Como fazer com as próprias mãos uma bomba de calor para aquecer uma casa: princípio de funcionamento e diagramas de montagem
As primeiras versões de bombas de calor só conseguiam satisfazer parcialmente as necessidades de energia térmica.As variedades modernas são mais eficientes e podem ser utilizadas em sistemas de aquecimento. É por isso que muitos proprietários tentam instalar uma bomba de calor com as próprias mãos.
Diremos como escolher a melhor opção de bomba de calor, tendo em conta os geodados da área onde está prevista a sua instalação. O artigo proposto para consideração descreve detalhadamente o princípio de funcionamento dos sistemas de “energia verde” e lista as diferenças. Com o nosso conselho, você sem dúvida escolherá um tipo eficaz.
Para artesãos independentes, apresentamos a tecnologia de montagem de bomba de calor. As informações apresentadas para consideração são complementadas por diagramas visuais, seleções de fotos e instruções detalhadas em vídeo em duas partes.
O conteúdo do artigo:
O que é uma bomba de calor e como funciona?
O termo bomba de calor refere-se a um conjunto de equipamentos específicos. A principal função deste equipamento é captar energia térmica e transportá-la até o consumidor. A fonte dessa energia pode ser qualquer corpo ou ambiente com temperatura de +1º ou mais graus.
Existem fontes mais do que suficientes de calor de baixa temperatura em nosso ambiente. Trata-se de resíduos industriais de empresas, centrais térmicas e nucleares, esgotos, etc. Para operar bombas de calor no aquecimento doméstico, são necessárias três fontes naturais auto-regenerativas - ar, água e terra.
Os três potenciais fornecedores de energia listados estão diretamente relacionados com a energia do sol, que, ao aquecer, movimenta o ar com o vento e transfere energia térmica para a terra. É a escolha da fonte o principal critério de classificação dos sistemas de bombas de calor.
O princípio de funcionamento das bombas de calor baseia-se na capacidade dos corpos ou meios de transferir energia térmica para outro corpo ou ambiente. Receptores e fornecedores de energia em sistemas de bombas de calor normalmente trabalham em pares.
Existem os seguintes tipos de bombas de calor:
- Ar é água.
- A Terra é água.
- Água é ar.
- Água é água.
- A Terra é ar.
- Água Água
- Ar é ar.
Neste caso, a primeira palavra determina o tipo de meio do qual o sistema retira calor de baixa temperatura. A segunda indica o tipo de portador para o qual esta energia térmica é transferida. Assim, nas bombas de calor, água é água, o calor é retirado do ambiente aquático e o líquido é utilizado como refrigerante.
As bombas de calor modernas utilizam três fonte de energia térmica. Estes são solo, água e ar. A mais simples dessas opções é bomba de calor de fonte de ar. A popularidade de tais sistemas se deve ao seu design bastante simples e facilidade de instalação.
No entanto, apesar dessa popularidade, essas variedades apresentam produtividade bastante baixa. Além disso, a eficiência é instável e depende das flutuações sazonais de temperatura.
À medida que a temperatura cai, seu desempenho cai significativamente. Essas opções de bombas de calor podem ser consideradas como um complemento à principal fonte de energia térmica existente.
Opções de equipamentos usando calor do solo, são considerados mais eficazes. O solo recebe e acumula energia térmica não apenas do Sol, mas é constantemente aquecido pela energia do núcleo terrestre.
Ou seja, o solo é uma espécie de acumulador de calor, cuja potência é praticamente ilimitada. Além disso, a temperatura do solo, especialmente em alguma profundidade, é constante e flutua dentro de limites insignificantes.
Âmbito de aplicação da energia gerada pelas bombas de calor:
A constância da temperatura da fonte é um fator importante na operação estável e eficiente deste tipo de equipamento elétrico. Os sistemas em que o ambiente aquático é a principal fonte de energia térmica apresentam características semelhantes. O coletor dessas bombas está localizado em um poço, onde desemboca em um aquífero, ou em um reservatório.
