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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Energia da Terra. Bombas de calor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Há um século e meio, o físico britânico William Thomson criou um dispositivo chamado "multiplicador de calor" baseado nos seguintes fenômenos físicos:
Como resultado, surgiram bomba de calor - um dispositivo para transferir energia térmica de uma fonte com temperatura mais baixa para uma fonte com temperatura mais alta, na verdade, é uma geladeira com uma fonte de temperatura mais baixa no ambiente externo ou um ar condicionado que aquece. O princípio de funcionamento de uma bomba de calor baseia-se no facto de o refrigerante evaporar numa câmara com baixa pressão e temperatura e condensar numa câmara com alta pressão e temperatura, transferindo assim energia (calor) de um corpo frio para um corpo aquecido , ou seja, na direção em que a transferência espontânea de calor não é possível. Como fonte de energia térmica de baixo potencial para aquecimento de uma casa, pode-se utilizar o calor de origem natural (ar externo; calor do solo, águas artesianas e termais; água de rios, lagos, mares e outros reservatórios naturais não congelantes). As bombas de calor estão equipadas com um sistema de controlo e automação que mantém o modo de funcionamento especificado da bomba de calor. A eficiência energética da utilização de bombas de calor depende da temperatura da fonte de baixo potencial e será tanto maior quanto maior for a temperatura que esta terá. Bombas de calor não são equipamentos baratos. Os custos iniciais de instalação destes sistemas são ligeiramente superiores aos dos sistemas convencionais de aquecimento e ar condicionado. No entanto, se considerarmos os custos operacionais. então o investimento inicial em aquecimento geotérmico, resfriamento e abastecimento de água quente será rapidamente compensado pela economia de energia. Além disso, deve-se levar em consideração que o funcionamento da bomba de calor não requer nenhuma comunicação adicional, exceto para a rede elétrica doméstica. O desempenho de uma bomba de calor (a relação entre a quantidade de calor transferida para o corpo e o trabalho gasto) é idealmente igual a: a \uXNUMXd T out / (T out - T in.), onde T para fora. e T em. - temperaturas, respectivamente, na saída e na entrada da bomba. Dispositivo de bomba de calor Os principais elementos de uma bomba de calor são um evaporador conectado por uma tubulação, um compressor, um condensador e um regulador de fluxo - um acelerador, um expansor ou um tubo de vórtice. Esquematicamente, uma bomba de calor pode ser representada como um sistema de três circuitos fechados: no primeiro, externo, circula um emissor de calor (um transportador de calor que capta o calor do ambiente), no segundo - uma substância que evapora, levando o calor do emissor de calor e condensa, cedendo calor ao receptor de calor, no terceiro - receptor de calor (água nos sistemas de aquecimento e abastecimento de água quente do edifício).
O circuito externo (coletor) é uma tubulação colocada no solo ou na água (por exemplo, polietileno), na qual circula um líquido anticongelante. A fonte de calor de baixo grau pode ser solo, rocha, lago, rio, mar e até mesmo a saída de ar quente do sistema de ventilação de uma empresa industrial. No segundo circuito, por onde circula o refrigerante, como em um refrigerador doméstico, são embutidos trocadores de calor - um evaporador e um condensador, além de dispositivos que alteram a pressão do refrigerante - uma borboleta que o pulveriza na fase líquida ( orifício calibrado estreito) e comprimindo-o já no compressor de estado gasoso. Projetos de bombas geotérmicas Durante a operação desses sistemas, é utilizado o calor renovável da radiação solar, que é acumulado no solo:
Ciclo de trabalho da bomba de calor O refrigerante líquido é forçado a passar pela borboleta, sua pressão cai e entra no evaporador, onde ferve, retirando do ambiente o calor fornecido pelo coletor. Além disso, o gás no qual o refrigerante se transformou é sugado para dentro do compressor, comprimido e, aquecido, é empurrado para o condensador. O condensador é a unidade de liberação de calor da bomba de calor: aqui o calor é absorvido pela água no sistema de circuito de aquecimento. O gás é então resfriado e condensado para ser novamente submetido a um vácuo na válvula de expansão e retornado ao evaporador, após o que o ciclo de operação recomeça. Eficiência da bomba de calor Durante a operação, o compressor consome