Trocadores de Calor
O que é um trocador ou bomba de calor?
Um trocador é um equipamento utilizado para aquecimento de água de piscina, porém, existem modelos específicos para aquecimento da água de residências.
Este trocador deve sempre ser instalado na área externa da casa ou clube, normalmente próximo à piscina. Assim, quando exposto ao ar ambiente ele faz um processo de captar
o ar, e descartando o ar frio, aproveitar o ar quente para aquecer a água da piscina. O trocador é ligado à tubulação da piscina que puxa a água, para passar por dentro do aquecedor.
Dentro do equipamento há o aquecimento desta água, que retorna para a piscina.
O trocador de calor é um tipo de aquecedor elétrico que não converte a energia elétrica diretamente em energia térmica,
como nos aquecedores elétricos convencionais(com resistência elétrica), os trocadores empregam a energia elétrica para retirar o calor do ar ambiente
e transferir para a água da piscina por meio de trocas de calor.
Dizemos normalmente, que o trocador de calor funciona como se fosse um ar condicionado, só que ao contrário.
Trocador de calor x aquecedor elétrico
Como dito anteriormente, o trocador não é igual ao aquecedor de água elétrico, pois não funciona através de resistências elétricas. Portanto, o trocador é um equipamento
extremamente econômico quando comparado com estes aquecedores elétricos. Mas, para demonstrar a diferença, temos de entender melhor como isso ocorre.
Entendendo os aquecedores elétricos (com resistência): nestes aquecedores elétricos o aquecimento é obtido pela transformação da energia elétrica em energia térmica,
e quando a energia elétrica atravessa um condutor chamamos este fenômeno de "efeito Joule".
Exemplos de aquecedores elétricos: chuveiros, ferro de passar, gerador elétrico para sauna, forno elétrico, entre outros.
A potência obtida neste processo é dada pela seguinte fórmula: P = Exl ou P = E2 / R. Onde P = potência (watts) E = diferença de potencial (volts) I = corrente elétrica (Ampere) e
R = resistência (ohm).
Exemplo:
Determinar a potência gerada por uma aquecedor elétrico de passagem com uma resistência elétrica de 6,45 ohm sob uma tensão de 220V.
E= 220V, R=6,45ohm assim, neste caso P=(220x220)/6,45 =7500 watts ou 7,5 Kw
Bom, já entendemos um pouco sobre o aquecedor elétrico, e adiante iremos dar mais detalhes sobre o trocador de calor e mostrar suas diferenças de aquecimento e custo
com relação ao aquecedor de resistência elétrica.
Os trocadores ou Bombas de calor são equipamentos que realizam trocas térmicas entre dois fluídos com emprego de TRABALHO externo,
independente da temperatura dos fluídos. Na maioria das aplicações das Bombas de Calor o equipamento transfere calor do fluído de menor temperatura
para o fluido de maior temperatura. Exemplos de Bombas de Calor: Refrigeradores, Freezer, ar condicionado, entre outros.
Os trocadores ou bombas de calor são capazes de retirar o calor do ar e transferir para a água da piscina, mesmo quando a temperatura ambiente for
menor que a da água.
Os trocadores conseguem este feito, empregando um terceiro fluído de trabalho e um compressor (fonte de trabalho externo). O fluído de trabalho é aquecido por
compressão, fica mais quente que a água da piscina e assim um trocador de calor transfere calor desta fonte quente naturalmente para a água da piscina que está mais
fria. Após a troca de calor com a água da piscina, este fluído de trabalho (comprimido e resfriado), expande-se numa câmara de vaporização, resfriando-se ainda mais,
ficando muito mais frio que o ar, e assim novamente entra em ação uma nova troca de calor, do ar para o fluido de trabalho, que retira calor do ar aquecendo-se e iniciando todo
o processo novamente.