A temperatura média anual de fontes como solo e água varia de +7º a +12º C. Esta temperatura é suficiente para garantir o funcionamento eficiente do sistema.
Elementos básicos de design de bombas de calor
Para que a instalação de produção de energia funcione de acordo com os princípios de funcionamento de uma bomba de calor, a sua concepção deve conter 4 unidades principais, são elas:
- Compressor.
- Evaporador.
- Capacitor.
- Válvula aceleradora.
Um elemento importante do projeto da bomba de calor é o compressor. Sua principal função é aumentar a pressão e a temperatura dos vapores formados pela ebulição do refrigerante. Os compressores scroll modernos são usados principalmente em equipamentos de controle climático e bombas de calor.
Esses compressores são projetados para operação em temperaturas abaixo de zero. Ao contrário de outros tipos, os compressores scroll produzem pouco ruído e operam tanto em baixas temperaturas de ebulição do gás quanto em altas temperaturas de condensação. Uma vantagem indiscutível é o seu tamanho compacto e baixo peso específico.
O evaporador como elemento estrutural é um recipiente no qual o refrigerante líquido é convertido em vapor. O refrigerante, circulando em circuito fechado, passa pelo evaporador. Nele, o refrigerante aquece e se transforma em vapor.O vapor resultante é direcionado para o compressor sob baixa pressão.
No compressor, os vapores refrigerantes são pressurizados e sua temperatura aumenta. O compressor bombeia vapor aquecido sob alta pressão em direção ao condensador.
O próximo elemento estrutural do sistema é o capacitor. A sua função reduz-se à libertação de energia térmica para o circuito interno do sistema de aquecimento.
Amostras seriais fabricadas por empresas industriais são equipadas com trocadores de calor a placas. O principal material para esses capacitores é liga de aço ou cobre.
A válvula termostática, ou acelerador, é instalada no início daquela parte do circuito hidráulico onde o meio circulante de alta pressão é convertido em meio de baixa pressão. Mais precisamente, um acelerador emparelhado com um compressor divide o circuito da bomba de calor em duas partes: uma com parâmetros de alta pressão e outra com parâmetros de baixa pressão.
Ao passar pela válvula borboleta de expansão, o líquido que circula em circuito fechado evapora parcialmente, fazendo com que a pressão e a temperatura caiam. Depois entra em um trocador de calor que se comunica com o meio ambiente. Lá ele capta a energia do ambiente e a transfere de volta para o sistema.
A válvula borboleta regula o fluxo de refrigerante em direção ao evaporador. Ao escolher uma válvula, é necessário levar em consideração os parâmetros do sistema. A válvula deve atender a esses parâmetros.
Selecionando um tipo de bomba de calor
O principal indicador deste sistema de aquecimento é a potência. Os custos financeiros de aquisição de equipamentos e escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura dependerão principalmente da potência. Quanto maior for a potência do sistema de bomba de calor, maior será o custo dos componentes.
Em primeiro lugar, referimo-nos à potência do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área para colocação de um coletor horizontal. Cálculos termodinâmicos corretos são uma espécie de garantia de que o sistema funcionará de forma eficiente.
Primeiramente, você deve estudar a área planejada para instalação da bomba. A condição ideal seria a presença de um reservatório nesta área. Uso opção de tipo água-água reduzirá significativamente o volume de trabalhos de escavação.
A utilização do calor da terra, pelo contrário, envolve um grande número de trabalhos relacionados com escavações. Os sistemas que utilizam meios aquosos como calor de baixo grau são considerados os mais eficientes.
A energia térmica do solo pode ser utilizada de duas maneiras. A primeira envolve a perfuração de poços com diâmetro de 100-168 mm. A profundidade desses poços, dependendo dos parâmetros do sistema, pode chegar a 100 m ou mais.
