br/default.aspx.

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Figura 6 – Consumo final de energia elétrica em GWh.

Fonte: (BEN, 2013).

No Brasil, diversas iniciativas sistematizadas vêm sendo empreendidas há a algum tempo. Destacam-se o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), coordenado pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO), o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), cuja coordenação executiva está a cargo das Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (ELETROBRÁS), e o Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural (CONPET), cuja coordenação é de responsabilidade da empresa de Petróleo Brasileiro S.A. (PETROBRAS). Recentemente, o Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) criou uma linha de financiamento específica para apoio a projetos de eficiência energética.

A experiência acumulada ao longo desses anos evidencia que é possível, de fato, reduzir uma parcela do consumo de energia por meio de iniciativas na área de eficiência energética. O consumo final energético no Brasil atingiu 211,7 milhões de

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tep8 no ano de 2008. Com base no Balanço de Energia Útil (BEU), é possível estimar que, considerando as tecnologias disponíveis no mercado, há um potencial de eficiência energética que corresponde a 8,6%.

Mais da metade do potencial de eficiência energética no Brasil, conforme as estimativas realizadas a partir do BEU, encontra-se no consumo das famílias (setor residencial) e das indústrias, que, em 2008, representaram juntos quase 60% do consumo final energético do país. Esses setores são naturalmente elegíveis para uma abordagem mais detalhada da eficiência energética implícita na projeção da demanda de energia (BRASIL. EPE, 2010a).

Segundo Patterson (1996) o entendimento de “eficiência energética” está associado a um menor uso de energia por cada unidade de produção. Sendo assim, mais relevante é a apuração de indicadores que expressem a variação na eficiência energética. Esses indicadores são em geral agrupados em quatro categorias principais:

Termodinâmicos: baseados inteiramente na ciência da termodinâmica que indicam a relação entre o processo real e o ideal quanto à necessidade de uso de energia.

Físicos-termodinâmicos: consideram a quantidade de energia requerida em unidades termodinâmicas, mas as saídas (produtos) são expressas em unidades físicas.

Econômicos-termodinâmicos: têm como referência a energia requerida em unidades termodinâmicas, mas os produtos são expressos em unidades econômicas (valores monetários).

8 Tonelada equivalente de petróleo.

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Econômicos: tanto a energia requerida como os produtos são expressos em grandezas econômicas.

1.1.4 Consumo específico de equipamentos eletrodomésticos

Segundo a Nota Técnica DEA 14/10 da EPE que trata da avaliação da eficiência energética na indústria e nas residências, a oferta de equipamentos no mercado evolui na direção de disponibilizar dispositivos mais eficientes. Assim, a eficiência média do estoque de equipamentos em poder das famílias aumenta progressivamente seja devido à reposição do equipamento ao final de sua vida útil, seja devido à expansão do estoque, associado ao movimento de equipar os novos domicílios. Nesse sentido, considerou-se que a eficiência dos novos equipamentos adquiridos pelas famílias cresce a uma taxa média de 0,5% ao ano até o horizonte de 2019.

Neste caso, admitiu-se que o equipamento de referência seria o mesmo ao longo do horizonte de estudo. Por exemplo, o condicionador de ar de referência foi sempre, para efeito de cálculo, um equipamento com potência nominal de 1.000 W. Apenas no caso do chuveiro elétrico, considerando a busca por maior conforto, admitiu-se que as famílias tenderiam a adquirir equipamentos com maior potência elétrica, que demandariam mais energia elétrica.

Para o cálculo do consumo específico por equipamento existente no ano de 2005, tomou-se como referência inicial os valores determinados a partir de informações contidas na “Pesquisa de Posse de Eletrodomésticos e Hábitos de Uso” do PROCEL (ELETROBRÁS, 2007), nas tabelas de eficiência do PBE, coordenado pelo INMETRO, além de dados de potência e tempo de uso, disponibilizados pelas concessionárias de energia elétrica.

As principais hipóteses utilizadas para a estimativa do consumo específico destes equipamentos foram:

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Refrigerador: foi considerado, para efeito de cálculo da média de consumo de energia elétrica, um funcionamento durante 10 horas por dia, 365 dias por ano.

Congelador: o consumo específico deste equipamento foi calculado de forma semelhante ao da geladeira. Assumiu-se um uso de 9 horas por dia e 365 dias por ano.

Ar-condicionado: considerou-se um tempo médio de uso de 8 horas por dia, durante quatro meses por ano.

Chuveiro elétrico: admitiu-se um tempo médio de banho de 10 minutos por habitante na posição “inverno” durante quatro meses e na posição “verão” durante o restante do ano.

Máquina de lavar roupas: considerou-se um funcionamento médio de 12 horas por mês (3 horas por semana).

Televisão: o consumo específico deste equipamento foi calculado admitindo um tempo médio de utilização de 4 horas por dia e 365 dias por ano.

Lâmpadas: o tempo médio de utilização foi estimado a partir da média de utilização de lâmpadas de uso habitual (considerada 5 horas por dia) e de uso eventual (considerada de 1 hora por dia), ponderada pela posse média de cada um dos dois tipos.

Cabe destacar que a análise se restringiu a esse grupo de equipamentos em razão desses equipamentos representarem 85% do consumo de uma residência brasileira típica ou média. Os 15% faltantes representam “outros usos” no consumo de eletricidade em uma residência brasileira estimados em 2009 para o ano de 2010. Nessas condições, o consumo médio do estoque de equipamentos nas residências foi estimado conforme se apresenta na Figura 7.

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Figura 7 – Estimativa de consumo final de energia

residencial (2010). Fonte: (BRASIL. EPE, 2010b).

Considerando que juntos os equipamentos de refrigeração e ar-condicionado ocupam uma fatia de 64% de toda energia doméstica consumida, e que a parcela de consumo residencial é de 23,6% de toda a energia produzida no país, estima-se que isto vá representar cerca de 12,8% de toda a energia produzida.

1.2 Objetivo do trabalho

Este trabalho propõe a medição do desempenho de uma bomba de calor por meio, basicamente, da utilização de sensores de temperatura, resultando no mapeamento do seu funcionamento. Pretende também, introduzir um novo conceito, no qual se sugere um modelo de controle de fluxo de massa de R-22, no intuito de controlar a quantidade de fluido refrigerante, a partir da análise de temperaturas específicas do sistema, do uso de válvulas automatizadas e reservatório de fluido refrigerante intermediário. Cabe destacar que a ideia original é a de somente

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utilizar os dados de temperatura, sem considerar o uso de sensores de pressão, mais caros e complexos.

1.3 Delimitação do trabalho

Alguns assuntos, apesar da relação direta com o tema do trabalho, não foram abordados ou desenvolvidos, devido à demanda de tempo extra ou em função da depreciação da objetividade do texto. Não fazem parte do escopo da presente pesquisa os seguintes temas:

Desenvolvimento e testes práticos com as válvulas automatizadas. Apesar de o trabalho sugerir como vai funcionar este controle, a ideia principal é montar o aparato experimental testando seu desempenho antes da modificação. Com isso, preparar para alteração física no equipamento, ficando, portanto, no âmbito teórico.

Este trabalho pretende utilizar apenas os recursos disponíveis no laboratório de ciências térmicas do IFSC – Campus São José. Ficando limitado em alguns testes devido à falta de equipamentos necessários para a realização de ensaios mais complexos.

1.4 Estrutura do trabalho

No Capítulo 2 encontra-se a revisão bibliográfica acerca do tema do trabalho, com passagens e citações em trabalhos acadêmicos e outros produzidos pelo governo federal do Brasil, encontrados em relação ao estado da arte.

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No Capítulo 3, apresentam-se os equipamentos utilizados no aparato experimental. Destacando o uso de uma bomba de calor em substituição a um refrigerador doméstico, pela facilidade em controlar seu desempenho através da medida de temperatura da água, bem como, os equipamentos utilizados nas medições.

No Capítulo 4, mostram-se os métodos empregados na medição da bomba de calor utilizada no experimento, bem como, a relação entre o processo de medição e os dados teóricos obtidos, passando pela incerteza de medição.

No Capítulo 5 expõem-se os resultados com base nos testes realizados e apresentados no capítulo 4. Também, apresenta considerações relevantes na execução dos ensaios.

No Capítulo 6, descreve-se uma sugestão de modelo de controle de fluxo de massa de R-22 em sistemas de refrigeração, a partir da medição da temperatura em pontos específicos no sistema.

O Capítulo 7, diz respeito à conclusão e considerações finais do trabalho, relacionando os pontos chaves, bem como, são expostas as sugestões para trabalhos futuros.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Este capítulo tem por objetivo fazer um breve estudo sobre a carga de fluidos refrigerante em sistemas de refrigeração, destacando os principais parâmetros que influenciam a eficiência energética do sistema. Pretende com isso, apresentar uma visão sobre a influência da carga de fluido refrigerante em refrigeradores domésticos bem como os parâmetros de temperatura que influenciam diretamente o COP.

2.1 Refrigeração e uso de refrigerante

Os sistemas de refrigeração, de bomba de calor e de condicionamento do ar existem como são hoje, a partir do uso bem conhecido de um refrigerante como um meio de transferência de calor. É importante que estes sistemas tenham uma carga apropriada de refrigerante, a fim de funcionar adequadamente. Vários métodos de determinação do nível de carga de refrigerante são conhecidos na literatura. A maior parte destes métodos fornece apenas a determinação quantitativa do nível de carga de refrigerante, que pode estar situada abaixo ou acima dos limites aceitáveis. Outra forma de se quantificar esse nível é a utilização de sensores, incluindo de temperatura ambiente e umidade, a fim de determinar o nível de carga de refrigerante, o que aumentaria o custo e complexidade do sistema.

2.2 Carga de refrigerante

O desempenho de um refrigerador doméstico pode ser maximizado através da escolha do par tubo capilar e da carga de

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fluido refrigerante. Além disso, tanto um quanto outro podem ser modificado sem custos significativos. Neste contexto, trabalhos com foco no efeito da carga de fluido refrigerante sobre o desempenho de sistemas de refrigeração são encontrados na literatura. Porem, estudos com foco no controle automático da quantidade de fluido refrigerante através da utilização de dispositivos automáticos de expansão ainda são raros.

Segundo Dmitriyev e Pisarenko (1984) a carga ótima de refrigerante depende do volume interno do sistema de refrigeração, mais particularmente dos volumes internos do evaporador e do condensador. Experimentos foram realizados em dois estágios. Primeiro, realizou-se uma bateria de testes para determinar a carga ótima de refrigerante utilizando-se evaporadores com volumes internos distintos, porém, com a mesma área externa de transferência de calor. Vários protótipos de refrigeradores foram montados e testados em um ambiente de temperatura controlada, com a finalidade de quantificar a variação do COP em função da carga de fluido refrigerante e da fração de funcionamento do compressor.

A Figura 8 apresenta os resultados desses experimentos, para duas temperaturas ambientes e três frações de funcionamento distintas. Pode-se observar que, independentemente da temperatura ambiente, há uma determinada carga de fluido refrigerante onde o COP atinge um valor máximo. Os autores verificaram ainda que a carga ótima de refrigerante não dependa da temperatura ambiente ou mesmo da fração de funcionamento do compressor, e que uma carga insuficiente gera um grau de superaquecimento excessivo na entrada do compressor, o que causa a diminuição do COP. Por outro lado, uma carga excessiva de refrigerante, reduz a área efetiva de condensação, o que eleva a pressão de condensação e também reduz o COP. Os autores reportam ainda que a taxa de decréscimo do COP em um sistema com excesso de carga é superior ao observado num sistema com déficit de carga.

