Bomba de calor de propano ecológica e eficiente

4 de setembro de 2018

por Sociedade Fraunhofer

As bombas de calor usam energia ambiental para nos fornecer calor. No entanto, eles geralmente requerem refrigerantes sintéticos, que contêm gases fluorados de efeito estufa (gases F) nocivos ao meio ambiente. Os pesquisadores da Fraunhofer agora contribuíram para o desenvolvimento de uma bomba de calor que usa propano. A bomba é mais ecológica e mais eficiente.

"Aquecimento e água quente representam cerca de 40% do consumo final de energia na Alemanha. A queima de combustíveis fósseis de alta qualidade, como gás natural ou petróleo bruto, não só faz pouco sentido energeticamente, mas também prejudica o clima. Cada unidade de energia elétrica necessária para operar uma bomba de calor, muitas vezes derivada de recursos renováveis, gera de três a cinco unidades de energia térmica neutra em CO2. Isso torna as bombas de calor um elemento importante na implementação da transição da Alemanha para um sistema de energia sustentável", diz o Dr. Marek Miara, que coordena o trabalho em bombas de calor no Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE em Freiburg.

Uma bomba de calor funciona de maneira semelhante a uma geladeira. O refrigerante absorve o calor dentro da geladeira e o transporta para fora. A diferença é que o calor deixado para escapar livremente da parte de trás de uma geladeira é o que uma bomba de calor extrai – neste caso do solo, das águas subterrâneas ou do ar ambiente – para aquecer nossas casas ou água.

Para conseguir isso, o refrigerante vaporizado e aquecido é comprimido, o que aumenta sua temperatura e pressão. O gás refrigerante quente libera seu calor na água e condensa. A água quente flui para sistemas de aquecimento de piso, radiadores ou tanques de armazenamento de água quente, enquanto o refrigerante líquido, agora frio, flui de volta para o chamado evaporador, onde absorve novamente a energia térmica. O ciclo então recomeça desde o início.

Na maior parte, os refrigerantes são compostos de uma mistura de substâncias sintéticas contendo gases fluorados de efeito estufa (gases F) nocivos ao meio ambiente. Em junho de 2014, a Comissão Europeia anunciou que os gases F seriam eliminados gradualmente do mercado. Uma alternativa natural e ecológica aos refrigerantes sintéticos é o propano, que já está ganhando popularidade em sistemas de ar condicionado e refrigeração. Mas seu uso em bombas de calor ainda é relativamente novo.

Porque, embora o propano tenha excelentes propriedades termodinâmicas, ele é altamente inflamável, o que representa um desafio quando usado em um ciclo térmico.

"Se você deseja usar propano, deve manter o volume de refrigerante o mais baixo possível para minimizar os riscos envolvidos", diz a Dra. Lena Schnabel, que chefia o departamento de tecnologias de aquecimento e resfriamento da Fraunhofer ISE.

A solução dos pesquisadores do ISE, juntamente com seus parceiros de pesquisa europeus, é empregar trocadores de calor aletados altamente compactos e soldados que funcionem bem com pequenos volumes de líquido. A energia térmica é transferida de uma substância em fluxo para a outra por meio de trocadores de calor. Estes são compostos por numerosos canais paralelos contendo o refrigerante circulante, que absorvem calor (conhecidos como "vaporizadores") ou o irradiam ("condensadores"). "O líquido deve vaporizar completamente ou recondensar-se ao longo do comprimento de corrida. Para garantir que eles operem com eficiência, a proporção vapor-líquido deve ser idêntica em todos os canais. Geralmente, isso não é fácil de conseguir e torna-se especialmente complicado se você também estiver tentando limitar o volume de refrigerante."

Para resolver o problema, Schnabel e sua equipe desenvolveram um distribuidor com estrutura biônica: "Os distribuidores Venturi convencionais parecem uma pilha de espaguete feita de vários tubos finos que se fundem onde encontram o vaporizador. Nosso distribuidor é diferente: tem uma ramificação contínua estrutura como os galhos e galhos de uma árvore, que garantem a distribuição uniforme do refrigerante nos canais individuais do evaporador, mesmo com um pequeno volume de refrigerante." Essa estrutura permite o uso ideal de toda a superfície do trocador de calor, o que melhora a eficiência.