eletricidade. Para cada quilowatt-hora de eletricidade consumida, a bomba de calor gera de 2,5 a 5 quilowatts-hora de energia térmica. A relação entre a energia térmica gerada e a energia elétrica consumida é chamada de relação de transformação (ou coeficiente de conversão de calor) e serve como um indicador da eficiência da bomba de calor. Este valor depende da diferença entre os níveis de temperatura no evaporador e no condensador: quanto maior a diferença, menor este valor. Por esse motivo, a bomba de calor deve usar o máximo possível da fonte de calor de baixa qualidade, sem tentar resfriá-la demais. De fato, isso aumenta a eficiência da bomba de calor, pois com um resfriamento fraco da fonte de calor, não há aumento significativo na diferença de temperatura. Por esse motivo, as bombas de calor garantem que a massa da fonte de calor de baixa temperatura seja significativamente maior do que a massa que está sendo aquecida. A diferença entre uma bomba de calor e fontes de calor de combustível é que, para funcionar, além da energia para o compressor, ela também precisa de uma fonte de calor de baixo grau, enquanto nas fontes de calor tradicionais o calor gerado depende apenas do poder calorífico do combustível. O problema de ligar uma bomba de calor a uma fonte de calor de baixo potencial e de grande massa pode ser resolvido introduzindo um sistema de transferência de massa na bomba de calor, por exemplo, um sistema de bombeamento de água. É assim que funciona o sistema de aquecimento central em Estocolmo. Eficiência condicional das bombas de calor A bomba de calor é capaz, usando fontes de energia de alto potencial, de "bombear" para a sala (como uma porcentagem do gasto) de 200% a 600% de energia térmica de baixo grau. Não há violação da lei de conservação de energia nisso, pois o ambiente é resfriado. Teoricamente, a utilização de bombas de calor para aquecimento ambiente é mais eficiente do que caldeiras a gás. As modernas usinas de turbinas a vapor e a gás em usinas de energia têm uma eficiência ligeiramente inferior à eficiência das caldeiras a gás. Como resultado, com a transição da indústria de energia elétrica para equipamentos modernos e o uso de bombas de calor, a economia de gás pode ser obtida de 3 a 5 vezes em comparação com caldeiras a gás. Na realidade, os custos indiretos de transmissão, conversão e distribuição de eletricidade (ou seja, serviços de rede) devem ser levados em consideração. Como resultado, o preço de venda da eletricidade é de 3 a 5 vezes maior que seu custo, o que nega o uso de tecnologia geralmente progressiva. Neste sentido, é aconselhável utilizar eletricidade de fontes alternativas (ondas, vento, centrais solares) ou combinar a produção de eletricidade a partir do gás com a sua utilização aqui no local, para produzir calor numa bomba de calor. Recomendações para o funcionamento da bomba de calor
Vantagens e desvantagens de uma bomba de calor Em primeiro lugar, as vantagens das bombas de calor incluem a economia: para transferir 0,2 kWh de energia térmica para o sistema de aquecimento, a instalação precisa gastar apenas 0,35-50 kWh de eletricidade. Como a conversão de energia térmica em energia elétrica nas grandes usinas ocorre com eficiência de até XNUMX%, a eficiência do uso de combustível ao usar bombas de calor aumenta. Requisitos simplificados para sistemas de ventilação e aumento do nível de segurança contra incêndio. Todos os sistemas operam usando circuitos fechados e não exigem praticamente nenhum custo operacional, exceto o custo da eletricidade necessária para operar o equipamento. Outra vantagem das bombas de calor é a capacidade de mudar do modo de aquecimento no inverno para o modo de ar condicionado no verão: apenas em vez de radiadores, os ventilo-convetores são conectados a um coletor externo. A bomba de calor é confiável, sua operação é controlada por automação. Durante a operação, o sistema não requer manutenção especial, possíveis manipulações não requerem habilidades especiais e são descritas nas instruções. Uma característica importante do sistema é sua natureza puramente individual para cada consumidor, que consiste na escolha ideal de uma fonte estável de energia de baixo potencial, cálculo do coeficiente de conversão, retorno e outras coisas. A bomba de calor é compacta (seu módulo não ultrapassa o tamanho de uma geladeira convencional) e é quase silenciosa. As desvantagens das bombas de calor usadas para aquecimento incluem o alto custo do equipamento instalado.
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