51

Figura 8 – Efeito da carga de refrigerante no COP para

diferentes temperaturas ambiente. Fonte: Adaptado de (DMITRIYEV; PISARENKO, 1984).

Numa segunda etapa de testes, Dmitriyev e Pisarenko (1984) exploraram a variação do volume interno do condensador. Eles observaram que a carga ótima de refrigerante é afetada pelo volume interno do condensador. Porém, não foram realizados testes sobre o efeito da variação da geometria do tubo capilar sobre a carga de fluido refrigerante. A Figura 9 exibe a relação entre o COP e volume do condensador para uma temperatura ambiente constante.

Figura 9 – Efeito da carga de refrigerante no COP para

diferentes volumes do condensador. Fonte: Adaptado de (DMITRIYEV; PISARENKO, 1984).

52

2.3 Parâmetros que influenciam o COP do ciclo de refrigeração

Segundo o Manual Prático de Eficiência Energética em Sistemas de Refrigeração, existem vários parâmetros que influenciam diretamente o desempenho do ciclo de refrigeração por compressão de vapor. São eles: a temperatura de evaporação, a temperatura de condensação, o sub-resfriamento e o superaquecimento.

No primeiro caso, para ilustrar o efeito que a temperatura de evaporação exerce sobre a eficiência do ciclo, foi considerado um conjunto de ciclos em que somente a temperatura de evaporação (TO) é alterada. Estes ciclos estão mostrados na Figura 10. Nesta análise, utilizou-se R-22 como refrigerante, típico de sistemas de ar-condicionado. Observa-se uma redução na temperatura de evaporação, resultando na redução do COP; significando que o sistema se torna menos eficiente.

No segundo caso, a influência da temperatura de condensação é mostrada em um conjunto de ciclos onde apenas se altera a temperatura de condensação (TC). Esta análise está mostrada na Figura 11. Observa-se que uma variação de 15°C na temperatura de condensação, resulta numa menor variação do COP se comparado com a mesma faixa de variação da temperatura de evaporação.

De forma idêntica aos casos anteriores, a Figura 12 mostra a influência do sub-resfriamento do líquido na saída do condensador sobre a eficiência do ciclo. Embora ocorra um aumento no COP do ciclo com o aumento do sub-resfriamento, o que é ótimo para o sistema, na prática se utiliza um sub-resfriamento para garantir que se tenha somente líquido na entrada do dispositivo de expansão, o que mantém a capacidade frigorífica do sistema, e não para se obter ganho de eficiência.

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Figura 10 – Influência da temperatura de evaporação no COP

do ciclo teórico. Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

Por último, o superaquecimento do refrigerante ocorre, retirando calor do meio que se quer resfriar. A Figura 13 mostra a influência desse superaquecimento no desempenho do ciclo de refrigeração. Observa-se que a variação do COP com o superaquecimento depende do refrigerante. Nos casos mostrados, para o R-717, o COP sempre diminui; para R-134a, o COP sempre aumenta; e para o R-22, há um aumento inicial e,

54

depois, uma diminuição. Para outras condições do ciclo, isto é, TO e TC poderão ocorrer comportamento diferente do mostrado. Mesmo para os casos em que o superaquecimento melhora o COP, ele diminui a capacidade frigorífica do sistema de refrigeração. Assim, só se justifica o superaquecimento do fluido, por motivos de segurança, para evitar a entrada de líquido no compressor.

Figura 11 – Influência da temperatura de condensação no COP

do ciclo teórico. Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

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Figura 12 – Influência do sub-resfriamento no COP do ciclo teórico. Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

Quanto maior a temperatura de evaporação em que o sistema frigorífico opera, menor o consumo de energia. Tipicamente, cada 1°C de aumento na temperatura de evaporação diminui o consumo de energia em aproximadamente, 1 a 4%.

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Figura 13 – Influência do superaquecimento no COP do ciclo teórico. Fonte: (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

A redução no volume específico do fluido refrigerante associada ao aumento da temperatura de evaporação também afeta significativamente a capacidade frigorífica do compressor e a perda de pressão na linha de sucção. Pode-se estimar que cada 1°C de aumento na temperatura de evaporação corresponderá um aumento de 4 a 6% na capacidade frigorífica do compressor, implicando menor tempo de operação deste equipamento (BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL, 2014).

3 APARATO EXPERIMENTAL

Neste Capítulo serão apresentados os equipamentos utilizados no aparato experimental. Destacando o uso de uma bomba de calor acoplada em um radiador automotivo em um circuito com reservatório de água. Neste caso, o uso do refrigerador doméstico foi substituído pela bomba de calor, pela facilidade em controlar seu desempenho através da medida de temperatura da água, sem a necessidade de um controle maior da temperatura ambiente.

3.1 Bomba de calor

Uma 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 em alta temperatura. A realização de trabalho é necessária para esse processo termodinâmico (BORGNAKKE; STONNTAG, 2009).

Quando a bomba de calor é usada para aquecimento, ela emprega o mesmo ciclo de refrigeração usado por refrigeradores domésticos, porém no sentido contrário, liberando calor no espaço condicionado, no caso a água, ao invés de fazê-lo no ambiente externo, no caso o ar. A Figura 14 mostra a ligação entre uma bomba de calor e um radiador automotivo como utilizado no experimento realizado.

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Figura 14 – Experimento realizado.

A bomba de calor utilizada neste trabalho, vista na Figura 14, é semelhante a utilizada no experimento. Trata-se de uma bomba produzida pela empresa Foshan Shunde Guangteng Solar Energy Electrical Appliances Co. Ltd.. Modelo GT-SKR015B. A Tabela 2 apresenta as suas principais características.

Tabela 2 – Característica da bomba de calor

Modelo GT-SKR015B

Fonte de alimentação ~ 220V, 60Hz

Capacidade de aquecimento 5,2kW

Corrente nominal 6A

Consumo de potência nominal 1,36kW

Corrente de entrada (máxima) 8A

Potência de entrada (máxima) 1,7kW

Máxima pressão de exaustão do compressor

2,8MPa

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Máxima pressão de sucção do compressor

0,8MPa

Máxima pressão de trabalho no trocador de calor 2,8MPa

Pressão admissível do sistema 2,8MPa

Refrigerante R-22/0,9kg

Grau de proteção IPX4

Nível de prova de choque I

Requerimento de Terra ≤ 0,1Ω

Peso líquido 55kg

Tamanho 885X360X600mm

Ligação de água G3/4’’

Nível de ruído ≤ 50dB(A)

Temperatura ambiente de operação -10 ~ 43°C

Teste condição: Temperatura Ambiente (DB / WB) 20/15°C, Temperatura inicial / final da água: 15/55°C

3.1.1 Bomba de água

É importante destacar que o sistema da bomba de calor conta com uma bomba de água internamente, do mesmo tipo que as utilizadas em sistemas para aquecimento solar. Esta bomba de água é de extrema importância, pois pode controlar a vazão através de três velocidades, tornando-se um elemento importante para o teste de desempenho do sistema. A Tabela 3 mostra as principais características dessa bomba.

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Tabela 3 – Característica da bomba de água

Modelo GPD20-6S

Fluxo 2,5 m3/h

Potência de entrada 100W

Tipo Bomba Centrífuga

Uso Água

Tipo de alimentação Elétrica

Velocidade 3 velocidades

Estrutura Bomba de Simples Estágio

Alimentação 220V

Frequência 60Hz

Fluxo avaliado 2,5 m3/h

Pressão máxima 30W

Corrente 0,45 / 0,35 / 0,25A

Fonte: Adaptado de GlobalMarket9.

Esse tipo de bomba serve somente para circulação de água, com temperatura de até 110°C, livre de quaisquer substâncias abrasivas. O fluxo máximo, ou seja, a maior vazão, é de 2,5 m3/h e a corrente de 0,45, 0,35 e 0,25A correspondem a respectivamente as velocidades 3, 2 e 1. A Tabela 4 apresenta as características elétricas quanto de velocidades que podem ser ajustadas diretamente na bomba de água.

9 http://unacl.gmc.globalmarket.com/products/details/solar-water-pump-gpd20-6s-1656674.html

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Tabela 4 – Características elétricas da bomba de água

Velocidade P [W] In [A]

3 100 0,45

2 70 0,35

1 55 0,25

Tanto a potência P quanto a corrente nominal In são valores aproximados, com base na tensão de alimentação que é de 220V. A Figura 15 mostra a característica da bomba quanto à curva de desempenho com relação à vazão pela pressão para as três velocidades.

Figura 15 – Curva de desempenho da bomba de água:

vazão x pressão. Fonte: Alibaba10.

10 http://portuguese.alibaba.com/product-gs/unacl-home-hot-water-system-pump-gpd32-6s--831192341.html

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3.2 Radiador

O radiador utilizado neste experimento destina-se a dissipar o calor da água quente gerada pela bomba de calor, que circula por um sistema fechado com reservatório de água. O corpo central do radiador, ou colmeia, normalmente é constituído por tubos metálicos de paredes delgadas. A água quente entra no depósito superior, vinda da bomba de calor e desce pelo interior da colmeia, retirando o calor da água. Os tubos possuem aletas que proporcionam uma maior área de contato com o ar de resfriamento. A Figura 16 exibe a foto de um radiador automotivo como o utilizado neste experimento.

Figura 16 – Radiador automotivo11. Fonte: WeiLi Automotive Network12.

A água arrefecida retorna para bomba de calor onde é novamente aquecida em ciclo contínuo com reaproveitamento da água. É importante destacar que quanto maior a área do radiador, maior contato com ar e mais rápida é troca de calor

11 Radiador de Uno, Fiorino e Premio motores 1.0. 12 http://www.weilinet.com/

63

aumentando sua eficiência. A Figura 17 mostra o diagrama com as dimensões do radiador automotivo utilizado no experimento.

Figura 17 – Diagrama das dimensões do radiador

automotivo em [mm]. Fonte: Xavier13.

3.2.1 Ventoinha

Esse dispositivo é responsável pela circulação forçada do ar que passa pelas aletas do radiador. Normalmente, no caso de ventoinhas automotivas, quando o veículo estiver em movimento, a própria ventilação natural provocada pelo deslocamento do veículo seria mais do que suficiente para refrigerar o líquido que passa no radiador. Acontece que nem sempre isso é possível, devido à baixa velocidade ou quando, por exemplo, o automóvel estiver parado. A Figura 18 apresenta uma foto de uma ventoinha automotiva como a utilizada no experimento para provocar ventilação forçada aumentando o desempenho do radiador.

13 http://www.autopecasxavier.com.br/

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Figura 18 – Ventoinha do radiador.

Fonte: Connectparts14.

3.3 Tubos e conexões PPR

A matéria-prima utilizada na fabricação desse tipo de conexão é chamada de polipropileno copolímero random (PPR). Pode ser utilizado para condução de água fria e quente em instalações residenciais e industriais. Pode ser empregada em instalações de calefação, de condicionadores de ar frio e quente e também navais. Os tubos de polipropileno para união por termofusão são destinados ao transporte de líquidos a baixa pressão. Pode-se encontrar tubos para pressões nominais de 12 kgf/cm², 20 kgf/cm² e 25 kgf/cm²15. A condutividade térmica desse material, que é propriedade de conduzir calor, é de 0,23 W/mK medidos a 23°C. Permitem temperaturas de serviço

14 http://www.connectparts.com.br/Ventoinha-do-Motor-do-Radiador-de-Agua-Golf-Bora-Audi-A3-Fox-30157/p 15 1,0 kgf/cm2 = 9,8067 kPa

65

de até 70°C, podendo ter picos de 95°C. A Figura 19 mostra como são essas conexões PPR (TIGRE, 2014).

