4, v.1Desenvolvimento de um sistema de iluminação mais eficiente para utilização em granjas de produção de ovos férteis visando a racionalização de energia elétrica no setor avícolaDesenvolvimento de uma metodologia para a adequação ambiental de Centrais Hidrelétricas quanto ao nível de ruído sonoro author indexsubject indexsearch form
Home Pagealphabetic event listing  





An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Desenvolvimento de uma bomba de calor água-água acionada a biogás para utilização em processos de aquecimento e resfriamento em laticínios visando a racionalização de energia no nível de produção leiteira

 

 

Rodrigo Aparecido JordanI; Luís Augusto Barbosa CortezI; Lincoln de Camargo Neves FilhoII; Jorge de Lucas Jr.III

IFaculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (019) 3788-1007 fax: (019) 3788-1010
IIFaculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas, CEP 13083-970, Campinas-SP, tel: (019) 3788-4025
IIIFaculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, UNESP, Jaboticabal-SP, tel: (016) 3209-2637

 

 


RESUMO

É grande o desperdício na utilização da energia. Um fator que contribui sensivelmente para aumentar este problema está relacionado com o uso direto da eletricidade para aquecimento de água em processos. Em grande parte da agroindústria leiteira, o problema se repete, na maioria dos casos, em se tratando de pequenas unidades, a forma utilizada para "produzir" calor é através da utilização de tanques providos de resistências elétricas chamados de "boilers". Este procedimento faz os custos de processamento e o desperdício de energia aumentarem, pois, os equipamentos que utilizam corrente elétrica diretamente para aquecimento de água possuem uma eficiência exergética muito baixa. A questão então se volta para o desenvolvimento de um equipamento que utilize racionalmente a energia elétrica. Pouco conhecidas no Brasil, as bombas de calor são empregadas no aquecimento de residências e processos indústriais em paísesmais desenvolvidos. São equipamentos muito eficientes, podendo gerar um efeito 3 a 5 vezes superior a energia elétrica utilizada. Este projeto busca o desenvolvimento de uma bomba de calor tipo água-água acionada com biogás, proveniente da digestão anaeróbia de esterco bovino, para resfriamento de leite e, aquecimento de água utilizada na limpeza e desinfecção de equipamentos e instalações de ordenha, visando a eficientização do uso da energia elétrica no nível de propriedade leiteira.

Palavras chaves: Bomba de calor, refrigeração, economia de energia, aquecimento, biogás.


ABSTRACT

It is big the waste in the use of the energy. A factor that contributes sensibly to increase this problem is related with the direct use of the electricity for heating of water in processes. In a large part of the industry milkmaid, the problem he/she repeats, in most of the cases, if being about small units, the form used " to produce " heat is through the use of called provided tanks of eletric the processing costs and the waste of energy they increase, therefore, the equipments that use electric current directly for heating of water they possess an efficiency very low exergetic. The subject then goes back to the development of an equipment that uses the electric energy rationally. Not very known in Brazil, the bombs of heat are used in the heating of residences and industrial processes in developed countries. They are very efficient equipments, could generate an effect 3 to 5 times superior the used electric energy. This project search the development of a bomb of heat type water-water worked with biogás, coming of the digestion without air of bovine manure, for cooling of milk and heating of water used in the cleaning and disinfection of equipments and facilities of it milks, seeking the efficiency of the use of the electric energy in property milkmaid's level.


 

 

INTRODUÇÃO

Após o processamento do leite, as instalações e os equipamentos precisam ser limpos e desinfetados com a utilização de água quente a uma temperatura em torno de 60º C. Na maioria dos casos, em se tratando de pequenas unidades, a forma utilizada para produzir calor é através da utilização de aquecedores elétricos de fluxo contínuo ou tanques providos de resistências elétricas também chamados de "boilers", equipamentos de alto consumo que contribuem para o desperdício de energia elétrica e o aumento da conta paga pelos produtores.