Sondas especiais são colocadas nesses poços. O segundo método usa um coletor de tubos. Esse coletor está localizado no subsolo em um plano horizontal. Esta opção requer uma área bastante grande.
Áreas com solo úmido são consideradas ideais para assentamento do coletor. Naturalmente, perfurar poços custará mais do que posicionar o reservatório horizontalmente. No entanto, nem todo site possui espaço livre. Para um kW de potência da bomba de calor são necessários 30 a 50 m² de área.
Se houver um horizonte de água subterrânea elevado no local, os trocadores de calor podem ser instalados em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.
A energia térmica é coletada nesses sistemas bombeando águas subterrâneas através de um circuito fechado, partes das quais estão localizadas em poços. Tal sistema requer a instalação de um filtro e a limpeza periódica do trocador de calor.
O esquema de bomba de calor mais simples e barato baseia-se na extração de energia térmica do ar. Uma vez que se tornou a base para refrigeradores, mais tarde, os condicionadores de ar foram desenvolvidos de acordo com seus princípios.
A eficácia dos diferentes tipos deste equipamento não é a mesma. As bombas que utilizam ar têm o desempenho mais baixo. Além disso, esses indicadores dependem diretamente das condições climáticas.
Os tipos de bombas de calor terrestres têm desempenho estável. O coeficiente de eficiência destes sistemas varia entre 2,8 -3,3. Os sistemas água-água são mais eficazes. Isto se deve, em primeiro lugar, à estabilidade da temperatura da fonte.
Deve-se observar que quanto mais fundo o coletor da bomba estiver localizado no reservatório, mais estável será a temperatura. Para obter uma potência do sistema de 10 kW, são necessários cerca de 300 metros de tubulação.
O principal parâmetro que caracteriza a eficiência de uma bomba de calor é o seu coeficiente de conversão. Quanto maior o fator de conversão, mais eficiente é considerada a bomba de calor.
Montando você mesmo uma bomba de calor
Conhecendo o esquema de funcionamento e estrutura da bomba de calor, monte e instale você mesmo sistema de aquecimento alternativo bem possível. Antes de iniciar o trabalho, é necessário calcular todos os parâmetros principais do futuro sistema. Para calcular os parâmetros da futura bomba, você pode usar software desenvolvido para otimizar sistemas de refrigeração.
A opção mais fácil de construir é sistema ar-água. Não requer trabalhos complexos de construção de um circuito externo, inerente às bombas de calor hidráulicas e terrestres. Para a instalação serão necessários apenas dois canais, um dos quais fornecerá ar e o segundo descarregará a massa residual.
Além do ventilador, é necessário adquirir um compressor com a potência necessária. Para tal unidade, o compressor equipado com sistemas divididos. Não é necessário comprar uma unidade nova.
Você pode removê-lo de equipamentos antigos ou usá-lo componentes antigos de geladeira. É aconselhável usar a variedade espiral. Essas opções de compressores, além de serem bastante eficientes, criam altas pressões que produzem temperaturas mais elevadas.
Para instalar um capacitor você precisará de um recipiente e um tubo de cobre. Uma bobina é feita de um tubo. Para sua fabricação é utilizado qualquer corpo cilíndrico com o diâmetro necessário. Ao enrolar um tubo de cobre em torno dele, você pode produzir esse elemento estrutural de maneira fácil e rápida.
A bobina acabada é montada em um recipiente previamente cortado ao meio. Para a fabricação de recipientes, é preferível utilizar materiais resistentes aos processos corrosivos. Depois de colocar a bobina nele, as metades do tanque são soldadas.
A área da bobina é calculada usando a seguinte fórmula:
MT/0,8 TR,
Onde:
- MT - a potência da energia térmica que o sistema produz.
- 0,8 — coeficiente de condutividade térmica quando a água interage com o material da bobina.
