BRPI0901859A2 - sistema de aquecimento de água por passagem utilizando bomba de calor com recuperador de energia - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE AQUECIMENTO DE áGUA POR PASSAGEM UTILIZANDO BOMBA DE CALOR COM RECUPERADOR DE ENERGIA Um aquecedor de água para banho eficiente e simples é proposto, e destinado ao setor de aparelhos aquecedores de água, utilizando um conceito de bomba de calor associado a um sistema de recuperação de energia. A água proveniente da rede hidráulica (3) éaquecida pelo fluido refrigerante da bomba de calor no trocador de calor (4) e direcionada à ducha (5). O refrigerante, então, passa pelo dispositivo de expansão (7) e absorve calor no trocador de calor (8), o evaporador, o qual está posicionado para receber a água que foi utilizada para o banho. Assim, a água que seria descartada no sistema de drenagem, rejeita calor para o fluido refrigerante no interior do evaporador, constituindo-se um sistema de recuperação de energia. Após receber o calor da água, o fluido refrigerante é comprimido e bombeado pelo compressor (2) para rejeitar calor novamente no trocador de calor (4). O sistema de bomba de calor com recuperaçãode energia faz aumentar a temperatura de evaporação, o que resulta em uma maior eficiência energética.

Description

"SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR PASSAGEMUTILIZANDO BOMBA DE CALOR COM RECUPERADOR DEENERGIA"

O presente documento refere-se a uma patente de invençãona qual um inédito sistema de aquecimento de água para a utilizaçãoem duchas é proposto, utilizando para tal, uma bomba de calorassociada a um sistema de recuperação de calor. A invenção édestinada ao setor de aparelhos aquecedores de água.

A água quente é indispensável nos dias atuais, sendonecessária tanto na indústria, como nos lares, para viabilizar processosde transformação no primeiro caso, e para o conforto humano nosegundo. Da utilização nos lares, seu principal uso é para o banho. NoBrasil, o sistema de aquecimento de água para banho que predominano mercado é o chuveiro elétrico. O chuveiro elétrico funciona pelaação de uma resistência elétrica que, quando submetida a umdiferencial de tensão elétrica, dissipa calor no seu enrolamento de fioatravés do efeito Joule. O chuveiro elétrico é um equipamento debaixo custo de aquisição e seu maior problema é o alto consumo deenergia elétrica, que pode atingir valores de 7500 watts, o que acarretaem um elevado custo de utilização. Como conseqüência do aumentodo custo da energia elétrica e de questões ambientais, comoaquecimento global, sistemas de aquecimento de água mais eficientesse tornam soluções cada vez mais atrativas. Entre as soluçõesalternativas ao chuveiro elétrico no Brasil destaca-se o aquecimentosolar e o aquecimento a gás. O sistema de aquecimento solar faz usode painéis de captação de energia solar para aquecimento da água queé armazenada em um tanque isolado termicamente. Este sistema podereduzir em até 80% o consumo de energia elétrica para aquecimentode água para banho. Porém, seu principal problema é o elevado custode aquisição e de instalação do equipamento, tornando-o poucopopular no mercado se comparado ao chuveiro elétrico. Já o sistemade aquecimento a gás por passagem funciona sem o uso de energiaelétrica. A fonte de calor utilizada neste caso é a queima de umcombustível gasoso. Esta tecnologia apresenta um custo relativamentemédio de aquisição e de instalação do equipamento, porém o custo docombustível é elevado, deixando-a pouco atrativa em relação ao custode utilização. Há também soluções combinadas com chuveiro elétricoque prometem economia de energia elétrica. É o caso dosrecuperadores de energia que aproveitam o calor da água rejeitadapara o sistema de drenagem para pré-aquecer a água que alimenta ochuveiro elétrico. Este sistema promete uma redução de, no máximo,35% na energia utilizada no chuveiro elétrico, o que é consideradopouco se comparado à tecnologia solar. Outra forma de aquecer a águapara banho, mas não muito comum nas residências brasileiras, é autilização de sistemas de aquecimento por bomba de calor. A bombade calor é constituída por um compressor que tem o papel comprimirum fluido refrigerante, um trocador de calor no qual o fluido a altapressão rejeita calor para a água a ser aquecida, um dispositivo deexpansão utilizado para reduzir a pressão do fluido refrigerante e deum evaporador (trocador de calor) no qual o fluido refrigerante abaixa pressão absorve calor do meio externo. O princípio básico defuncionamento de uma bomba de calor se resume a absorção de calorde um ambiente e a rejeição deste calor, somada a potência elétricaconsumida pelo compressor, à água a ser aquecida, obedecendo àequação 1.