Figura 19 – Tubos e conexões PPR. Fonte: Revista Habitare16.

3.4 Sistemas de medição

Nos ensaios, foram utilizados instrumentos e dispositivos para medição, respeitando padrões, operações, métodos, dispositivos de fixação, software, hardware, ambiente e premissas utilizadas para quantificar e avaliar uma unidade de medida. Estes instrumentos e dispositivos foram utilizados para medir temperatura, corrente e tensão elétrica, bem como a aquisição dessas medidas para posterior processamento.

3.4.1 Medição de temperatura

Este experimento fez uso de termistores de vidro. E mostrou ser um sensor interessante para este projeto por ser de

16 http://www.revistahabitare.com.br/

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baixo custo e operar em temperaturas de até 300°C, critérios importantes no controle do sistema. São utilizados em termômetros, equipamentos médicos e hospitalares, crioscópio17, equipamentos laboratorial, automotivo e resistências. Seu tamanho reduzido proporciona maior estabilidade, sensibilidade e precisão. A Tabela 5 apresenta as características elétricas com as respectivas faixas de trabalho e incertezas de medição e a Figura 20 mostra as características quanto às dimensões do modelo de vidro.

Tabela 5 – Características elétricas do termistor

Caraterística: TV-10000 Valor

Resistência ôhmica a 25°C 10k

Faixa de temperatura -50°C a 250°C

Tolerância máxima 1% a 3%

Range específico 0,2°C

Beta (25/85°C) E=3950

Tempo de Resposta ≤ 5s (no ar)

≤ 0,3s (no óleo)

Potência a 25°C 50mW

Fator de dissipação (mW/°C) ≥ 2,1 mW/°C

17 É um equipamento de alta precisão para medição de crioscopia que é o ponto de congelamento.

67

Figura 20 – Dimensões do termistor de vidro em [mm]. Fonte: ADDTherm18.

Os termistores utilizados nesse trabalho foram os de coeficiente negativo de temperatura (NTC). Possuem resistência inversamente proporcional à temperatura e são feitos de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. Sua curva característica é exponencial decrescente e o ideal é utilizá-los em temperaturas de até 150°C. Se comparado ao de coeficiente positivo de temperatura (PTC), que tem resistência proporcional à temperatura, o NTC atua numa faixa onde a temperatura é menor. Já o PTC possui uma variação da resistência maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é mais frequente como sensor de sobretemperatura, em sistemas de proteção, por exemplo, de motores. A Figura 21 apresenta o gráfico com as curvas características típicas dos termistores NTC e PTC.

18 http://www.addtherm.com.br/wp-content/uploads/2011/09/TV-Termistores-NTC-VIDRO-ADD.pdf

68

Figura 21 – Curva característica típica dos termistores

NTC e PTC. Fonte: Adaptado de BECKHOFF19.

3.4.2 Alicate amperímetro digital

O instrumento utilizado para medir a corrente elétrica neste experimento foi o alicate amperímetro digital ET-3610 da Minipa. É indicado para monitoramento em campo de surtos e quedas, possui interface RS-232, corrente máxima de 1.000A (CA). Pode ser é utilizado para gerar laudos e monitoramento de um determinado sinal. Conta ainda com medições de frequência e temperatura. Utiliza taxa de atualização de até 5.400 pares de leituras Hi/Lo, totalizando um período de 5.400 minutos (4 dias) de monitoramento. Os pares de leituras podem ser acessados via teclado e display no próprio instrumento ou transferidos para o computador via interface RS-232 e software fornecidos com o equipamento. A Figura 22 mostra como é o alicate amperímetro

19 http://infosys.beckhoff.com/

69

digital ET-3610 e a Tabela 6 apresenta suas principais características.

Figura 22 – Alicate amperímetro digital modelo ET-3610.

Fonte: Minipa20.

Tabela 6 – Características do alicate amperímetro digital

Característica Descrição

Display LCD/Contagem 3 3/4 Dígitos/4000

Iluminação/Barra Gráfica Iluminação

True RMS True RMS AC

Corrente DC -

Corrente AC 40A/400A/1000A

Tensão DC 600V

Tensão AC 600V

Resistência 999,9Ω

Temperatura -50~+300°C/-58~+572°C

20 http://www.minipa.com.br/2/85/112-Minipa-Alicates-Digitais-ET-3610

70

Capacitância -

Frequência 5~500Hz

Frequência de Rede Sim

Teste de Continuidade/Diodo C

Data/Auto Hold D/A

Máx./Mín. -

Autodesligamento Sim

Mudança de Faixa Automática

Data Logger 5400 Pares Hi/Lo

Interface e Software Interface USB

Abertura de Garra 45mm

Diâmetro do Condutor 45mm

Precisão Básica 1%

Resolução 0,01A/0,10A/1A

Categoria CAT III 600V

Alimentação 2x1,5V AAA

Dimensões (mm)/Peso (g) 224x78x40/224

3.4.3 Aquisição de dados

O sistema de aquisição de dados disponível para as as medições de corrente, tensão e temperatura foi o da Agilent Technologies modelo 34970A. Possui 22 bits de resolução e precisão básica de 0,004% em sinais de tensão contínua. Conta ainda com a capacidade de medição de vários tipos de sinais. Possui três slots na parte traseira e aceita qualquer combinação de dados sejam eles analógicos ou digitais. Entre outras características estão a capacidade de medição direta de termopares, RTDs, termistores, tensão CC, tensão CA,

71

resistência, corrente CC, corrente CA, frequência e período. Possui ainda intervalo de varredura com o armazenamento de até 50.000 leituras e interface de usuário intuitiva com botão para seleção rápida de canal, menu navegação e entrada de dados a partir do painel frontal. Para completar o equipamento é portátil, robusto com pés antiderrapantes. A Figura 23 mostra o Agilent 34970A como o utilizado neste trabalho.

Figura 23 – Sistema de aquisição Agilent 34970A.

Fonte: Test Equipment Depot 21.

Abaixo são apresentados algumas características e recursos de aquisição de dados/comutação, dentre outras:

Precisão 6½ dígitos no multímetro, estabilidade e rejeição de ruído.

Até 60 canais por instrumento (120 canais single-ended).

21 http://www.testequipmentdepot.com/usedequipment/hewlettpackard/ dataacq/34970a.htm

72

Taxas de leitura de até 500 leituras por segundo em um único canal e capacidade de varredura até 250 canais por segundo.

Escolha de multiplexação, matriz de propósito geral Form C comutação, Funções de comutação de RF, digital I / O, totalizador e saída analógica de 16 bits.

Interface RS-232 padrão no modelo 34970A. Local Area Network (LAN) e Universal Serial Bus (USB) no padrão no 34972A.

Compatibilidade com Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI).

4 METODOLOGIA

Neste capítulo serão mostrados os métodos empregados na medição da bomba de calor utilizada experimento, bem como, a relação entre o processo de medição e os dados obtidos. Desta forma, possibilitando o planejamento de uma proposta de controle automático de fluido refrigerante visando à eficiência energética.

4.1 Processo de medição

Igualmente aos processos de medição industrial, os dispositivos e equipamentos utilizados nos ensaios e testes não estão livres de erros, pois os mesmos não são perfeitos. O ambiente que os cerca não se mantém controlado e estável, o valor do mensurado não é único e o operador do sistema não está livre de falhas. Portanto, algumas medidas técnicas foram adotadas para minimizar esses erros, dando a eles seu devido tratamento (ALBERTAZZI; SOUSA, 2008).

Para que fosse possível determinar esse conjunto de métodos e ensaios, necessita-se conhecer o processo, suas características, o comportamento esperado do mensurado e os equipamentos utilizados. Todo o sistema se baseia em uma máquina bomba de calor que aquece a água que circula em um ambiente fechado, e de um radiador para dissipar o calor gerado, devendo-se então, descobrir o comportamento, especialmente da temperatura da água ao longo de um determinado período.

Do ambiente do circuito fechado de água, quer-se descobrir o quanto ele se aproxima de um valor predeterminado e como se comporta, ao longo do tempo, em termos de temperatura e vazão, já da bomba de calor, quer-se saber o quanto de energia foi necessária para realizar o trabalho. Optou-

74

se pela medição da corrente e tensão elétrica, através do uso de um amperímetro digital.

Considerou-se que as condições ambientais não interferiram diretamente no teste, uma vez que a grandeza a ser medida foi a variação da temperatura (∆T), ou seja, a diferença entre a temperatura da água aquecida pela bomba de calor e a temperatura da água que retorna, após ser resfriada pelo radiador, através do circuito fechado. Portanto a temperatura ambiente, não afetou diretamente a medição do ∆T.

4.1.1 Medição da temperatura

Medir a temperatura corretamente é muito importante em todos os ramos das ciências. A temperatura revela a noção de que é quente ou frio e algumas propriedades como a densidade, a pressão, a condutividade elétrica, entre outras, depende da temperatura.

A temperatura é a propriedade que determina o processo de transferência de calor em um determinado sistema. Diz-se que dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando suas temperaturas são as mesmas. Isto significa que o calor não flui entre eles. Quando há diferença de temperatura, o calor fluirá do sistema mais quente para o mais frio, de modo a restabelecer o equilíbrio térmico (FEM, 2014).

Com a finalidade de proporcionar um bom contato térmico com a água dentro da tubulação, foram instalados tubos de cobre isolados para abrigar os termistores de vidro, assim proporcionar uma melhor medição da temperatura, uma vez que, medir através do PPR, poderia causar um erro muito grande, já que a condutividade térmica do material é de apenas 0,23 W/mK, enquanto que no cobre é de 401 W/mK a 27°C22. Esse

22 http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica

75

procedimento foi fundamental para se evitar maiores erros e melhorar o tempo de resposta na aquisição do sinal analógico do sensor para o equipamento. A Figura 24 ilustra a furação para a instalação do tubo de cobre a fim de abrigar o sensor de temperatura.

Figura 24 – Furação para instalação do termistror.

Fonte: (TIGRE, 2014).

4.1.2 Medição da vazão

Define-se vazão como sendo a relação entre o volume e o tempo. A vazão pode ser determinada a partir do escoamento de um fluido, através de uma seção transversal de um conduto livre, que pode ser um canal, rio ou tubulação aberta, ou ainda, de um conduto forçado, cuja tubulação possui pressão positiva ou negativa. Isto significa que a vazão representa a rapidez com a qual um volume escoa (RODRIGUES, 2014).

A equação utilizada para se calcular a vazão volumétrica pode ser apresentada como sendo:

76

Z

VQ

t= (6)

Onde Qz é a vazão volumétrica (L/s), V é o volume (L) e t é o tempo (s).

A maneira utilizada para se calcular a vazão neste experimento, foi à realização do cálculo, a partir dos dados obtidos com o uso de um cronômetro e de um reservatório de 12 litros. Inicialmente, com a bomba de calor em funcionamento, a tubulação de água foi desconectada de forma que a água escoasse para o reservatório, ao mesmo instante em que o cronômetro foi acionado. Quando o reservatório ficou cheio, o fluxo de água foi interrompido e o cronômetro foi desligado, anotando esse tempo. Para diminuir o erro, em vez de considerar o volume do reservatório, o mesmo foi pesado, descontando o peso do recipiente, e assim, conhecendo um valor para a massa de água coletada. Sabendo-se que um litro de água equivale a aproximadamente a um quilograma, e, conhecido o tempo para seu enchimento, a Equação 6 foi aplicada resultando na vazão mássica desejada. A Tabela 7 mostra os dados obtidos a partir das medições de vazão realizadas.