Neste caso, o aumento da eficiência no uso da energia elétrica pode ser obtido com o desenvolvimento de um único equipamento que desempenhe a função do tanque de resfriamento de leite e do aquecedor elétrico. Uma bomba de calor tipo água-água que, com o mesmo consumo de energia do equipamento resfriador de leite, aqueça também, a água para limpeza dos equipamentos e instalações.

Para uma significativa redução da potência frigorífica do equipamento, pode ser utilizado no lugar do evaporador tipo expansão direta da bomba de calor, uma serpentina montada num tanque de água, para termo-acumulação de gelo no lado frio. Assim, a bomba de calor trabalha no intervalo entre cada ordenha acumulando gelo para o resfriamento do leite e água quente para utilização na limpeza das instalações. A água quente é acumulada num reservatório isotérmico, conectado ao condensador da bomba de calor.substrato orgânico nas propriedades leiteiras, proveniente dos animais estabulados é possível ainda, através de um biodigestor, realizar o acionamento da bomba de calor com um motor a biogás, havendo a possibilidade da substituição total do uso da energia elétrica por uma fonte de energia disponível em abundância e pouco aproveitada.

Este trabalho, faz parte de um projeto ainda em fase inicial. A apresentação deste no molde em que está, objetiva divulgação do mesmo e a demonstração do potencial de utilização das bombas de calor em processos de aquecimento para a economia de energia. Para tanto, serão mostradas as etapas do projeto a serem seguidas, o equipamento que será montado e, alguns resultados preliminares de simulações matemáticas e testes iniciais com adaptações simples em um equipamento de refrigeração.

 

MATERIAIS E MÉTODOS

O projeto será conduzido nas seguintes etapas:

1º) Concepção do projeto.

2º) Aquisição das peças e equipamentos.

3º) Realização das adaptações necessárias aos equipamentos e peças adquiridos.

4º) Testes de consumo e potência com o motor a biogás.

5º) Desenvolvimento do sistema de controle e aquisição de dados.

6º) Montagem da bomba de calor.

7º) Testes operacionais com a bomba de calor em nível de laboratório.

8º) Testes operacionais com a bomba de calor em nível de campo.

9º) Estudo de caso para uma fazenda de produção de leite.

A primeira parte será realizada na UNICAMP, nas instalações do Laboratório de Energia Termodinâmica da Faculdade de Engenharia Agrícola - FEAGRI. Esta consistirá nas etapas de concepção e montagem da bomba de calor, aquisição das peças, adaptação do motor ciclo Otto para biogás, desenvolvimento dos sistemas de comando e aquisição de dados. Nesta primeira parte serão também realizados os testes operacionais em nível de laboratório.

A etapa de concepção do projeto que envolve os cálculos para dimensionamento da capacidade da bomba de calor para aquecimento e resfriamento e, a capacidade de cada componente, encontra-se pronta.

Necessitando agora, da aquisição das peças para montagem da bomba de calor e início do testes. As adaptações a serem realizadas serão muito simples ou, nenhuma, no caso de alguns componentes desenvolvidos para equipamentos de refrigeração, mas que se adaptam perfeitamente as exigências deste projeto.

Os testes operacionais em nível de laboratório, serão realizados com o objetivo de obter parâmetros para melhores ajustes da bomba de calor, como por exemplo: o consumo de biogás e a adequação do modelo matemático aos valores reais de produção de gelo e água quente. Também, adequação e testes com o sistema de aquisição de dados, prevendo situações que poderão ocorrer a campo, evitando paradas e perca de experimentos. Os dados colhidos nesta etapa já serão usados nas análises do equipamento. Nos testes de laboratório, a alimentação do motor a biogás da bomba de calor será feita com gás natural veicular, devido á semelhança da sua composição com o biogás.

Nos testes operacionais serão realizadas medidas de pressão, temperatura e vazão do fluído frigorífico da bomba de calor na entrada e saída do compressor, evaporador e do condensador; medidas de temperatura,vazão e pressão da água na entrada e saída do condensador; consumo de biogás pelo motor da bomba de calor; espessura de gelo; medidas da temperatura e massa do leite e da água de resfriamento e, temperatura ambiente para obtenção dos parâmetros necessários à análise do processo com base nas Leis da Termodinâmica.