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onde, Qigua é o calor rejeitado para o aquecimento da água, Qamb é ocalor absorvido de um ambiente pelo evaporador e Wcomp é a potênciaelétrica consumida pelo compressor.

A configuração mais comum de bomba de calor utilizacomo fonte de calor o próprio ar ambiente externo. Este calor,adicionado à potência do compressor, é rejeitado à água em um tanquede armazenamento, que será posteriormente utilizada para banho. Hátambém a utilização deste sistema para o aquecimento da água porpassagem. Nesta forma, o calor é rejeitado diretamente para a água,quando houver demanda, sem a necessidade de armazenamento deágua quente. Para retirar calor do ar ambiente externo, utilizam-setrocadores de calor do tipo tubo com aletas em conjunto com umsistema de ventilação forçada. Entre os problemas destes sistemas debomba de calor, destaca-se o congelamento da serpentina doevaporador em dias muito frios. Além disso, a eficiência do sistemadepende da temperatura na qual ocorre a absorção de calor no trocadorde calor (evaporador). Em sistemas que retiram calor do ar ambienteexterno, a eficiência cai nos meses de inverno devido à baixatemperatura no evaporador. De uma maneira geral, estes sistemaspodem reduzir o consumo de energia utilizado em aquecimento deágua em até 70%, comparado com o chuveiro elétrico. Seu custo deaquisição é de médio a alto.

A invenção proposta neste documento tem como objetivoaumentar a eficiência energética no aquecimento de água por bombade calor, solucionar problemas de congelamento do evaporador,simplificar o equipamento reduzindo seu custo e facilitar a instalação.

A solução proposta neste documento combina o conceito,já conhecido, de bomba de calor com um sistema de recuperação deenergia. Resumidamente, neste sistema de aquecimento, a águaprovinda da rede hidráulica é aquecida indiretamente pelo fluidorefrigerante no trocador de calor de alta pressão e é fornecida para obanho do usuário. Após a utilização da água pelo usuário, esta água,ainda quente, é re-aproveitada no trocador de calor (evaporador) comofonte de calor. O evaporador é interligado ao compressor por umatubulação hermética, na qual o fluido refrigerante retorna aocompressor. O compressor comprime e bombeia o fluido para otrocador de calor de alta pressão, no qual a água alimentada pela redehidráulica é aquecida. Ao sair do trocador de calor de alta pressão, ofluido refrigerante é expandido no dispositivo de expansão. O fluidoexpandido é então direcionado ao evaporador, onde ocorre a absorçãode calor da água utilizada no banho. Entre as vantagens desta soluçãoestá a maior eficiência energética comparada aos sistemas de bombade calor tradicionais, pois a troca de calor no evaporador se faz emmaior temperatura. Além disso, o uso de água quente como fonte decalor no evaporador, ao invés do ar ambiente externo, eliminaproblemas típicos de formação de gelo. O sistema também é maissimples e barato, pois não há a necessidade de um sistema deventilação no evaporador, como nos sistemas tradicionais.