Tabela 7 – Medições de vazão

Medição Tempo

(s) Massa

(kg) Vazão (kg/s)

1 54 11,5 0,212

2 53 12 0,226

3 55 12 0,218

4 55 12 0,218

5 54 11,9 0,220

6 55 12 0,218

7 54 11,9 0,220

77

8 53 11,8 0,222

9 55 12 0,218

10 55 12 0,218

Média: 0,219

Desvio padrão: 0,004

Re: 0,008

A incerteza padrão corresponde à estimativa do desvio padrão da distribuição dos erros de medição. Considerando às dez amostras, têm-se nove graus de liberdade o que indica um coeficiente ‘t’ de student igual 2,32. Com isso, obtêm-se uma repetitividade (Re) de 8 g, ou seja, 3,7% para mais ou para menos na medição da vazão.

4.1.3 Medição da energia consumida

A potência de um aparelho elétrico indica a quantidade de energia gasta por ele em uma unidade de tempo. Para se determinar a potência elétrica desse equipamento, é necessário conhecer as características quanto a sua alimentação, ou seja, a diferença de potencial nos seus terminais e a corrente que está sendo fornecida durante o tempo da medição. Para calcular a potência basta multiplicar a diferença de potencial, também chamada de tensão, pela intensidade de corrente. Já a energia deve ser o resultado da potência por um determinado tempo.

.P U I= (6)

.E P t= (7)

78

Onde P é a potência instantânea fornecida em (W), U é a tensão em (V), I a corrente em (A), E é a energia consumida em (W/s) e t o tempo em (s).

No entanto, para se medir a energia, é necessário saber o quanto de energia um determinado equipamento consumiu em um determinado tempo. Existe variadas maneira de se fazer essa medição. Todas envolvendo é claro, a medição da tensão e da corrente elétrica. Uma das formas é utilizando um wattímetro, que faz um trabalho complexo, medindo simultaneamente os valores de tensão e corrente e multiplicando-os para obter a potência em watts. Alguns desses equipamentos podem realizar milhares de medições por segundo para determinar os watts aumentando a precisão do resultado. Podem ainda executar estatísticas, como valores de pico, média, baixa e de quilowatts-hora consumidos, entre outras funcionalidades.

Figura 25 – Medição de energia com alicate amperímetro

digital. Fonte: Adaptado de Minipa23.

23 http://www.minipa.com.br/2/85/112-Minipa-Alicates-Digitais-ET-3610

79

Nos ensaios realizados fez-se o uso do alicate amperímetro digital, que mede o fluxo de corrente elétrica que passa por um condutor, juntamente com o sistema de aquisição. Mediram-se, em amostras regulares de tempo, os valores de tensão e corrente que alimentavam o equipamento. Os valores coletados foram compilados e apresentam-se nas próximas seções. A Figura 25 ilustra um simples exemplo de medição de corrente (A) e de tensão (B).

4.2 Visão geral do experimento

O experimento consiste em medir o funcionamento de uma bomba de calor que aquece a água em um circuito hidráulico fechado, através de tubulações de PPR, que conduzem a água quente até o radiador, onde é resfriada e volta para ser novamente aquecida em ciclo contínuo. As medições da temperatura da água acontecem próximas a saída de água da bomba de calor, outras duas em uma distância intermediária e a última no seu retorno antes de entrar novamente na bomba. A Figura 26 mostra como ficou montado o experimento realizado.

80

Figura 26 – Experimento realizado.

Observa-se na Figura 26, que o sistema conta ainda com um reservatório de água, que serve para inundar o sistema e também como reservatório de expansão, já que quando a água é aquecida há um aumento do seu volume e consequente aumento da pressão no sistema. O posicionamento do reservatório é cerca de um metro acima do circuito principal de água. Ainda pode-se ver as tubulações PPR à direita (cor verde), que levam a água quente da bomba de calor até o radiador que é mostrado na Figura 27.

81

Figura 27 – Instalação do radiador.

A instalação do radiador ficou fora do ambiente do laboratório, na parede externa do edifício. Desta forma não interferindo na temperatura de funcionamento da máquina dentro do laboratório, pois o mesmo retira o calor da água devolvendo ao ambiente, podendo, desta forma, aquecer o ar dentro do laboratório e alterar a medida da temperatura. Mesmo assim se tomou o cuidado de medir a temperatura interna e externa na hora dos testes e não houve variações significativas da temperatura durante os ensaios.

4.3 Método de ensaio

O ensaio experimental inicial consistiu do levantamento do desempenho da bomba de calor, através da medida da variação

82

de temperatura em função da energia consumida. No primeiro momento, mediu-se apenas a variação da temperatura da água. Para esse teste inicial se utilizou a medida de 60 min, onde por 47 min a bomba de calor se manteve ligada a pleno funcionamento e os outros 13 min, desligada, com isso se observou o comportamento do sistema com relação à medição da temperatura da água. A Figura 28 mostra o resultado do teste.

Figura 28 – Teste de funcionamento dos sensores de

temperatura.

No gráfico, visto na Figura 28, observam-se quatro medidas de tempera: TR1 é temperatura de retorno medida depois do dissipador de calor (radiador); TS1 é a temperatura de saída próxima a saída de água da bomba de calor; TS2 é a temperatura da água próxima a entrada no radiador; e TR2 é a temperatura próxima a entrada de água na bomba de calor. Percebe-se que há um aumento crescente da temperatura e se estabiliza próximo aos 30 min. A temperatura ambiente no momento do teste ficou por volta dos 18°C. Depois de desligada a bomba de calor, mas ainda com a circulação de água, bomba de água e ventoinha do radiador ligados, a temperatura decresce rapidamente. A Figura 29 apresenta onde foram instalados os sensores de temperatura na tubulação PPR do experimento.

83

Figura 29 – Localização dos sensores de temperatura no experimento.

A potência térmica fornecida para água pode ser estabelecida segundo a equação principal da calorimetria sobre o fluxo de calor, tem-se que:

. .Q m C T= ∆ (8)

84

Onde Q é fluxo de calor em (W), m é vazão mássica

(kg/s), C é calor específico, que é tabulado, em (J/kgK) e ∆T é a variação da temperatura em (K). Lembrando que a diferença de temperatura em K e °C é a mesma, já que o valor é deslocado na tabela em -273,1524. Define-se o calor específico como a quantidade de calor necessária para elevar em 1°C, 1g da substância. Por exemplo, o calor específico da água é igual a 1,0 cal/g°C25, significa que é necessário fornecer uma quantidade de calor de 1,0 cal para aquecer 1,0 g de água de 1°C. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura. É importante lembrar que a densidade, ou a massa específica, da água à pressão normal (atmosférica) e à temperatura de 25°C, é de 1,0 g/cm³.

A potência fornecida para o funcionamento da bomba de calor é calculada pelas Equações 6 e 7. Os valores de tensão e de corrente advêm da medida feita pelo alicate amperímetro juntamente com o sistema de aquisição.

Assim, a potência térmica de dissipação de calor por meio da água será experimentalmente obtida medindo-se dois parâmetros: vazão e variação de temperatura, e, com a medição de tensão e corrente, pode-se estimar o desempenho da bomba de calor de maneira satisfatória.

24 1°C = K - 273,15 25 1 kcal/kg°C = 4,1686 kJ/kgK

85

4.4 Carga de fluido refrigerante

A carga de fluido refrigerante é fundamental para o desempenho de um sistema de refrigeração. Desta forma, além de um fluido refrigerante de boa qualidade, os procedimentos adequados para fazer a carga devem ser seguidos para que a quantidade de carga refrigerante seja exata.

Durante a realização dos ensaios, foi feita a completa substituição do fluído refrigerante, seguindo os procedimentos recomendados pelos fabricantes. Antes de receber a nova carga de fluido refrigerante, o sistema passou por um processo de evacuação26 para retirar ar e umidade. Depois desta limpeza, foi verificado e constatado que não havia vazamentos. Na sequência, foram observados os dados do fabricante, que podem ser vistos na Tabela 2, onde o tipo de fluido refrigerante recomendado é o R-22, na quantidade de 900g. Os equipamentos utilizados para realizar a carga foram:

garrafa dosadora ou cilindro dosador;

cilindro de carga com escala graduada;

manifold;

balança de precisão de 1g.

Depois de determinado o tipo e a quantidade do refrigerante, bem como separação dos equipamentos e a limpeza do sistema, o cilindro dosador foi pesado, tomando o cuidado de antes expurgá-lo e limpo com vácuo. Na sequência, foi adicionado fluído ao cilindro até a carga de 900g desejada fosse adicionada ao peso do cilindro. Então, o cilindro dosador receptor foi conectado no tubo de processo através do manifold, tomando-se o cuidado de deixar o registro de alta e de baixa do manifold

26 Processo em que o sistema é submetido a vácuo.

86

aberto. Na sequência, foi feita a liberação da carga de gás no sistema com o compressor desligado.

Aguardou-se cerca de 20min, tempo necessário para a equalização da pressão entre o cilindro e o manifold em alta e baixa. Para garantir que o cilindro estivesse completamente vazio após a equalização, o registro de alta foi fechado e o compressor ligado. Aguardou-se alguns minutos com compressor em funcionamento, o registro do cilindro dosador foi fechado, bem como o do registro de baixa. O cilindro foi desconectado e novamente pesado para que se tivesse a certeza de que toda a carga foi retirada, ou seja, que todo o fluído tenha sido transferido para o sistema. A Figura 30 exemplifica como pode ser realizada a carga de fluido refrigerante.

Figura 30 – Carga de fluido refrigerante.

Fonte: Adaptado de (CLUBE DA REFRIGERAÇÃO, 2014)

87

4.5 Execução dos ensaios

Para iniciar a série de execuções de testes na bomba de calor, optou-se por remover todo o fluido refrigerante da máquina e recarregá-la exatamente com a quantidade especificada pelo fabricante que é de 0,9kg de R-22. A Figura 31 mostra o gráfico do desempenho da bomba de calor antes da troca do fluido refrigerante e com temperatura ambiente de 16°C.

Figura 31 – Teste de funcionamento da bomba de calor.

Neste teste inicial, para se obter o fluxo de calor e se estimar o COP real da máquina, fez-se uma medida da vazão média de 0,219 l/s, ou seja, m =0,219kg/s; e da variação da temperatura em regime permanente: ∆T=6,28°C. Considerou-se a temperatura específica da água como sendo: C = 4,1686 kJ/kgK.

Como resultado a capacidade de aquecimento da água foi

de Q =5.733 W. Nota-se que neste teste, não foi feito o levantamento de tensão e corrente para se calcular a potência

88

gasta. Porém, foi apresentado o comportamento da máquina com relação a pressão de baixa do sistema, mostrando um comportamento estável e dentro do esperado.

Em um segundo teste, já com a carga exata de 0,9kg de R-22, foi possível observar o comportamento da tensão e da corrente elétrica. Optou-se também por um teste com o dobro do tempo, a fim de analisar o comportamento do sistema por um tempo maior. Outra questão foi a temperatura ambiente estar mais alta durante o teste, oscilando por volta dos 24°C. A Figura 32 exibe o gráfico do comportamento da tensão durante o teste.

Figura 32 – Comportamento da tensão ao longo de um teste.