A segunda parte dos testes operacionais, os testes de campo, serão realizados no Campus da UNESP de Jaboticabal, onde serão utilizadas as instalações de produção de biogás do Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias. Estas instalações constam de dois biodigestores, um modelo Indiano e outro modelo Chinês, um gasômetro e uma estação de purificação e compressão de biogás automotivo. Nesta fase a bomba de calor será transportada até a instalação de biogás e conectada ao gasômetro.

Por uma questão de custo e desperdício, nestes testes, o leite será substituído por água, pois ambos apresentam calores específicos semelhantes. Em testes com tanques refrigeradores de leite é utilizado o mesmo procedimento (Portaria N.º 18 de 10 de abril de 2001, Regulamento Técnico para Fabricação, Funcionamento e Ensaios de Tanques Refrigeradores de Leite a Granel). Após a finalização dos testes operacionais, será realizado com base nestes matrizes em lactação permanente.

Dimensionamento da Bomba de Calor

A bomba de calor foi dimensionada com base em uma fazenda de produção de leite, com uma média diária de produção de 20 litros por vaca, com duas ordenhas ao dia, somando uma produção total de 1000 litros de leite. Sendo ordenhados 600 litros pela manhã e 400 litros á tarde. A primeira ordenha é realizada no período dás 4:00 às 6:00 horas e a segunda ordenha, dás 16:00 às 18:00 horas. A Figura 1 mostra a curva de carga térmica para resfriamento, representado pelas duas ordenhas.

A bomba de calor trabalhará no intervalo de 10 horas entre cada ordenha, produzindo gelo e água quente. Com á termo-acumulação de gelo, a capacidade média, calculada para a bomba de calor foi de 2,09 kW. Se fosse utilizado um sistema de expansão direta, a capacidade da bomba de calor deveria ser igual á carga térmica em cada ordenha, implicando num aumento significativo da potência e do custo do equipamento.

O fluído usado no circuito frigorífico da referida bomba será o R22 (ASHRAE, 1996). Para montagem do protótipo, serão utilizados os seguintes componentes com suas respectivas capacidades:

- um motor a gasolina, com potência de 3 kW, adaptado para biogás;

- um tanque resfriador de leite com sistema de termo-acumulação embutido, para duas ordenhas com capacidade total para 1000 litros de leite;

- um compressor aberto operando com R22 com capacidade para 3 kW de refrigeração;

- um evaporador tipo serpentina com capacidade para 3 kW de refrigeração;

- um tanque isotérmico para água quente com capacidade para 1000 litros;

- um trocador de calor a água para utilização com R22 , com capacidade de 4 kW;

- um tanque de líquido para R22;

- uma válvula de expansão termostática com uma capacidade de 3 kW de refrigeração;

- filtro secador, válvulas, tubulações de cobre, etc.

O evaporador será um acumulador de gelo que fará parte do tanque refrigerador de leite com sistema de termo-acumulação. Para o mesmo e para o tanque de leite, foi realizado o dimensionamento completo da capacidade e das dimensões físicas, incluindo simulações de operação em computador com modelagem matemática para o processo de congelamento. A modelagem foi feita com base nas equações que descrevem a formação de gelo e no balanço de energia entre a água, o gelo e o leite.

O tanque refrigerador de leite e a serpentina (Figuras 2 e 3), foram dimensionados com uma geometria especial, de forma a proporcionar uma maior troca de calor entre o leite e a água do reservatório do banco de gelo, aproveitando a convecção natural, evitando-se a utilização de mais um auxiliar elétrico para agitação da água e promoção da troca de calor.

 

 

 

 

A adaptação do motor ciclo Otto para funcionar com biogás, será feita através da adaptação na entrada do carburador, de uma válvula que controla a mistura de ar e biogás na admissão.

A Figura 4 mostra um esquema simplificado do funcionamento geral da bomba de calor a ser montada para o experimento.