As bombas de calor para piscina são, portanto uma máquina térmica completa, uma verdadeira Bomba de calor, com os seguintes componentes principais: (01) um
compressor (fonte de energia), (01) um condensador e trocador de calor, (01) evaporador
e trocador de calor, além de um sistema de ventilação para garantir uma grande quantidade de ar necessário para o sistema e melhorar a eficiência do processo de
troca de calor com o ar.
Este processo não é nenhuma novidade, é o próprio ciclo de refrigeração presente em qualquer refrigerador (tipo geladeira), no qual a água da piscina
faz a vez do ar que circula atrás da geladeira, e o universo o interior do refrigerador.
O ciclo do trocador é constituído dos seguintes processos:
A)O compressor age sobre o fluído de trabalho, aquecendo-o durante o processo de compressão (transfere potência ao fluido de trabalho).
B)O fluido aquecido é conduzido para um trocador de calor onde é resfriado pela água da piscina, ou seja, o calor é transferido do fluido comprimido e quente
para a água da piscina que esta numa temperatura mais fria, aquecendo a água e resfriando o fluido comprimido.
C)O fluido comprimido e frio é forçado através de uma restrição na tubulação, onde expande-se numa câmara de evaporação. Esta descompressão baixa ainda mais
a temperatura do fluido.
D)O ar ambiente é forçado com um ventilador (para garantir o volume necessário de ar aumentando a eficiência do processo) através dos tubos da câmara de
evaporação, neste processo de troca de calor, o ar que está mais quente transfere calor para o fluido de trabalho que esta dentro da câmara de evaporação,
aquecendo o fluído de trabalho e resfriando o ar que retorna para a atmosfera.
E)O gás aquecido pelo ar é conduzido novamente para o compressor onde fecha o ciclo.
Assim, na realidade, o calor é transferido do ambiente para a água da piscina, resfriando o ar e aquecendo a água da piscina, consumindo no processo,
energia somente nos motores de compressão e ventilação forçada.
Neste processo, quanto maior a temperatura do ar ambiente maior será o calor transferido para piscina e maior será a eficiência do processo,
onde é possível transferir na ordem de cinco vezes mais energia para água do que a energia consumida no processo.
O mito do lento aquecimento do trocador ou bomba de calor
Há um conceito muito errado no mercado que afirma que o aquecimento de uma piscina, com uma Bomba de Calor, é um processo muito lento e por isso leva-se muito tempo para aquecer uma piscina. Na realidade, quando empregamos qualquer tipo de aquecedor, quer seja um Trocador para Piscina, um Aquecedor a Gás, um Aquecedor solar ou um Aquecedor Elétrico convencional de resistência, desde que todos forneçam a mesma potência (energia por unidade de tempo), uma mesma quantidade de água, nas mesmas condições, aquecerá igualmente com qualquer um dos equipamentos. Esta falsa impressão ocorre por que sendo a Bomba de Calor uma máquina muito mais sofisticada,acaba sendo um pouco mais cara. Sendo assim para uma certa quantia de dinheiro gasto em um trocador de calor com potência da ordem de 12000 Kcal/h, por exemplo, podemos comprar um aquecedor elétrico convencional (com resistência)com muito mais potência, porém, muito menos eficiente. Assim, ele poderá aquecerá uma mesma porção de água em um tempo um pouco menor, mas com certeza terá um custo de manutenção de quatro a seis vezes maior (consumo de energia).
Então, se analisarmos todos itens e compararmos os equipamentos, veremos que, basta entender o funcionamento e como programar o aquecimento do trocador de calor, para que tenhamos muito mais eficiencia e economia de energia. Sem contar que, o custo do trocador acaba sendo superado em pouco tempo pela energia excedente gasta com um sistema de aquecimento elétrico convencional.
Dimensionando um trocador de calor
O dimensionamento do aquecimento de uma determinada piscina não é tão simples assim, pois determinados fatores podem interferir no cálculo. Mas, tomando conhecimento
destes fatores, poderemos calcular com mais segurança um equipamento que possa satisfazer a necessidade de aquecimento da piscina.