Percebe-se claramente que a variação da tensão elétrica durante o teste foi pequena. Isso acontece também, pela bomba de calor se “preparar” para entrar em funcionamento, ou seja, ao ser ligada, a bomba realiza um autoteste, na sequência, inicia a circulação da água, aciona a ventoinha interna do evaporador e por último, aciona o próprio compressor. Desta forma diminuindo bastante a necessidade de tensão e corrente de partida. A Figura 33 mostra como ficou o comportamento da corrente durante esse mesmo teste.

89

Figura 33 – Comportamento da corrente ao longo de um teste.

Observa-se que a corrente variou nos primeiros 50 mim. No tempo restante, quando o sistema entrou em regime, mostrou-se bastante estabilizada. Isso se explica por um esforço maior do sistema nos momentos inicias por conta da inércia do próprio sistema e um trabalho maior da bomba de calor para equilibrar o sistema. Isso é um fato esperado e especificado pelo fabricante que admite uma corrente máxima de 8 A.

A Figura 34 apresenta como ficou a temperatura de saída da água (TS) e a temperatura de retorno da água (TR) para esse mesmo ensaio. Neste gráfico, o valor de TS é a média das medidas das temperaturas obtidas pelos sensores TS1 e TS2, bem como TR é a média da medida das temperaturas obtidas pelos sensores TR1 e TR2. A localização destes sensores é apresentada na Seção 4.3.

90

Figura 34 – Comportamento da temperatura da água na saída

e no retorno à bomba de calor.

Comparando com o teste anterior, nota-se que a diferença das temperaturas, de saída e de retorno da água, diminuiu bastante, ficando ∆T=2,85°C, causando uma degradação considerável no desempenho do sistema. Foram mantidos os mesmos parâmetros do teste inicial, a capacidade de aquecimento, energia útil transferida para água, foi de

Q =2.602 W. Isto representa apenas 45% da energia útil medida no primeiro teste. Porém, nesse teste, dispõe-se das medidas de tensão e corrente. Com esses valores é possível calcular a quantidade energia gasta pela bomba de calor, P=1.350W. Apurou-se então o COP da máquina, que ficou em 1,93 muito abaixo do esperado que ficaria em torno de 3,4.

Optou-se por fazer um novo teste para melhor observar o comportamento das temperaturas do sistema, bem como, a potência consumida através da medida da tensão e da corrente. Neste último ensaio realizado, a temperatura ambiente oscilou por volta dos 26°C e o ensaio teve uma duração intermediária de 75 min. A Figura 35 mostra como ficou o comportamento das quatro medidas das temperaturas da água.

91

Figura 35 – Comportamento das temperaturas da água na saída

e no retorno à bomba de calor.

Observa-se um comportamento um pouco diferente com relação aos outros ensaios. Neste, a ventoinha do radiador foi acionada somente depois de decorridos 5 min. A temperatura TS1 sobe rapidamente até 60°C e depois se acomoda por volta dos 55°C. Naturalmente, que antes de o sistema todo se aquecer, a temperatura água de retorno TR1 e TR2 se mantêm mais fria do que a da saída da bomba, porém, entre 5 e 10 min, sai de 26°C e chega aos 53°C, acomodando-se a 52°C. Isso pode ser explicado pela baixa capacidade do radiador em retirar o calor da água, embora para o experimento o importante seja a variação da temperatura de entrada e saída da bomba. A Figura 36 apresenta o delta da temperatura.

92

Figura 36 – Comportamento da variação da temperatura da água.

Como comentado anteriormente, a alta variação da temperatura inicial foi provocado pela não utilização da ventilação forçada no radiador. Outro fator que influenciou nesta variação foi de que a temperatura da água dentro do sistema estar muito baixa, e, com a ventoinha desligada, rapidamente a temperatura da água subiu chegando aos 60°C. Observa-se também, que o ∆T=2,9°C, muito próximo ao valor obtido no teste anterior. A Tabela 8 mostra como ficou o comportamento da corrente, tensão e potência consumida pela bomba de calor.

Tabela 8 – Dados coletados de corrente, tensão e potência em um dos testes

Tempo (min) I (A) U (V) P (W)

0 7,9 220,2 1739,4

5 7,7 220,0 1694,0

10 6,9 221,0 1525,2

93

15 6,6 219,2 1446,9

20 6,5 220,0 1429,9

25 6,6 220,7 1456,9

30 6,6 219,6 1449,4

35 6,5 220,2 1431,4

40 6,3 219,9 1385,7

45 6,4 220,4 1420,6

50 6,3 219,8 1392,0

55 6,3 220,5 1389,1

60 6,4 219,8 1407,0

65 6,3 219,5 1383,1

70 6,3 219,3 1381,5

75 6,3 219,8 1384,5

4.6 Processamento dos dados de um ensaio

Durante a realização dos ensaios, todas as variáveis medidas foram armazenadas na forma arquivo de dados. O processamento desses dados foi dividido em duas partes: a análise dos testes gerais com relação a temperatura da água, tensão e corrente coletadas; e, a análise de cada medida em regime permanente. O processamento foi realizado com a planilha Calc do LibreOffice27. Uma planilha exemplo do processamento da dados de um ensaio pode ser visto no Apêndice B.

27 O LibreOffice é um conjunto de aplicações de produtividade de código aberto, utilizadas para a criação de textos, planilhas e apresentações. Disponível em http://pt-br.libreoffice.org/

94

O processamento dos testes gerais foi feito no intuito de se poder visualizar de maneira adequada e satisfatória às condições de funcionamento da bomba de calor. E a utilização de gráficos se justifica porque desta forma as variáveis são rapidamente conferidas, ficando fácil a identificação de medidas fora da normalidade, alteradas por ruído ou mau funcionamento do equipamento. Esta analise é importante para que não se comprometa todos os dados do ensaio.

Num segundo momento, foram definidos os períodos de teste, levando em conta a entrada em regime permanente do sistema. Os dados, contendo as amostras de medições, foram então transportados para uma nova planilha onde foi gerado o resumo final da condição de funcionamento na forma das médias das medidas a cada 5 minutos. O sistema de aquisição foi programado para coletar uma amostra de todas as variáveis medidas no experimento a cada segundo. Portanto, a cada 5 min foram coletadas 300 amostras por variável.

Tanto os gráficos quanto as tabelas apresentadas nesse trabalho, foram feitos com base no valor médio de múltiplas medidas ao longo do tempo. Sendo que no caso dos gráficos de linhas, procurou-se utilizar sempre linhas suavizadas de maneira que as variáveis pudessem ser melhores observadas e entendidas. O tipo de interpolação utilizada para apresentação dessas linhas foi a Spline cúbica28.

4.7 Incertezas de medição

Segundo o Guia para Expressão da Incerteza de medição produzido pelo INMETRO (2012), a medição de uma grandeza

28 Interpola os pontos de dados com polinômios de grau 3. As transições entre os segmentos de polinômio serão suaves, tendo a mesma inclinação e curvatura.

95

física deve sempre indicar de forma quantitativa e qualitativa o resultado, possibilitando avaliar sua confiabilidade. Os resultados de medição não podem ser comparados sem essa indicação, seja entre eles mesmos ou com valores de referência fornecidos por uma especificação de fabricante ou numa norma. Portanto, é necessário que exista um procedimento rápido, de fácil compreensão e ampla aceitação, de modo a caracterizar a qualidade de um resultado de uma medição, isto é, para avaliar e expressar sua incerteza.

Neste ensaio foram consideradas dois tipos de incerteza, a incerteza inerentes ao sistema de medição29 (umed) e as incertezas relacionadas a repetição de medição (urep). Elas se relacionam de acordo com a expressão da incerteza combinada:

2 2 2( )

C i med repu Y u u u= = +∑ (9)

Onde uC(Y) é a incerteza padrão combinada da variável Y e Ui é a parcela de incerteza padrão.

A incerteza padrão expandida, vista na Equação 9, é calculada em razão da incerteza padrão obtida, multiplicada pelo fator de abrangência (k) proveniente da distribuição Gaussiana. No presente trabalho optou-se por um valor de k = 2, o que representa um nível de confiança de cerca 95%. A justificativa para a não utilização do coeficiente ‘t’ de Student na análise, é o fato de o número de amostras ser maior que 100, caso em que a análise de Student pode ser considerada pela distribuição normal.

29 i.e. incertezas de calibração ou fornecidas pelo fabricante.

96

( ) . ( )C

U Y k u Y= (10)

Onde U(Y) é a incerteza expandida e k é o fator de abrangência.

A parcela de incerteza referente à repetibilidade foi calculada através do desvio padrão experimental das médias de 120 medições realizadas na condição de regime permanente. A Equação 11 mostra a relação destas variáveis:

2

,

1

1( )

1( )

n

i k i

ki

x xn

u xn

=

−−

=

∑ (11)

Onde ( )i

u x é a incerteza padrão da repetibilidade, n é o

número de medições, xi,k é o valor instantâneo da variável e xi é a média aritmética das n medições.

A parcela de incerteza associada ao sistema de medição foi devidamente tratada, considerando que os dados de incerteza (±a) fornecidos pelos fabricantes dos equipamentos, como sendo a incerteza expandida do instrumento. Normalmente, tais valores são estimados por um porcentual do valor de fundo de escala (%V.FE). Entretanto, se quer somente a incerteza padrão referente a esse instrumento, desta forma, faz-se a operação inversa da incerteza expandida que é vista na Equação 10.

( )i

au x

k= (12)

97

Onde a é a incerteza do instrumento de medição.

Contudo, se não existir informações suficientes a respeito dos dados que se deseja tratar, ou apenas que a medição xi está

num intervalo de ±a, utiliza-se o fator 3k = . Garantindo um nível de confiança de 100% de que todas as medições estão dentro do valor estimado. Consideração Equação 12, obtêm-se:

( )3

i

au x = (13)

Neste trabalho, foi utilizada a curva de ajuste ou curvas de calibração por redução por mínimos quadrados, partindo-se de valores conhecidos mensurados (Vpadrão) e do sinal, faixa de tensão ou corrente, fornecido pelo instrumento de medição. Portanto é necessário avaliar as incertezas geradas dos valores calculados (Vcalculado) a partir desta curva. Deve-se atentar para a seguinte relação:

2

( )( )

(1 )

padrão calculado

i

V Vu x

n GP

−=

− +

∑ (14)

Onde Vpadrão é o valor padrão conhecido do mensurando e Vcalculado é valor calculado a partir da curva de ajuste, n é o número de pontos considerados no ajuste da curva e GP é o grau do polinômio da curva. A Tabela 9 mostra como ficou a incerteza de medição para as grandezas independentes.

98

Tabela 9 – Incertezas de medição das grandezas independentes

Variável Unidade Incerteza Combinada

Incerteza Expandida

Temperatura °C ±0,2 ±0,4

Tensão V ±0,08 ±0,2

Corrente A ±0,01 ±0,02

Vazão mássica kg/s ±0,004 ±0,008

Para as demais variáveis calculadas que necessitam de mais de uma medição experimental para serem determinadas diretamente, suas incertezas foram obtidas através da lei de propagação das incertezas, dada pela seguinte equação:

2

2

1

( ) ( )n

C C i

i i

Yu Y u x

x=

∂=

∂ ∑ (15)

Quando as grandezas independentes da Equação 15 são correlacionadas, a incerteza padrão passa a ser calculada pela seguinte equação:

21

2

1 1 1

( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( , )n n n

C C i C i C j i j

i i j ii i j

Y Y Yu Y u x u x u x r x x

x x x

−

= = = +

∂ ∂ ∂= +

∂ ∂ ∂

∑ ∑∑

(16)

99

Onde r(xi,xj) é o coeficiente de correlação das grandezas associadas xi e xj.