- TR — diferença nas temperaturas da água na entrada e na saída.
Ao escolher um tubo de cobre para fazer você mesmo uma bobina, preste atenção à espessura da parede. Deve ter pelo menos 1 mm. Caso contrário, o tubo ficará deformado durante o enrolamento. O tubo por onde entra o refrigerante está localizado na parte superior do recipiente.
O evaporador da bomba de calor pode ser feito em duas versões - na forma de um recipiente com uma serpentina nele localizada e na forma de um tubo em um tubo. Como a temperatura do líquido no evaporador é baixa, o recipiente pode ser feito de um barril de plástico. Um circuito feito de tubo de cobre é colocado neste recipiente.
Ao contrário de um condensador, a bobina da bobina do evaporador deve corresponder ao diâmetro e à altura do recipiente selecionado. A segunda opção de evaporador: tubo em tubo. Nesta modalidade, o tubo refrigerante é colocado em um tubo plástico de maior diâmetro através do qual a água circula.
O comprimento desse tubo depende da potência planejada da bomba. Pode ter de 25 a 40 metros. Esse tubo é enrolado em espiral.
A válvula termostática refere-se a acessórios de fechamento e controle de tubulação. Uma agulha é usada como elemento de fechamento na válvula de expansão. A posição do elemento de fechamento da válvula é determinada pela temperatura no evaporador.
Este importante elemento do sistema possui um design bastante complexo. Inclui:
- Par termoelétrico.
- Diafragma.
- Tubo capilar.
- Balão térmico.
Estes elementos podem tornar-se inutilizáveis a altas temperaturas.Portanto, durante os trabalhos de soldagem do sistema, a válvula deve ser isolada com tecido de amianto. A válvula de controle deve corresponder à capacidade do evaporador.
Após a realização dos trabalhos de fabricação das principais peças estruturais, chega o momento crucial de montar toda a estrutura em um único bloco. A fase mais crítica é processo de injeção de refrigerante ou refrigerante no sistema.
É improvável que uma pessoa comum seja capaz de realizar tal operação de forma independente. Aqui você terá que recorrer a profissionais que reparam e fazem a manutenção de equipamentos de climatização.
Os trabalhadores desta área geralmente possuem o equipamento necessário. Além de carregar o refrigerante, eles podem testar o funcionamento do sistema. Injetar refrigerante por conta própria pode causar não apenas falhas estruturais, mas também ferimentos graves. Além disso, também são necessários equipamentos especiais para operar o sistema.
Quando o sistema é iniciado, ocorre um pico de carga inicial, geralmente em torno de 40 A. Portanto, é impossível iniciar o sistema sem um relé de partida. Após o primeiro arranque, é necessário ajustar a válvula e a pressão do refrigerante.
A escolha do refrigerante deve ser levada muito a sério. Afinal, é esta substância que é essencialmente considerada o principal “transportador” de energia térmica útil. Dos refrigerantes modernos existentes, os freons são os mais populares. Estes são derivados de compostos de hidrocarbonetos nos quais alguns dos átomos de carbono são substituídos por outros elementos.
Como resultado deste trabalho, foi obtido um sistema em malha fechada. Nele circulará refrigerante, garantindo a seleção e transferência da energia térmica do evaporador para o condensador. Ao conectar bombas de calor ao sistema de aquecimento doméstico, deve-se levar em consideração que a temperatura da água que sai do condensador não ultrapassa 50 - 60 graus.
Devido à baixa temperatura da energia térmica gerada pela bomba de calor, devem ser seleccionados dispositivos de aquecimento especializados como consumidores de calor. Pode ser um piso quente ou radiadores volumétricos de baixa inércia feitos de alumínio ou aço com grande área de radiação.
As opções de bombas de calor caseiras são mais apropriadamente consideradas como equipamentos auxiliares que apoiam e complementam o funcionamento da fonte principal.