O refrigerante R22, após passar pela válvula de expansão (VE), evapora-se no evaporador tipo serpentina (EV), instalado no tanque refrigerador de leite (TRL). Com a evaporação, o refrigerante retira calor da água, ocorrendo o sub-resfriamento da mesma e a formação de gelo em torno do evaporador. O compressor (CP) da bomba de calor acionado pelo motor a biogás (MB) então aspira o vapor aquecido do evaporador (EV) e descarrega-o no condensador (CD), que é o trocador de calor resfriado a água, onde ocorre a condensação do refrigerante e a transferência de calor para a água que circula no através deste. A água aquecida no condensador (CD) retorna ao tanque de água quente (TAQ). Após o estrangulamento pela válvula de expansão (VE) o refrigerante retorna ao evaporador (EV) completando o ciclo.

Avaliação Energética e Exergética para o Sistema

As equações de balanço que descrevem os fluxos de energia e exergia serão usadas como ferramentas de princípio para derivar as relações matemáticas para cada componente do sistema. Assim, considerando operações para estados de regime permanente de fluxo, as equações são expressas como:

balanço de energia

balanço de exergia

onde:

= fluxo de calor no componente, kW;

= trabalho produzido por componente, kW;

= entrada ou saída de massa, kg/s;

hj = entalpia específica na entrada ou saída do fluxo, kJ/kg;

= componente gerador de irreversibilidade, kW;

exj = exergia específica na entrada ou saída do fluxo, kJ/kg;

TR = temperatura na superfície de controle onde acontece a transferência de calor, K; T

s = entropia específica do fluxo, kJ/kgK;

h0, s0 = entalpia e entropia específica do fluxo no estado de referência.

Estado de referência: T0 = temperatura do meio,

P0 = pressão atmosférica. 0T0p

A eficiência exergética ou eficiência de Segunda Lei é igual a:

Na avaliação da bomba de calor, o parâmetro de maior interesse é o coeficiente de desempenho (C.O.P.), que relaciona a quantidade de energia térmica produzida com a quantidade de energia utilizada pelo sistema. Este parâmetro permite medir a eficiência e compara este a outros sistemas semelhantes.

O coeficiente de desempenho para esta bomba de calor é dado por: No lado de resfriamento do leite:

No lado de aquecimento da água:

onde:

= calor retirado no evaporador, kW;

s = calor rejeitado no condensador, kW;

= trabalho fornecido ao compressor, kW;

Com base do poder calorífico do biogás e no consumo deste pelo motor, será possível estimar a energia fornecida ao compressor.

Avaliação Econômica

A avaliação econômica será feita com base na realização de um estudo de caso para uma fazenda leiteira com 50 animais em lactação. Onde, será comparado o desempenho financeiro do sistema de aquecimento da bomba de calor proposta, com sistemas de aquecimento utilizando energia elétrica em forma direta (resistências elétricas), energia solar, gás e óleo (queima direta).

Para uma análise simplificada, serão considerados os seguintes parâmetros:

-Custo inicial de implantação do sistema;

-Custo de operação;

-Custo de manutenção;

-Benefícios advindo da energia elétrica economizada;

-Benefício do biofertilizante produzido;

-Vida útil;

-Taxa de retorno;

O custo de manutenção e a vida útil serão estimados com base em históricos de funcionamento para equipamentos similares. Para a bomba de calor, a vida útil média está em torno de 10 anos.

A taxa de retorno é a relação entre o investimento inicial e o benefício do sistema, no caso, a energia economizada mais o biofertilizante produzido, levando-se em consideração um certo índice infracionário. Quanto menor esta taxa, mais atraente torna-se o investimento.

A avaliação econômica é um dos fatores de maior relevância pois, associada aos resultados das análises técnicas pode viabilizar ou inviabilizar um projeto. Do ponto de vista geral, mesmo que um projeto seja viável tecnicamente, caso não seja economicamente, torna-se inviável frente à necessidade do aumento da eficiência através da redução de custos.

Resultados Preliminares

As Figuras 7 e 8 mostram os gráficos com os resultados da modelagem matemática simulando a formação de gelo e o descongelamento, a variação da temperatura da água e do leite, o calor retirado no evaporador, o calor rejeitado no condensador e o trabalho requerido para bomba de calor.