Apenas duas variáveis foram consideradas para essa análise: a energia útil (potência de aquecimento) e o COP. Como referência, adotou-se os dados de um único ensaio. A Tabela 10 apresenta a máxima incerteza expandida dessas variáveis.

Tabela 10 – Incertezas expandida máxima para algumas variáveis

Variável Unidade Incerteza Expandida Máxima

Potência Útil W ±0,65

COP W/W ±0,39

5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Os testes experimentais foram realizados de acordo com a metodologia descrita nas Seções 4.1, 4.2 e 4.3. No total foram realizados cerca de 20 ensaios experimentais em condições de temperatura ambiente variando entre 16 e 26°C, divididos em duas partes: ensaios iniciais, considerando a configuração original da bomba de calor; ensaios finais, quando foi substituído todo o fluido refrigerante.

5.1 Ensaios iniciais

Nos primeiros ensaios a bomba de calor foi medida em sua configuração original, não levando em consideração alguns aspectos como a quantidade de fluido refrigerante e a energia consumida. A Tabela 11 exibe o resumo dos resultados de três ensaios selecionados, sendo que o de número zero é com base somente nos dados do fabricante.

Tabela 11 – Resumo dos resultados dos ensaios iniciais

Ensaio Potência

Mín. (kW)

Potência

Máx. (kW) água

m

(kg/s)

águaC

(J/kgK)

águaT∆

(°C)

águaQ

(kW)

COP

mín.

COP

máx.

0 5,200 3,1 3,8

1 6,28 5,733 3,4 4,2

2 6,56 5,989 3,5 4,4

3

1,36 1,7 0,219 4,1686

5,95 5,432 3,2 4,0

O ensaio 0 caracteriza o desempenho segundo o fabricante. Para os outros três ensaios foram utilizados somente

102

os dados de potência mínima e máxima, que corresponde respectivamente a potência nominal e potência de entrada máxima da bomba de calor. É importante destacar que o desempenho é obtido com base na temperatura do circuito da água, da onde se mede o seu desempenho.

Como resultado destes testes, a bomba de calor mostrou um desempenho acima do esperado, com uma capacidade de aquecimento média, correspondente ao calor transmitido para água, de 5,7kW. Segundo o fabricante, a capacidade de aquecimento esperada é de 5,2kW, sendo que média da medida dos ensaios foi 11% maior. Ainda, segundo os dados do fabricante, o consumo de energia, potência nominal, esperado é de 1,36kW, admitindo-se uma potência máxima de entrada de 1,7kW, obteve-se um COP, não fornecido diretamente pelo fabricante, entre 3,1 e 3,8. Considerando que para esses primeiros ensaios, o consumo de energia durante é o mesmo indicado pelo do fabricante, tem-se um COP médio entre 3,4 e 4,2. A Figura 37 mostra o gráfico com as condições de desempenho a partir da análise de dados do fabricante e testes iniciais.

Figura 37 – Condições de desempenho da bomba de calor

com base nas informações do fabricante.

103

Para os próximos ensaios, já com a carga de fluido refrigerante especificada pelo fabricante, observa-se uma mudança significativa no comportamento da bomba de calor. Também foi possível avaliar o COP real da máquina a partir da medição da corrente e tensão durante os ensaios.

5.2 Ensaios finais

Nesta segunda parte dos ensaios, a temperatura ambiente estava bem mais alta quando dos ensaios anteriores. Isso fez com que o delta da temperatura se deslocasse mais pra cima que o anterior. No primeiro ensaio, Seção 5.1, o centro do delta da temperatura ficou por volta dos 34°C, já no segundo ensaio, ficou por volta dos 45°C. Com temperaturas ambientes entre 16 e 26°C respectivamente. A Tabela 12 apresenta o resumo dos valores medidos para quatro ensaios selecionados.

Tabela 12 – Resumo dos resultados dos ensaios finais

Ensaio Potência

Mín.(kW)

Potência

Máx.(kW) água

m

(kg/s)

águaC

(J/kgK)

águaT∆

(°C)

águaQ

(kW)

COP

mín.

COP

máx.

1 1,42 1,45 0,219 4,1686 2,9 2,647 1,8 1,9

2 1,28 1,35 0,219 4,1686 2,85 2,602 1,9 2,0

3 1,36 1,43 0,219 4,1686 3,1 2,830 2,0 2,1

4 1,36 1,43 0,219 4,1686 4 3,652 2,6 2,7

O ensaio 4, visto na Tabela 12, foge um pouco da metodologia adotada nos demais ensaios, que é o de considerar os valores em regime do sistema, para caracterizar o desempenho da bomba durante todos os 80 min de operação. Desta forma, os resultados apresentados são os valores médios obtidos do ligar ao desligar do aparelho, e não de regime como

104

todos os demais. As potências mínimas e máximas correspondem à potência em regime permanente, e a potência média, com base na duração total de cada um dos três ensaios selecionados. O COP máximo e mínimo é relação entre a capacidade de aquecimento da água, e potencia média ou potência em regime respectivamente. Outra vez cabe salientar que a medida da energia útil é fornecida pela vazão, calor específico e diferença de temperatura da água.

O que chamou atenção nos ensaios finais foi o baixo rendimento da bomba de calor. A capacidade de aquecimento da água diminuiu muito, ficando na média de 2,7kW, contra os 5,7kW dos ensaios iniciais. Sendo que o consumo médio de energia, considerando os três ensaios, ficou na ordem de 1,35kW. Desta forma, obteve-se um COP igual 1,9. Já considerando a bomba de calor em regime, esse valor médio sobe um pouco, chegando a COP igual 2,1.

Dois fatores podem ter influenciado diretamente nesse mau desempenho. O primeiro deve-se ao fato de que a temperatura ambiente estava mais alta nos ensaios 1 e 2, influenciando no comportamento da bomba de calor, de forma que a temperatura de sub-resfriamento ficou muito alta na saída do condensador, responsável pelo aquecimento da água que já estava bastante quente. Sabe-se que o aumento da temperatura de sub-resfriamento piora o desempenho do sistema. O segundo, que a quantidade de fluido refrigerante substituída pode ter sido insuficiente para as condições de operação em temperatura ambiente maiores. A elevação da temperatura na saída do evaporador, acima da necessária, provocou um aumento do volume específico do refrigerante na entrada do compressor e este, por sua vez, desloca uma massa menor que deslocaria caso não existisse o superaquecimento, e isso também causa degradação no desempenho do sistema.

Para exemplificar uma das medições, foi escolhido o ensaio 3 realizado com temperatura ambiente, em torno dos 18°C e tempo de funcionamento de 80 min. Como era de se esperar, o centro do delta da temperatura ficou em 48,6°C. Com valor para ∆T=3,1°C, praticamente o mesmo dos testes anteriores. Neste teste, optou-se por ligar a ventilação forçada,

105

somente depois de decorridos 5 min de funcionamento, para testar essa condição de funcionamento da bomba de calor. A temperatura na saída TS1 cresceu rapidamente até 60°C, e, assim que ligada a ventilação, a temperatura, em 10 min, desceu e se estabilizou por volta dos 50°C.

Quanto ao comportamento da energia gasta, a Tabela 8 mostra que o comportamento da corrente e da tensão, consequentemente da potência consumida, variaram dentro do esperado. Sendo que a máxima corrente aconteceu assim que a máquina foi ligada 7,9A, e foi decrescendo para se estabilizar por volta dos 6,3A. A potência média foi de 1,45kW, considerando a duração do ensaio de 75 min. Já o COP ficou em apenas 1,83. No melhor caso, quando a bomba de calor entra em regime permanente, com consumo médio de 1,39kW, o COP sobe para apenas 1,9. A Figura 38 mostra o gráfico de como ficou o COP com relação à quantidade de fluido refrigerante e indicação da temperatura ambiente nos três ensaios escolhidos, sendo que para o ensaio 4 foram utilizados os dados do ensaio 3, considerados os valores médios obtidos de todo um ensaio como já foi descrito.

Figura 38 – Condição de desempenho da bomba de calor

após a troca do refrigerante.

106

Para esses ensaios finais, o desempenho ficou muito abaixo do esperado. A bomba de calor agora com exatos 900g de refrigerante R-22 especificado pelo fabricante, não repetiu o bom desempenho dos ensaios iniciais. Um fator que poderia causar uma degradação do desempenho é a temperatura ambiente, que estava mais alta que nos ensaios iniciais, desta forma, prejudicando o funcionamento da bomba de calor.

Em todos os ensaios realizados a temperatura da água, em circuito fechado, esteve próxima da temperatura ambiente ao se iniciar os testes. No caso do teste de condição apresentado pelo fabricante, mostra uma condição de teste a temperatura ambiente (DB/WB)30 é de 20/15°C respectivamente. E a temperatura inicial/final da água é de 15/55°C.

30 DB (Dry-Bulb) é a temperatura de bulbo seco. Pode ser medida utilizando um termômetro normal livremente exposto ao ar. WB (Wet Bulb) é a temperatura de bulbo úmido. É a temperatura indicada por um termômetro úmido exposto ao ar.

6 CONTROLE DE FLUIDO REFRIGERANTE

Esse capítulo sugere uma proposta de modelo de controle de fluxo de massa de R-22 em uma bomba de calor. Pretende-se introduzir uma nova concepção de funcionamento, através do controle da quantidade de fluido refrigerante que circula pelo sistema, tendo como parâmetros as temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento. Para isso, serão utilizados controle digital, válvulas moduladoras e reservatório de fluido intermediário.

6.1 Controle de processos

Por controle de processos, compreende-se atuar sobre um determinado processo de modo a atingir um objetivo específico. Este objetivo pode ser manter uma variável de saída do processo dentro de certa referência ou valor ao longo do tempo e na presença de distúrbios. Um sistema de controle confiável permite manipular as entradas do sistema para obter o efeito desejado na saída, próximo aos limites impostos pela segurança e pelo processo, permitindo alterar as condições normais de operação para uma condição mais favorável (CAMPOS; TEIXEIRA, 2010).

A Figura 39 apresenta um diagrama de um sistema de controle em malha fechada tipicamente utilizado em controles digitais. Nela é possível observar o sensor, elemento essencial do controle, responsável pelo monitoramento. Este elemento tem a função de medir determinada variável do processo e enviar essa informação ao controlador para que possa ser processada. A variável do processo, ou variável controlada, pode ser a temperatura, pressão, vazão, volume, entre outras. Normalmente o sensor gera um tipo de sinal analógico que precisa ser convertido para um sinal digital.

108

Figura 39 – Controle de processos em malha fechada.

Fonte: Adaptado de (CAMPOS; TEIXEIRA, 2010).

A informação obtida pelo sensor é comparada com o valor desejado de referência e enviada ao controlador. No controlador, acontece o processamento das informações, e, através da lei de controle, que visa à redução do erro, o controlador comunica ação de controle que deve ser executada pelo atuador. O atuador, por sua vez, interfere de alguma maneira no processo, alterando o comportamento do mesmo, através da mudança de valor da variável manipulada. A variável manipulada, por sua vez, deve ser uma variável que provoque uma mudança rápida na variável controlada do processo.

Cabe ressaltar que embora o desempenho de um sistema de controle possa ser avaliado pela sua capacidade em manter a variável controlada próximo a um valor desejado chamado de setpoint, a robustez torna-se a principal consideração para alguma condição de operação particular, uma vez que o controlador deve proporcionar um bom desempenho na presença de incertezas e perturbações (ROCHA et al., 2004).