Todos os anos, os designs das bombas de calor são melhorados. Projetos industriais destinados ao uso doméstico utilizam superfícies de transferência de calor mais eficientes. Como resultado, o desempenho do sistema aumenta constantemente.
Um importante fator que estimula o desenvolvimento dessa tecnologia para a produção de energia térmica é o componente ambiental. Tais sistemas, além de bastante eficazes, não poluem o meio ambiente. A ausência de chama aberta torna o seu funcionamento absolutamente seguro.
Conclusões e vídeo útil sobre o tema
Vídeo nº 1. Como fazer uma bomba de calor caseira simples com trocador de calor de tubos PEX:
Vídeo nº 2. Continuação da instrução:
As bombas de calor têm sido utilizadas como sistemas de aquecimento alternativos há já algum tempo.Esses sistemas são confiáveis, têm uma longa vida útil e, o que é mais importante, são ecologicamente corretos. Estão a começar a ser seriamente considerados como o próximo passo no desenvolvimento de sistemas de aquecimento eficientes e seguros.
Quer fazer uma pergunta ou falar sobre uma forma interessante de construir uma bomba de calor que não é mencionada no artigo? Por favor, escreva comentários no bloco abaixo.
Na nossa cidade existia uma fábrica de manteiga e queijo, de onde saíam regularmente água quente e vapor. Então o nosso vizinho, aparentemente com uma mentalidade de engenharia, adaptou esta energia para aquecer as suas estufas. E acabei de descobrir hoje como isso pode ser feito. O princípio de operação está claramente indicado e existem diagramas. Mas duvido que consiga fazer tudo certo com minhas próprias mãos para que funcione.
Li o material, mas não aprendi nada de novo. Esta tecnologia é utilizada há muito tempo nos países nórdicos (Dinamarca, Suécia, Noruega). É especialmente popular na construção de casas passivas e economizadoras de energia.
Estou me perguntando o que acontecerá se o poço perfurado para a bomba ficar entupido com depósitos de lodo. Pelo que eu sei, os proprietários dos poços os limpam a cada cinco anos.
E o que acontece nos poços destinados a bombas de calor?
Leia com mais atenção - os poços estão secos.
“Se houver um horizonte de água subterrânea elevado no local, os trocadores de calor podem ser instalados em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.”
Se você não aprendeu nada de novo, então não deve haver nenhuma dúvida :) Se você ler o artigo com atenção, poderá perceber que estamos falando sobre a necessidade de instalação de filtros, além de limpeza periódica de trocadores de calor é um fenômeno inevitável.
Sim, nos países ocidentais estas tecnologias são amplamente utilizadas, os sistemas são caros, mas depois compensam e utiliza-se essencialmente uma fonte de calor gratuita.
Em relação aos poços. A tecnologia aqui não é a mesma usada para fornecer água a uma casa, portanto a comparação neste caso está incorreta.
MT/0,8 TR, onde:
MT é a potência da energia térmica que o sistema produz.
0,8 – coeficiente de condutividade térmica quando a água interage com o material da bobina.
RT – diferença nas temperaturas da água na entrada e na saída
Incertezas com a fórmula. MT - potência em quais unidades? Quilowatts, BTU/hora, Watts? O poder parece ser denotado pela letra P. Qual é a dimensão de 0,8? A diferença de temperatura também é designada como Delta t e RT. E o total, qual é a área medida em m². ou sq. cm? Como exemplo, deveríamos dar um cálculo específico no bom sentido, e não uma fórmula de aparência estranha.
Por que é necessário construir áreas de troca de calor tão grandes? De acordo com a tabela, 0,1 W por 1 grau por segundo por metro². Isso é 360 watts por hora a partir de 1 m²... Para 10 kWh você precisa de 100 m² de superfície do poço. Isso é 10m². Se o trocador de calor for colocado próximo, esta área deverá ser suficiente???
Se você atirar no máximo 1 grau.