Nas simulações feitas para o dimensionamento desta bomba de calor, foi considerada uma temperatura de condensação constante igual a 50º C, que é a temperatura de condensação máxima de projeto.

 

Figura 5

 

 

Figura 6

 

Trabalhando nas faixas de temperatura de evaporação e condensação de -5ºC e 50ºC respectivamente, os dados obtidos com a simulação mostraram ser possível aquecer em cada ciclo de refrigeração entre 1000 e 1200 litros de água até 50ºC, considerando uma temperatura inicial da água de 25º C e, produzir entre 120 e 160 kg de gelo e 500 litros de água gelada a uma temperatura entre 0,5 e 0,9ºC, com um consumo máximo de biogás de 21,56 m3 , o que dá um total de 43,12 m3 por dia. O coeficiente de desempenho (C.O.P.) teórico, obtido nas simulações foi de 3,62 para o sistema de resfriamento e, de 4,62 para o sistema de aquecimento. Para o sistema real este coeficiente sofrerá uma diminuição. Porém, espera-se nos testes com a bomba de calor, que este se mantenha acima de 2,5 para o aquecimento.

Em testes realizados com uma simples adaptação de um trocador de calor casca-tubo em um antigo sistema de refrigeração do Laboratório de Refrigeração da Faculdade de Engenharia de Alimentos da Unicamp, utilizado para aulas práticas, acionado por um compressor aberto, com uma potência de 2,6 kW, foi possível obter 3,67 kW de energia para

A minha família, em especial a meus resfriamento e 4,71 kW de energia para aquecimento. O evaporador era do tipo casca-tubo, e resfriava uma solução de etilenogricol a 1,7ºC, com uma temperatura de evaporação de -9,1ºC. O sistema operava com R12. A temperatura de condensação era de 40,4ºC, com uma diferença de temperatura de entrada e saída da água do condensador de 3ºC, onde foi possível aquecer 250 litros de água até uma temperatura de 39,6ºC, começando-se com uma temperatura inicial da água de 24,1ºC, em um tempo de 2 horas, com uma vazão de 1 m3/h. O C.O.P. obtido para o aquecimento de água foi de 1,88, um pouco baixo por se tratar de um equipamento antigo e uma adaptação um tanto ‘grosseira’. Mesmo nestas condições, com este resultado já é possível ter-se uma idéiado potencial para recuperação de calor para aquecimento de água em processos. Calor este que não é aproveitado sendo perdido para o ambiente.

 

CONCLUSÕES

Mesmo, em se tratando de um projeto ainda em fase inicial, os resultados até aqui obtidos através de simulações e testes preliminares com adaptações em sistemas de refrigeração e, informações adquiridas na revisão bibliográfica, apontam um potencial significativo para a recuperação de calor com a utilização de bombas de calor em processos onde existem demandas sucessivas de frio e calor, como no caso do processo estudado neste trabalho.

A utilização da bomba de calor neste processo pode trazer uma significativa contribuição na redução dos gastos com energia elétrica para aquecimento de água.

Pode ser alcançada a substituição total da energia elétrica, tanto para aquecimento, como para resfriamento, com o uso do biogás no acionamento da bomba de calor.

 

AGRADECIMENTOS

A Deus que continue iluminando o meu caminho.

A minha esposa Edneia pela compreensão e motivação.

A minha família, em especial a meus pais.

A Fapesp pela bolsa de estudos concedida e apoio financeiro ao projeto.

Ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da Unicamp.

 

REFERÊNCIAS

1. ASHRAE. Applied heat pump and heat recovery systems. Ashrae - Ashrae Handbook. Atlanta, Ashrae, 1996. Cap. 8. 22p.

2. BENINCASA, M.; ORTOLANI, A. F.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores convencionais. Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias. Jaboticabal, 1991. 25p.

3. CEMIG. Companhia Energética de Minas Gerais. Utilização de bomba de calor no edifício sede da Cemig. N. T. 02111- CM/UE - 44, 12p, 1992.

4. CESP. Companhia Energética de São Paulo. Projeto de uma bomba de calor experimental. Proposta n.º 50380 (não publicado). CESP. São Paulo. 1979.