6.2 Controle digital

Entende-se por controle digital um sistema de dados que são amostrados e implementados por um hardware que executa uma lei de controle. O software é responsável por manipular os parâmetros de forma a cumprir as especificações estipuladas

109

para a malha a ser controlada através da lei de controle. Com o desenvolvimento e a disseminação dos microcontroladores, a implentação de controles digitais na forma direta tornou-se extremamente acessível, desejável, simples e barato (BOTTURA, 1982).

O controle de sistemas utilizando computadores digitais faz uso de sinais discretos no tempo. Sendo assim, o controle digital é feito dessa forma, utilizando diferentes elementos como: amostrador e conversores: analógico/digital (A/D) e digital/analógico (D/A). Estes elementos permitem processar os sinais analógicos do sistema contínuo e transformá-los em sinais discretos no tempo. A Figura 40 exibe um diagrama de controle discreto de um processo contínuo.

Figura 40 – Diagrama de controle discreto de um processo contínuo.

Fonte: Adaptado de (PAGANO, 2006).

Dada a importância da amostragem e considerando o controle digital de um processo contínuo, sabe-se que para controlar um determinado processo é necessário um processamento de cálculos matemáticos de forma rápida. Daí a necessidade de um computador digital que poderia ser um microcontrolador. Desta forma, a saída do processo é lida e convertida em sinal digital para ser transmitida ao controlador. Por sua vez, este faz os cálculos e envia um sinal digital, que pode ou não ser convertido em um sinal contínuo, para ser aplicado ao processo como mostra a Figura 40.

110

6.3 Modelo de controle de fluxo de massa de R-22

Esta proposta de controle consiste basicamente em se determinar a quantidade ótima de fluido refrigerante em um sistema de refrigeração, com a finalidade de se manter as temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento estáveis. Sabe-se, que variações como: carga térmica, temperatura ambiente e umidade, podem afetar diretamente essas duas variáveis do processo e consequente degradação no desempenho do sistema. A Figura 41 mostra o modelo de controle proposto com destaque para a adaptação tecnológica.

Figura 41 – Modelo de controle proposto.

A estratégia é medir dois pares de temperatura, que correspondem às temperaturas de sub-resfriamento e de superaquecimento do sistema de refrigeração. O primeiro par de medições é feito na saída do condensador onde se obtêm o sub-resfriamento. O outro par de medições acontece na saída do evaporador, onde se mede o superaquecimento. Essas

111

informações são então processadas e como resposta há um acionamento das válvulas moduladoras com a intenção de provocar uma variação (aumento ou diminuição) da quantidade de fluido refrigerante que circula pelo sistema.

Essa válvula moduladora é utilizada juntamente com reservatório de fluido intermediário em aplicações onde a taxa de enchimento e de drenagem são controladas e moduladas por um controlador eletrônico. Pode ser instalada em um sistema de refrigeração e acionada por um controlador que pode ser um Controlador Lógico Programável (CLP), ou um microcontrolador capaz de receber um sinal variável do processo, a informação de temperatura, a qual seja comparada ao ponto de referência, setpoint, e depois acerta a capacidade da válvula principal e da secundária até o sinal se igualar, o que significa dizer que a temperatura alcançou o setpoint.

6.3.1 Válvula de controle

Segundo Ribeiro (1999), a característica de uma válvula de controle é definida como sendo a relação entre a vazão através de válvula e a posição da válvula variando ambas de 0% a 100%. A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que vai para o atuador da válvula. Sendo assim, ao se conceber um sistema com a utilização de três válvulas, onde uma delas controla o Bypass, o normal é que se utilize esta como totalmente aberta (100%) ou totalmente fechada (0%). Ainda, que a relação para se obter o enchimento ou esvaziamento do reservatório de fluído intermediário, se dá à medida que se abre e fecha proporcionalmente as válvulas de passagem. A Figura 42 apresenta uma concepção do modelo de controle com a utilização de três válvulas.

112

Figura 42 – Concepção do modelo de controle proposto.

O modelo de controle proposto se dá aumentando ou diminuindo a massa de R-22 com a liberação de mais ou menos fluido refrigerante no sistema. Supondo uma condição em que o sistema está necessitando de mais fluido, as válvulas A e B abrem proporcionalmente com base na necessidade calculada pelo controlador digital, enquanto a válvula C (bypass) é completamente fechada. À medida que o sistema entra em equilíbrio, A e B são fechadas e C é totalmente aberto. Na outra condição, em que se necessita retirar parte da massa de R-22, as válvulas C e B são fechadas enquanto A é aberto. Assim, parte do fluido começa a se acumular no reservatório (2). Novamente estabilizado o sistema, as válvulas A e B são fechadas e C é aberto dando passagem ao fluido refrigerante.

113

6.3.2 Fluxograma do modelo de controle proposto

Para a realização do controle do processo proposto, é necessário que se apresente uma solução simplificada do funcionamento do microcontrolador, possibilitando o monitoramento da variável a ser controlada e consequente atuação na variável manipulada a partir do setpoint das temperaturas. A Figura 43 apresenta o fluxograma do controle da quantidade de fluido proposto.

Figura 43 – Fluxograma do modelo de controle proposto.

114

O fluxograma do controle proposto começa com a inicialização das referências de temperatura de operação. Em uma condição típica de funcionamento de equipamentos baseados no fluido R-22 para refrigeração, as temperaturas devem ser em torno de 40°C no condensador, e de -10°C na saída do evaporador. Após o recebimento das variáveis medidas, T1 e T2, que correspondem as temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento respectivamente. Após isso, as variáveis são comparadas com as suas referencias. Primeiro, se T1>TC. Caso for verdadeira a afirmação, o sistema executa cálculo do controle e aumenta a quantidade de fluido que circula pelo sistema. Aumentando a quantidade do fluido, aumenta a massa do fluido que circula e por causa das suas propriedades termodinâmicas, permitindo uma maior troca de calor com o meio e consequente diminuição da temperatura.

Caso contrário, ou seja, se a temperatura T1 for menor que TC, então o controle desvia para comparar T2. Notem que a condição da temperatura do condensador foi declarada primeiro. Se não houver o controle da temperatura do condensador, não adianta tentar controlar a temperatura no evaporador, sobre pena de o sistema tornar-se instável. Neste caso, o sistema atua bloqueando a válvula de entrada e diminuindo a quantidade de fluido que circula pelo sistema. Inversamente ao analisado sobre a quantidade a mais de refrigerante.

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nesta pesquisa inicialmente fez-se uma contextualização e resgate sobre os sistemas de refrigeração, apresentando sua evolução e modernização buscando destacar o ciclo padrão de refrigeração que pode ser utilizado tanto para resfriar, como para aquecer um ambiente. Exemplo disso é o aparelho de ar condicionado, onde a energia elétrica é transformada em energia térmica para resfriar ou aquecer o ar que circula em determinado espaço, outro exemplo, ainda, é o uso de uma bomba de calor para aquecimento de água. Nas duas situações, existe um coeficiente de desempenho positivo, que indica o rendimento do sistema, isto é, que a quantidade de energia útil produzida é maior do que a energia gasta.

Ainda sobre rendimento energético, cabe destacar que o rendimento esperado de uma bomba de calor é aproximadamente de 3, ou seja, COP igual a 3, indicando uma eficiência de 300%. Em comparação, um chuveiro elétrico tem um COP por volta de 0,95 (95%), o que representa um consumo de energia elétrica maior do que a energia útil produzida ao se aquecer a água.

O estudo aqui realizado por si só é capaz de introduzir o assunto no que diz respeito ao uso de bomba de calor e de novas tecnologias que podem proporcionar um maior rendimento em sistemas baseados no ciclo padrão de refrigeração. Pesquisas nessa área se fazem necessária tendo em vista o panorama energético brasileiro, que aponta um crescimento no setor de energia elétrica de 5,1% ao ano, significando que a demanda por esse tipo de energia vai mais do que dobrar até 2030. Percebe-se claramente a necessidade iminente de programas de conservação e de eficiência energética.

Segundo o relatório do BEN com dados de 2012 o consumo de eletricidade no setor residencial chegou a 23,6%, o que representa 117.646 GWh de toda a energia final consumida no país naquele ano que é de quase 500.000 GWh. Destaca-se que os equipamentos de refrigeração correspondem a 64% da

116

energia gasta em uma residência. Se for considerar a substituição do chuveiro elétrico, responsável por 23% do consumo, por uma bomba de calor, o potencial de economia de energia se torna enorme tendo em vista a eficiência energética em sistemas baseados no ciclo padrão de refrigeração.

Exemplo de um trabalho realizado visando a melhoria da eficiência energética em sistemas de refrigeração foi os compressores com capacidade variável, conhecidos como inverter, que foram possíveis a partir da utilização de um inversor eletrônico de frequência capaz de conduzir o compressor em diferentes velocidades e consequentemente, controlar a sua capacidade de refrigeração de modo que ele não parasse de funcionar, evitando picos de sobre corrente. Segundo a Embraco, fabricante desses compressores, há uma redução do consumo de energia do sistema de refrigeração de até 40%, em relação a uma operação com um compressor convencional.

A parte experimental do presente estudo começou com a medição da bomba de calor, alternativamente a um aparelho de ar-condicionado, dada a facilidade prática da medição do seu desempenho. O sistema aqueceu a água em circuito fechado, e, o cálculo do COP, foi a razão da quantidade do calor transferido para água pela quantidade de energia consumida, através da medição do consumo de energia elétrica durante um ensaio. Lembrando que o calor transferido para água é dado pela diferença da temperatura da água que sai (aquecida), pela temperatura da água (mais fria) que entra na bomba de calor.

As medições ocorreram satisfatoriamente, embora um fator que não tinha sido considerado até os ensaios, possa ter atrapalhado o desempenho do equipamento: a temperatura ambiente de operação. A temperatura da água ao longo dos ensaios ficou acima da temperatura ambiente, ou seja, o radiador utilizado foi mal dimensionado e não foi suficientemente grande para retirar uma parcela maior de calor da água que circulava pelo circuito de água do sistema. Haja vista que num primeiro momento, a preocupação era a medição da variação da temperatura, não importando se poderia ser mais alta ou baixa que a do ambiente. Entretanto, durante a realização dos testes com a temperatura ambiente mais alta e o radiador retirando

117

somente uma parcela do calor contido na água, fez com que a bomba de calor aparentemente perdesse desempenho.

Ainda, o fator da temperatura ambiente mais alta pode ter influenciado diretamente o desempenho da bomba de calor por conta das propriedades do fluido refrigerante, uma vez que esta interfere diretamente nas temperaturas de sub-resfriamento e superaquecimento.

Com base no monitoramento desses parâmetros é possível se manter o COP do sistema o mais elevado possível. Porém, o setpoint de temperatura entre os ciclos quente, no caso da bomba de calor e de frio, no caso dos equipamentos de refrigeração, precisam ser detectados e diferenciados.

Durante a realização dos ensaios, decidiu-se pela troca do fluido refrigerante. Foi colocada exatamente a quantidade de refrigerante indicado pelo fabricante. A princípio as condições de operação do sistema deveriam continuar as mesmas, mas o desempenho piorou. O que leva a pensar, que em um país com clima tropical e se tratando de uma bomba de calor utilizada para esquentar água em climas mais frios, a quantidade de fluido refrigerante pode ter sido modificada para mais ou para menos atendendo os requisitos de temperatura de operação do sistema conforme a região em que ela vá operar. Apesar disto não ter sido comprovado, o controle de modelo proposto absorveria o problema com base no setpoint da temperatura do sistema e controle do fluxo de massa de R-22, o qual determinará o nível ideal de refrigerante.