Pra se ter uma noção, o próprio rendimento do equipamento pode variar de acordo com a temperatura e umidade do ar, além disso, existem as variações climáticas e de estações do ano,
a intensidade do vento, a cobertura da piscina, a estrutura da piscina entre outros. Mas, essas variáveis valem tanto para os trocadores de calor quanto para os demais sistemas
de aquecimento.
Para facilitar os fornecedores dos equipamentos apresentam em seus catálogos, tabelas para orientação prévia, mas para uma avaliação mais precisa, quando solicitado,
os fabricantes dimensionam, com uso de programas de cálculos, e fornecem valores de consumo e tempo de operação de seus equipamentos em função dos meses do ano.
As principais variáveis que mais utilizamos para dimensionar o trocador são: temperatura da água desejada,
volume da piscina, área da piscina, se a piscina fica em um ambiente aberto ou fechado, e a média climática da região.
Temperaturas indicadas:
Piscina para uso comum: 28oC a 30oC
Piscina para hidroginástica: 32oC
SPA e Ofurô: 36 a 40oC
Princípios do cálculo para aquecimento de uma piscina
Quando dimensionamos um aquecedor para uma determinada piscina, temos duas questões a resolver: a primeira é aquecer a água até a temperatura desejada e
a segunda é manter esta água aquecida nesta temperatura. O procedimento para o cálculo do equipamento adequado, primeiro calcula qual o equipamento é capaz de manter
a piscina aquecida, na pior situação de condições ambientais e trabalhando 8 hs por dia. Definido o equipamento, o programa calcula quanto tempo este equipamento leva para
aquecer a piscina.
Por isso, quando minimizamos o investimento com relação ao equipamento, considerando que, no mínimo a máquina tem que manter a temperatura desejada,
obteremos um equipamento que leva um tempo relativamente longo de operação ininterrupta para atingir a temperatura desejada.
Com este procedimento o tempo de aquecimento, em média, de uma piscina é em torno de 36 horas no outono e primavera.
Considerações:
Para piscinas comerciais, que precisam de aquecimento em tempo integral, ou mesmo as residencias que pretendam o mesmo objetivo, o procedimento padrão atende perfeitamente.
Para piscinas residenciais, onde é comum os usuários, por economia, ou por que só pretenderem usar a piscina nos finais de semana, ligarem o equipamento um dia antes
de utilizar a piscina, é preciso também analisar o que poderá valer mais a pena, se é deixar a máquina ligada integralmente por pouco tempo ou se é melhor fazer o aquecimento total
da água um dia antes de usa a piscina.
Uma solução é solicitar simulação com equipamento de potência acima do mínimo recomendado e contabilizar os custo para cada caso.
Piscinas muito pequenas, spas ou ofurôs, onde o aquecimento ocorre somente quando o usuário deseja utilizar o local, necessitam muitas vezes de um modelo de trocador um pouco mais
potente, visto que é preciso calcular com base principalmente no tempo de aquecimento.
Resumindo, cada caso é um caso. E precisa ser avaliado por um profissional que entenda sobre aquecimento de piscina e também que indique o trocador baseado no melhor
custo-benefício para o cliente.
Fatores a considerar na escolha do equipamento
Considerando que você já decidiu instalar um trocador de calor em sua piscina, você será então confrontado com várias marcas e modelos no mercado,
como um trocador de calor não é um equipamento trivial, é quase certo que muitas dúvidas surgirão e na maioria das vezes, a decisão fica totalmente nas mãos do vendedor.
Sendo assim este texto tenta de maneira simplificada, aculturá-lo no assunto para ajudar na decisão, ou na interação com a empresa fornecedora.
Fatores a considerar quando for escolher o equipamento: preço, rendimento, confiabilidade e facilidade de manuseio.
