Bomba de calor

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Antecedentes

Como resultado da crescente preocupação da sociedade com as questões ecológicas e ambientais, a demanda por maneiras mais eficientes de utilizar o calor e a energia está aumentando. A indústria de bombas de calor usa avanços tecnológicos, como aquecimento ambiente durante todo o ano, para deslocar a energia térmica para um local e propósito mais úteis. Este conceito é realizado fornecendo calor localizado ou redirecionado, enquanto trocando ar frio com ar aquecido.

Os princípios das bombas de calor são, na verdade, o reverso dos princípios tecnológicos e termodinâmicos de uma unidade de ar condicionado. A maioria das bombas de calor oferece o benefício adicional de fornecer aquecimento no inverno e resfriamento no verão. Isso pode ser feito simplesmente invertendo o fluxo do fluido de trabalho que circula pelas bobinas. A bomba de calor é um sistema termodinâmico completo pelo qual um meio líquido e / ou gasoso é bombeado através de um conjunto onde muda de fase como resultado da alteração da pressão. Embora a instalação seja relativamente cara, o sistema de bomba de calor oferece uma maneira mais econômica e eficiente de controlar as temperaturas e reutilizar a energia térmica existente.

Matérias-primas

A fabricação de bombas de calor envolve o uso de grandes fundidos de ferro com componentes de aço inoxidável e tubos de alumínio. As peças fundidas, usadas na bomba e no motor, geralmente contêm pequenas quantidades de níquel, molibdênio e magnésio para melhorar as características mecânicas e de resistência à corrosão da peça fundida. Em bombas de calor menores, alguns componentes requerem o uso de liga de aço para reduzir o peso. Dependendo do tipo de fluido de trabalho usado (amônia, água ou clorofluorocarbonos), a tubulação no sistema de bomba de calor pode exigir aço inoxidável ou alumínio resistente à corrosão. Em sistemas onde a consistência das propriedades termodinâmicas são mais críticas, os tubos de cobre podem melhorar a eficiência. Alojando a maioria dos componentes da bomba de calor, os invólucros são fabricados em chapa de aço carbono macio. O resto da tubulação, conexões, válvulas e acoplamentos são de aço inoxidável.

Todas as bombas de calor requerem um fluido de trabalho para transferir o excesso de energia de uma fonte de calor para outra. Tradicionalmente, os clorofluorcarbonos (CFCs) têm sido usados ​​como fluidos de trabalho devido às suas propriedades termodinâmicas superiores. Por causa dos efeitos nocivos dos CFCs no meio ambiente, sua produção foi gradualmente descontinuada. Em vez disso, água, hidrocarbonetos e amônia são frequentemente utilizados em sistemas de bomba de calor, apesar de sua falta de eficiência em alguns projetos de bomba de calor.

Design

Todas as bombas de calor têm os mesmos componentes básicos. Esses componentes consistem em uma bomba, um condensador, um evaporador e uma válvula de expansão. Apesar das semelhanças relativas desses componentes, os projetos da bomba de calor variam muito, dependendo da aplicação específica da bomba. Os dois projetos principais, compressão e absorção de vapor, utilizam princípios termodinâmicos diferentes, mas ambos incluem componentes semelhantes e fornecem eficiências de sistema semelhantes.

As bombas de calor demonstram versatilidade notável no fornecimento de ar condicionado e aquecimento no mesmo sistema, simplesmente invertendo a direção do fluxo do fluido de trabalho. Nesse sentido, as bombas de calor eliminam a necessidade de sistemas duplos para manter a temperatura desejada. No entanto, isso será caro, pois requer um sistema que seja capaz de bombear em ambas as direções. Em climas extremamente adversos, as bombas de calor perdem parte de sua eficácia e podem exigir uma fonte de calor adicional. Este calor suplementar pode vir de água aquecida geotermicamente ou aquecedores elétricos.