O objetivo da pesquisa e estudo realizados era conhecer o perfil de funcionamento da bomba de calor para poder determinar o desempenho com base na quantidade exata de refrigerante especificada pelo fabricante, além disso, tinha-se a ideia de instalar as válvulas moduladoras e o reservatório de fluido intermediário, procedendo novamente com os mesmos testes, mas isso não foi realizado.

Dentro deste contexto, foi proposto um modelo de controle do fluxo de massa de R-22 onde a quantidade ótima desse refrigerante seria calculada automaticamente pelo sistema,

118

maximizando o desempenho em qualquer condição. Porém, como já falado, não foi realizada a instalação das válvulas tendo em vista a demanda de tempo extra, ficando fora da delimitação do trabalho. Toda via, é importante destacar que existe potencial nesta ação, já que utilização de válvulas moduladoras, como alternativa a outros mecanismos de controle de refrigerante não automático, pode proporcionar um aumento considerável no desempenho, a partir do controle da vazão do fluido refrigerante.

É importante salientar o fato de que a presente pesquisa analisou de forma satisfatória uma bomba de calor produzida na China, ainda pouco comercializada no Brasil. Gerar conhecimento sobre esses produtos é de extrema importância, pois com o aumento da utilização desses equipamentos, associados a sistemas de aquecimento solar de água, ou em substituição aos aquecedores de passagem e outros sistemas de aquecimento de água menos eficientes, é determinante para bom aproveitamento da energia elétrica e com isso promover a eficiência energética.

Por fim, outro fator considerável e positivo foi a proposta de multidisciplinaridade deste estudo, que envolveu áreas da mecânica, eletrônica, metrologia, informática, entre outras. Em que foi medido um sistema mecânico, através de sensores e equipamentos eletrônicos, analisado digitalmente e processando os dados por computador. Envolvendo ainda a uma pequena parte de controle de processos.

Sugere-se para estudos e pesquisas futuras a realização de novos testes, assim como a realização de novas análises da bomba de calor com o uso de um radiador maior. Cabe ainda que haja uma maior “sensorização” do sistema, com vistas a estabelecer outras condições de funcionamento, como temperatura sub-resfriamento e superaquecimento, umidade e pressão. Não se esquecendo da adaptação tecnológica aqui apresentada com o modelo de controle do fluxo de massa de R-22 para aumento da eficiência energética em sistemas de refrigeração.

REFERÊNCIAS

ALBERTAZZI, Armando; SOUSA, André R. de.. Fundamentos de Metrologia Científica e Industrial. São Paulo: Manolo, 2008.

BRASIL. ELETROBRÁS; PROCEL. Manual Prático. Eficiência Energética em Sistemas de Refrigeração. Industrial e Comercial. Disponível em: < http://www.alltech.ind.br/pdf/ Manual_PROCEL.pdf>. Acesso em 22 abr. 2014.

BRASIL. MME. Panorama energético brasileiro. 2008. Disponível em: <http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/ Artigos/Panorama_energxtico_brasileiro.pdf>. Acesso em 18 abr. 2014.

BRASIL. EPE. Eficiência energética na indústria e nas residências. Rio de Janeiro, 2010a. Disponível em: <http://www.epe.gov.br/mercado/Documents/S%C3%A9rie%20Estudos%20de%20Energia/20100809_4.pdf>. Acesso em 20 abr. 2013.

BRASIL. EPE. Estudos da Demanda. Nota Técnica DEA 14/10. Avaliação da Eficiência energética na indústria e nas residências no horizonte decenal (2010-2019). Rio de Janeiro, 2010b.

BORGNAKKE, Claus; STONNTAG, Richard E.. Fundamentos da termodinâmica. Tradução da 7ª edição americana, Blucher, São Paulo, 2009.

BOTTURA, Celso Pascoli. Princípios de Controle e Servomecanismos. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1982.

CAMPOS, Mario Cesar M. Massa de; TEIXEIRA, Herbert Campos Gonçalves. Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2010.

CLUBE DA REFRIGERAÇÃO. Como fazer a carga de gás. Disponível em: <http://www.clubedarefrigeracao.com.br/teoria-na-

120

pratica/2014/06/como-fazer-a-carga-de-gas-2>. Acesso em 20 out. 2014.

DMITRIYEV, V. I.; PISARENKO, V. E.. International Journal of Refrigeration. Determination of optimum refrigerant charge for domestic refrigerator units. Volume 7, Issue 3, Pages 178–180, May 1984.

ELETROBRÁS. Centrais Elétricas S.A.. Avaliação do Mercado de Eficiência Energética no Brasil. Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso (ano base 2005). Classe Residencial – Relatório Brasil. Rio de Janeiro, 2007.

FEM. Faculdade de Engenharia Mecânica - UNICAMP. Temperatura. Disponível em: <http://www.fem.unicamp.br/~instmed/Temperatura_1.pdf>. Acesso em 05 mai. 2014.

IENO, Gilberto; NEGRO, Luiz. Termodinâmica. São Paulo: Prentice Hall, 2004.

INMETRO. GUM – Guia para a Expressão de Incerteza de Medição. Avaliação de dados de medição. 1ª Edição Brasileira da 1ª Edição BIPM de 2008. Rio de Janeiro, 2012. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/ gum_final.pdf>. Acesso em 08 mai. 2014.

LATHI, B. P.. Sinais e sistemas lineares. 2. Ed. Porto Alegre: Bookman, 2007.

MARQUES, M.; HADDAD, J.; MARTINS, A.. Conservação de Energia: Eficiência energética de equipamentos e instalações. Itajubá: FUPAI, 2006.

MIPAL. Dicas úteis. Disponível em: <http://www.mipal.com.br/dicas/dicas.php?dica=24>. Acesso em 10 nov. 2012.

MSPC. Refrigeração I-10: ciclo, fluido, processo de compressão. Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/fldetc/ refrig_110.shtml>. Acesso em 11 jun. 2012.

121

PAGANO, D. J.. Teoria de Sistemas Amostrados e Controle Digital. Departamento de Automação e Sistemas. UFSC. Apostila. 2006.

PATTERSON, M.. What is Energy Efficiency? - Concepts, Indicators and Methodological Issues. Energy Policy v. 24, n.5, p. 377-390, 1996.

PORTAL DA REFRIGERAÇÃO. Ar-condicionado. Disponível em: <http://www.arcondicionado.refrigeracao.net/inverter-a-novidade-do-ar-condicionado-split/>. Acesso em 31 jan. 2013.

RADIADOR. Sistemas Automotivos: Radiador. Disponível em: <http://sistemasautomotivos.blogspot.com.br/2009/01/radiador.html>. Acesso em 21 jan. 2014.

RIBEIRO, Marco Antônio. Válvulas de controle e segurança. 5. ed. Salvador: Primavera, 1999.

ROCHA, R.; et al.. Proposta de Planta Piloto: controle de vazão e temperatura de líquidos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENSINO DE ENGENHARIA, 2004, Brasília. Trabalho Apresentado. 2004.

RODRIGUES, L. E. M. J.. Mecânica de Fluidos. Introdução a cinemática dos fluidos. Notas de aula. Disponível em: <http://www.engbrasil.eng.br/pp/mf/aula8.pdf>. Acesso em 05 de set. 2014.

SCRIBD. Ciclo de Refrigeração por Absorção – Água. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/20182686/Ciclo-de-Refrigeracao-por-Absorcao -–-Água>. Acesso em 12 jun. 2012.

SCRIBD. Cálculo de BTU. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/159151160/Calculo-de-BTU>. Acesso em 21 abr. 2014.

SILVA, J. G. da. Introdução à Tecnologia da Refrigeração e da Climatização. 2. ed. São Paulo: Artliber, 2011.

STOECKER, W. F.; JONES, J. W.. Refrigeração e ar-condicionado. São Paulo: McGraw Hill, 1985.

122

TIGRE. PPR Industrial. Ficha Técnica. Disponível em: <http://www.tigre.com.br>. Acesso em 28 abr. 2014.

APÊNDICE A – Conversão de Unidades

PRESSÃO

1,0 kgf/cm2 = 9,8067.104 Pa

1,0 bar = 105 Pa

1,0 kgf/cm2 = 14, 2234 psi

1,0 atm = 1,03322 kgf/cm2

1,0 atm = 4,6959 psi

1,0 psi = 6894,757 Pa

VAZÃO VOLUMÉTRICA

1,0 m3/h = 0,2778 l/s

1,0 l/min = 0,06 m3/h

COMPRIMENTO

1,0 pol. = 25,4 mm

1,0 pé = 12,0 pol

TEMPERATURA

1°C = K - 273,15

1°C = (°F - 32)/1,8

1°R = °F + 459,67

ENERGIA

1,0 kcal = 4,1868 kJ

1,0 kcal = 3,968 Btu

POTÊNCIA

1,0 J/s = 1 W

1,0 hp = 641,13 kcal/h

1,0 hp = 745,5 W

1,0 kW = 860,0 kcal/h

1,0 TR = 3024 kcal/h

1,0 TR = 12000 BTU/h

1,0 TR = 3,516 kW

Obs.: TR = Tonelada de Refrigeração

APÊNDICE B – Exemplo de Processamento

Data: 23/10/13 Início: 13 h T. Ambiente: 18°C

Operadora: Jaqueline Duração: 80 min Amostras: 1/s – 300/5min

Tempo (min) P(PSI) I(A) U(V) TR1 (NTC) TS1 (NTC) TS2 (NTC) TR2 (PTC)* Delta(T)

0 105 8,1 212,1 25,9 24,6 26,9 26,0 -1,3

5 65 7,8 213,2 43,1 56,1 55,2 34,0 13,0

10 70 7,6 215,4 47,5 60,5 56,2 40,0 13,0

15 70 7,2 214,3 48,9 52,5 51,9 45,0 3,6

20 70 7,2 214,8 47,9 51,2 50,7 44,0 3,3

25 70 6,7 213,8 47,5 50,6 50,2 44,0 3,1

30 70 6,4 215,9 47,3 50,4 50,0 43,0 3,1

35 70 6,3 216,3 47,1 50,3 49,9 43,0 3,2

40 70 6,4 216,8 47,1 50,1 49,9 43,0 3,0

45 70 6,3 215,2 47,2 50,1 49,9 43,0 2,9

50 70 6,3 216,3 47,0 50,1 49,9 43,0 3,1

55 70 6,2 215,1 46,9 50,1 49,8 43,0 3,2

60 70 6,2 216,5 47,0 50,0 49,9 43,0 3,0

65 70 6,2 217,4 47,0 50,0 49,9 43,0 3,0

70 70 6,1 218,7 47,0 50,0 49,8 43,0 3,0

75 70 5,9 221,7 46,8 49,9 47,7 43,0 3,1

80 70 6,1 218,0 46,7 49,8 47,5 42,0 3,1* Medido através do PPR.

Desvio Padrão 8,6 0,7 2,2 5,2 7,1 6,1 4,7 3,5

Média 71,8 6,6 216,0 45,8 49,8 49,1 41,5 4,0

Mediana 70,0 6,3 215,9 47,0 50,1 49,9 43,0 3,1

m C DeltaT Q (W) 2830,12,1

0,219 4168,6 3,1 2830,1 1360,2

Média 0,219 4168,6 4 3651,7

U I h P (W)

215,9 6,3 1 1360,2 3651,7 2,6Média 216 6,6 1 1425,6 1425,6

Potencia ÚtilQ=m.C.(DeltaT) COP

(regime/mediana)Regime(mediana)

Potencia Cons.P=U.I.(1h)

Regime(mediana) COP

(média)

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