Apesar destes fatores, um item a considerar sobre o trocador de calor que influência em seu rendimento e eficiência é chamado de COP.
O COP, ou, Coeficiente de Performance de uma bomba de calor é a relação entre o calor transferido (Qh)e o trabalho aplicado (W), onde Qh é o calor fornecido pelo
condensador e W o trabalho consumido no compressor.
Quando uma Bomba de Calor é usada para aquecimento de uma piscina, onde o objetivo é a transferência de calor do ambiente para a água da piscina (QH),
o rendimento do equipamento denominado de COP – Coeficiente de Performance, é definido como a razão entre o calor transferido para a água, através do condensador
('QH'- energia que sai da máquina) e o trabalho realizado ('W'= energia aplicada) ou seja, o total da energia elétrica usada no compressor e no ventilador.
Assim, quanto maior for o COP, maior será o rendimento do equipamento, ou seja, mais economia no aquecimento da piscina. Tomando como referência um aquecedor
elétrico com resistência e admitindo seu rendimento aproximadamente como 100%, ou seja, quanto de energia elétrica é convertida totalmente em aquecimento,
se uma bomba de calor tivesse o mesmo rendimento desse aquecedor elétrico, teríamos QH = W , e portanto, um COP=1, assim quando afirmamos que o COP de uma bomba
de calor é de 5, dizemos que este equipamento aquece cinco vezes mais do que a energia elétrica consumida, ou cinco vezes mais que um aquecedor elétrico convencional por resistência,
consumindo a mesma energia.
Na figura abaixo, vemos a potência aplicada para um trocador ou bomba de calor típica em função da temperatura ambiente (linha azul) e a potência obtida em termos de
calor transferido (linha vermelha):
Na figura abaixo, é apresentado o rendimento em termos de COP:
COP Nominal
O COP, ou seja, o rendimento de uma bomba e calor, não é um valor fixo, depende de uma série de variáveis. Algumas destas variáveis são dependentes dos componentes
internos da máquina, como compressores, condensadores, evaporadores e fluido de trabalho e outras são dependentes de fatores externos, como a temperatura ambiente,
temperatura da água da piscina, temperatura e umidade do ar ambiente, etc...
Como o COP real varia com as condições de operação é definido um COP de referência ou nominal, levantado em laboratório, em condições padronizadas de teste, para poder
ser usado para avaliação dos equipamentos. Infelizmente, a determinação deste COP nominal, muitas vezes chamado de COP da máquina, ainda não está sob a monitoração do INMETRO,
o que daria maior credibilidade ao COP, e maior segurança na avaliação do custo-benefício dos vários equipamentos comerciais, e assim a garantia das informações
fornecidas pelos fornecedores dos equipamentos, ficam exclusivamente dependente de seu grau de confiabilidade, embora, os fabricantes destes equipamentos através
de sua associação ANAPP acordaram sobre esta padronização definindo as seguintes condições de teste: com 28oC e 80% a condição ambiental e temperatura de entrada da água de 28oC, entre
outras.
Admitindo que os dados de COP fornecido pelos fabricantes sejam fidedignos, poderemos com base nestes valores, comparar não só o rendimento de diferentes
equipamentos, mas também a tecnologia “inside”, já que implicitamente o máximo do rendimento deve ser obtido com uma melhor tecnologia.
Assim, quando você estiver avaliando o trocador de calor a ser comprado, exija as informações do COP do equipamento e compare com os de outros modelos ou marcas,
pois quanto maior o COP, mais eficiente será o equipamento, ou seja, maior capacidade de aquecimento para uma mesma energia consumida.
No gráfico abaixo estão representado a variação do COP nominal versus Potência do equipamento de alguns fornecedores nacionais, onde podemos verificar até que há variações
de COP em equipamentos com mesma potência de um mesmo fabricante.