A operação típica da bomba de calor usa o fluido de trabalho para receber calor de uma fonte posicionada perto do evaporador. No evaporador, o fluido vaporiza em um vapor de baixa pressão. Ao entrar na bomba, o vapor é comprimido a alta pressão e entra em um condensador que retorna o vapor para um líquido e, finalmente, libera seu calor armazenado para a fonte desejada. Uma válvula de expansão então permite que o sistema retorne ao seu estado líquido de baixa pressão e o ciclo comece novamente.

O processo de fabricação

A bomba é geralmente adquirida como uma unidade acabada e instalada no sistema integrando-a com componentes de acoplamento e tubulação. Projetada para o tamanho específico e os requisitos de fluido do sistema, a bomba pode ser enviada, dependendo de seu tamanho, diretamente para o local de instalação. Isso geralmente ocorre com grandes bombas de calor comerciais que fornecem calor e / ou refrigeração para edifícios de escritórios. Modelos residenciais menores podem ter a bomba instalada em um conjunto que inclui o condensador, o evaporador e várias tubulações. Essas unidades, encerradas em uma caixa de folha de metal, serão compostas de vários subconjuntos para o condensador e o evaporador, a fim de aparafusar todos os componentes à caixa ou uns aos outros. Alguns dos suportes usados ​​formarão a base da unidade, onde a bomba será aparafusada a uma bandeja de metal e conectada a um motor CA.

Encaixes

• 1 Montado a partir de várias folhas de metal diferentes, as unidades de revestimento são cortadas em uma prensa de cisalhamento. Depois de cortados nas dimensões adequadas, pequenos orifícios de montagem são feitos no metal usando uma puncionadeira CNC (Controlada por Computador). Essas puncionadeiras têm uma mesa móvel para mover a folha de metal ou uma matriz móvel que é capaz de fazer furos em diferentes pontos do metal. As prensas de punção são freqüentemente direcionadas para onde puncionar por um programa de desenho auxiliado por computador (CAD). Ferramentas de puncionamento de diferentes formatos são armazenadas na máquina, proporcionando-lhe a capacidade de puncionar todos os furos necessários simplesmente mudando o programa de computador.
• 2 Após a perfuração, a folha se moverá para uma prensa dobradeira Numericamente Controlada (NC), onde será dobrada em diferentes formas e configurações. A prensa dobradeira dobra o metal em muitas formas diferentes, usando matrizes ou ferramentas. Ao contrário da puncionadeira CNC, a dobradeira exigirá uma mudança manual nas ferramentas para realizar uma dobra diferente. A folha está então pronta para ser soldada, rebitada ou aparafusada às outras folhas e suportes. Depois de montadas, essas folhas fornecem a maior parte da estabilidade das unidades autônomas.

Condensador e evaporador

• 3 O condensador e o evaporador são feitos de muitos tubos pequenos e finos de cobre ou alumínio, que são dobrados em torno de matrizes curvas por máquinas de dobra de tubos. As máquinas de dobrar tubos NC serão programadas para fornecer a mesma dobra exata em cada um dos tubos, permitindo que eles sejam empilhados um sobre o outro. Esses tubos serão então fixados a placas ou aletas através das quais os tubos passarão e serão unidos por meio de expansão do tubo ou soldagem de junta. Isso cria um sistema hermeticamente fechado. O conjunto de tubo e placa atuará como um trocador de calor, permitindo que o fluido de trabalho passe pelo sistema dentro dos tubos, enquanto libera o calor no condensador para outro meio fluido que passa entre as placas e adquire o calor emitido pelos tubos .
• 4 Para fornecer resistência ou conectividade aos componentes, pequenos suportes são perfurados em aço carbono carbono. Os suportes são geralmente perfurados com bobina de aço que é alimentada continuamente primeiro por um desbobinador. Depois de descompactado, ele é cortado, dobrado e formado em um processo contínuo. Isso é feito com uma configuração de matriz progressiva, onde o suporte permanece preso à bobina conforme ela se move da estação para estação. Cada estação adiciona algo ao suporte, um orifício ou entalhe, e o envia para a próxima estação, até que finalmente seja removido da bobina. Este processo pode ser terceirizado para fornecedores especializados em matrizes progressivas ou operações de prensa de transferência e pode fornecer melhor controle de custos.