5. CORTEZ, L. A. B.; NEVES FILHO L. C. Aplicação de bombas de calor na agricultura e na agroindústria brasileira. Anais do III Congresso Nacional de Energia. La Serena, Chile. 17-19 de abril de 1996. p. 337-343.

6. CORTEZ, L. & R. BOILY. La rentabilité des récupérateurs de chaleur du lait. Apresentado no 11e Colloque de Génie Rural, Université Laval, Quebéc, Canadá. 1984. 45 p.

7. COMASTRI FILHO, J. A. Biogás, independência energética do Pantanal Mato-grossense. EMBRAPA. UEPAE de Corumbá. Circular Técnica, 9. Corumbá. 1981. 53p.

8. GARCIA, F. P. & PELLEGRINI M. C. Dimensionamento, construção e operação de digestores rurais de pequeno porte. CESP. Companhia Energética de São Paulo. São Paulo. 1982. 17p. Simpósio Tecnologia e Aplicação Racional de Energia e de

9. GELLER, H. S.; GOLDEMBERG, J.; MOREIRA, J. R.; HUKAI, R.; SCARPINELLA, C.; YSOHIZAWA, M. Eletricity conservation in Brazil: potencial and progress, energy. Great Britain v(13): 469-483, 1988.

10. GELLER, H. S. O uso eficiente da eletricidade: uma estratégia de desenvolvimento para o Brasil. Rio de janeiro: INEE, 1994, 226p.

11. HARDOIM, P. C. & GONÇALVES, A. D. M. A. Avaliação do Potencial do Emprego do Biogás nos Equipamentos Utilizados em Sistemas de Produção de Leite. Anais do 3º Encontro de Energia no Meio Rural. Campinas, SP. 12-15 de setembro de 2000. p. 70.

12. JANNUZZI, G. M. Planejando o consumo de energia elétrica através de programas de difusão de tecnologias mais eficientes. Revista Brasileira de Energia. Rio de Janeiro, RJ. v(3): 176-188, n.º 1, 1993.

13. JANNUZZI, G. M.; SWISHER, J. N.P. Planejamento integrado de recursos energéticos: meio ambiente, conservação de energia e fontes renováveis. Campinas, SP: Autores Associados, 1997. 246 p.

14. LUCAS JUNIOR, J. & SILVA, F. M. Biogás, produção e utilização. Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias. Jaboticabal, (s.d.). 8p.

15. MME. Ministério de Minas e Energia. Modelo energético brasileiro. Brasília: 1991. Versão II.91p.

16. MME. Ministério de Minas e Energia. Balanço energético nacional 2000. Brasília : MME, 2000. 152p.

17. OLIVEIRA, A. C. C. & SÁ JUNIOR, J. C. Uso eficiente de energia elétrica. Recife: Ed. Universitária da UFPE, 1998. 113p.

18. PROCEL. Manual de conservação de energia elétrica na indústria. [S.1. : s.n., 198-]. 80 p.

19. SERAPHIM, O. J. Tecnologia e aplicação racional de energia elétrica e de fontes renováveis na agricultura. In:Simpósio Tecnologia e Aplicação Racional de Energia Elétrica e de Fontes Renováveis na Agricultura, 1997, Campina Grande. Anais...Campina Grande: UFPB, 1997. 176p.

20. SANTIAGO, A. C. & CRESTANA, M. S. M. PROGÁS - Normas técnicas para projetos de biodigestores. Governo do Estado de São Paulo, Secretaria de Agricultura e Abastecimento. Coordenadoria de Assistência Técnica Integral (CATI). Com. Téc. N. 27. Campinas. 1981. 13p.

21. SILVA, A. & CORTEZ, L. A. B. Projeto integrado de utilização de biogás e energia solar visando a operação de um sistema de refrigeração de leite por absorção. Projeto de dissertação de mestrado do Engenheiro Andrés da Silva sob orientação do Prof. Luís Augusto Barbosa Cortez da Faculdade de Engenharia Agrícola, UNICAMP. Campinas. 1991. 39p. (Não publicado).