COP Real
Quando a Bomba de Calor está em operação em sua residência ou empresa o seu rendimento (COP) varia de acordo com as condições dos meio, ou seja,
o rendimento varia com a temperatura, umidade e pressão do ar e também varia com a temperatura e vazão da água da piscina.
A temperatura ambiente seria um dos fatores que mais afetam o desempenho da bomba de calor, o que pode ser observado já que é do ar que é retirado o calor
para ser transferido para a água da piscina. Assim quanto mais quente, mais energia disponível, e infelizmente, quanto mais frio, menor é a eficiência, pois precisaremos de mais potência para
que o equipamento gere mais calor.
O gráfico a seguir mostra uma bomba de calor típica e a variação de sua eficiência (COP) com a temperatura. Esta variação do COP com a temperatura,
tem dois aspectos interessantes, o primeiro e mais importante é no dimensionamento do equipamento para aquecer uma determinada piscina em uma determinada temperatura.
O COP, por ser dependente da temperatura, deve ser analisado de acordo com o histórico de temperatura do local onde será instalado, visto que a temperatura
média de uma localidade irá variar também de acordo com as estações do ano.
O segundo aspecto é que durante a operação diária, o desempenho de um trocador de calor também varia com a temperatura, na maioria da vezes os usuários nem levam isso em consideração, porém caso você queira considerar esta hipótese, observe o gráfico abaixo, onde das 8:00hs as 15:00 hs de um dia típico de uma cidade carioca, no outono, o COP é pelo menos 20% maior que no restante das 24:00hs.
Partes do Trocador de Calor - O que você deve saber:
O Compressor: esta parte do trocador, chamada de compressor, é basicamente o coração da máquina.
Quando o gás refrigerante passa pelo evaporador e absorve calor do ar que foi sugado (será explicado com maiores detalhes abaixo), ele estando superaquecido é puxado pelo
compressor da máquina que, de acordo com sua potência, aquece o gás ainda mais. É importante salientar, que o compressor tem um certo consumo de energia que, embora baixo,
deve ser levado em consideração. Um compressor de alta qualidade irá gastar menos energia por muito mais rendimento de calor.
O melhor compressor do mercado é o Compressor Scroll sem vias de dúvidas.
O compressor Scroll é uma tecnologia importada de uma empresa chamada Copeland e está disponível no mercado brasileiro em algumas marcas de trocadores de calor.
A Copeland, atualmente a maior fabricante mundial de compressores para refrigeração comercial, industrial e ar-condicionados, iniciou suas atividades em Detroit (EUA) no ano de 1921.
Os compressores scroll, como outras tecnologias rotativas, requerem poucas partes móveis em comparação com os compressores a pistão.
Devido à baixa velocidade de deslizamento em todos os pontos de contato, o mecanismo de precisão e as tolerâncias ajustadas dos elementos do scroll, é possível usar
o contato físico entre as duas espirais como um vedador, eliminando, assim, a necessidade de usar um grande volume de óleo para esta função.
O contato físico entre as espirais também tem a vantagem de eliminar os espaçamentos e reduzir fugas, sendo possível criar compressores de alto rendimento e ao mesmo
tempo que apresentam um menor deslocamento. O compressor Scroll está em contraste direto com os compressores à pistão, onde as proporções de fuga são superiores
(menor rendimento) e se compensam usando deslocamentos maiores.
Os compressores scroll são máquinas silenciosas e de baixa vibração, seu nível de ruído é relativamente independente da pulsação do trocador e está mais associado
com seus dispositivos mecânicos.
Comparativo entre Compressores Scroll e compressores à pistão:
- Eficiência 5 a 10% maiores, em média.
- Resistentes a golpes de líquido, devido a ausência de válvulas.
- 64% menos partes móveis, isso representa menos manuetenção ou defeitos.
- Operação extremamente suave e silenciosa, quando comparado a um compressor recíproco.
- Baixa variação de torque, o que propicia uma redução na vibração e ruído e um aumento da vida útil do motor.