Tubulação

• 5 Mais tubulação é fabricada e dobrada para fornecer o resto da tubulação necessária para conectar a bomba ao condensador e evaporador. Vários acessórios e componentes de conexão são utilizados. A válvula de expansão, que está contida em algumas das linhas de tubulação, é outro componente adquirido como uma unidade completa. A válvula de expansão é um encaixe projetado que permite a expansão do fluido de trabalho e a conexão de tubos de menor diâmetro com tubos de maior diâmetro. Em pequenas unidades residenciais, a válvula está contida na caixa principal, enquanto em unidades comerciais maiores, pode ser instalada no local no sistema de tubulação.

Pintura / revestimento

• 6 Componentes, subconjuntos, suportes e / ou placas são pintados ou revestidos com pó para resistência à corrosão. Antes da pintura, porém, algumas peças são tratadas com um solvente especial para remover qualquer graxa ou óleo remanescente das operações de fabricação. Isso geralmente é feito submergindo as peças em grandes tanques cheios de solvente e depois secando-as em um forno especial. Algumas peças, que são especialmente revestidas com zinco, níquel ou cromo, passarão por um banho de ácido antes de serem mergulhadas em tanques de solução de revestimento. Depois de limpas, as peças são carregadas manualmente em bandejas ou penduradas em racks especialmente projetados e alimentadas em uma cabine de pintura. A tinta é aplicada com um dispensador de tinta pressurizado que pulveriza tinta em cada fenda.

Embalagem

• 7 Após passar por rigorosas inspeções, a bomba de calor é enviada para a embalagem, onde o sistema será encaixotado e enviado ao local de instalação.

Instalação

• 8 Geralmente, as bombas de calor serão instaladas no canteiro de obras. O compressor e o evaporador serão construídos com tubulação maciça de 3 pol. (7,5 cm) de diâmetro e terão câmaras maiores, onde o fluido de trabalho mudará de fase. A própria bomba será aparafusada a uma base de concreto e conectada com um grande motor DC ou gerador de gás natural. Os acessórios e válvulas serão enviados e instalados no sistema de tubulação, enquanto são suportados por suportes e braçadeiras ancorados nas paredes existentes. Essas instalações apresentam desafios de engenharia significativos e geralmente requerem cooperação entre o empreiteiro e o fabricante da bomba de calor.

Controle de qualidade

Cada componente adquirido de um fornecedor externo geralmente será inspecionado quanto à conformidade dimensional antes de ser montado. Outros componentes serão verificados durante a fabricação para garantir a qualidade. A montagem final será então testada enchendo-a com o fluido de trabalho apropriado e conectando o sistema a uma fonte de energia para girar a bomba. Medindo, com transdutores ou interruptores, os níveis de temperatura e pressão do fluido em diferentes estágios, o sistema final pode ser verificado em relação a critérios pré-determinados.

O Futuro

Com o aumento dos custos de energia, a demanda por uma bomba de calor eficiente aumentará. O alto custo inicial será devolvido integralmente à medida que o uso geral de energia diminuir. A versátil bomba de calor irá beneficiar as organizações que pretendem aumentar a sua exposição a novos desenvolvimentos tecnológicos. À medida que a tecnologia melhora, a bomba de calor acabará por produzir aquecimento e resfriamento mais econômicos. O desenvolvimento do produto vai gerar competição entre as indústrias, fazendo com que os altos custos de fabricação diminuam. A tecnologia de fluidos de trabalho continuará a se expandir devido a vários estudos experimentais projetados para atender a futuras preocupações ambientais.