A grande novidade da invenção é a utilização da águaquente rejeitada no banho como fonte de calor para o evaporador dosistema, associando assim um sistema eficiente de transporte deenergia, no caso a bomba de calor, a um sistema de reaproveitamentode calor. Como resultado desta associação, a temperatura deevaporação do fluido refrigerante fica maior do que nos sistemastradicionais de bomba de calor, o que resulta na maior eficiência dosistema. Sucintamente, reaproveita-se o calor da água que seriarejeitada no sistema de drenagem. Além disso, com a utilização daágua rejeitada no banho com temperatura da ordem dos 30°C, não háproblemas de congelamento, o que é um problema típico dos sistemastradicionais de bomba de calor nos meses de inverno. Outro pontoimportante é o fato do sistema ficar mais compacto, podendo serinstalado todo no ambiente do banho, sem a necessidade de separarem grandes distâncias a parte quente da bomba de calor da parte friada mesma. Desta forma, o sistema fica mais fácil de ser instalado.

A seguir, o modelo objeto desta solicitação de patente deinvenção, intitulado "SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUAPOR PASSAGEM UTILIZANDO BOMBA DE CALOR COMRECUPERADOR DE ENERGIA", será detalhado, inclusive comreferências numéricas, sem contudo pretender-se a restrição quanto àsproporções e materiais que eventualmente venham a ser utilizados nasua fabricação industrial.

A figura 1 apresenta o conceito de bomba de calorassociada a um sistema de recuperação de energia, proposto nestedocumento.

De acordo com a figura 1, o "SISTEMA DEAQUECIMENTO DE ÁGUA POR PASSAGEM UTILIZANDOBOMBA DE CALOR COM RECUPERADOR DE ENERGIA"configura-se por uma unidade aquecedora de água (1), abrigando noseu interior um compressor (2) ligado a um trocador de calor (4) querecebe água da rede hidráulica (3) e direciona a água aquecida no seuinterior para a ducha (5). O dito trocador de calor (4) é ligado a umatubulação hermética (6) na qual o fluido refrigerante sai da ditaunidade aquecedora (1) e é direcionado a um dispositivo de expansão(7) no qual a pressão do fluido refrigerante é reduzida. O ditodispositivo de expansão (7) comunica-se ao evaporador recuperadorde calor (8), onde a água proveniente da ducha (5) é utilizada comofonte de calor para o sistema. O dito evaporador (8) é interligado aocompressor (2) através da tubulação hermética (9), na qual o fluidorefrigerante retorna à dita unidade aquecedora de água (1).

Na figura 1, o sistema de aquecimento de água propostonesta solicitação de patente de invenção é apresentado sendoposicionado no interior da cabine de banho, com a unidadeaquecedora de água (1) instalada na parede da cabine de banho (10) eo evaporador (8) posicionado sobre o piso da cabine de banho (11),sendo esta a posição preferencial do inventor. Porém, a unidadeaquecedora água (1) pode ser posicionada em outro lugar do imóvel,desde que interligada à rede hidráulica e ao evaporador recuperador decalor (8) que absorve calor da água proveniente da ducha (5). Damesma forma, o evaporador (8) pode ser instalado sobre o piso dacabine de banho (11) ou pode ser parte integrante do sistema dedrenagem de água.

Claims (3)

1. - "SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA PORPASSAGEM UTILIZANDO BOMBA DE CALOR COMRECUPERADOR DE ENERGIA" constituído por uma bomba decalor caracterizada por uma unidade aquecedora de água (1),contendo um compressor (2) ligado a um trocador de calor (4), querecebe água da rede hidráulica (3) e direciona a água aquecida para aducha (5), um dispositivo de expansão (7) interligado a dita unidadeaquecedora pela tubulação (6) e um evaporador recuperador deenergia (8) que retira calor da água já utilizada para banho e éinterligado a dita unidade aquecedora (1) pela tubulação (9).

2. - "SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA PORPASSAGEM UTILIZANDO BOMBA DE CALOR COMRECUPERADOR DE ENERGIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo evaporador recuperador de calor (8) serconstituído sobre o piso da cabine de banho ou como parte integrantedo sistema de drenagem de água.

3. - "SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA PORPASSAGEM UTILIZANDO BOMBA DE CALOR COMRECUPERADOR DE ENERGIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela unidade aquecedora de água (1) que pode serinstalada na parede da cabine de banho (10) ou em outro ponto doimóvel.