Como as bombas de calor com fonte de ar lidam com ambientes de temperatura ultrabaixa?

As bombas de calor de fonte de ar ganharam força no mercado por sua eficiência e benefícios ambientais. No entanto, o desempenho pode variar significativamente com base em vários fatores. Em climas mais frios, a eficiência destas bombas diminui e a formação de gelo durante o aquecimento pode afetar gravemente a eficiência e a fiabilidade. Para combater estes desafios, foram feitos avanços na tecnologia e no design, melhorando a funcionalidade e a aplicação das bombas de calor de fonte de ar em vários ambientes.

Avanços na tecnologia de compressão multiestágio

A tecnologia de compressão de frequência variável é um dos métodos eficazes para melhorar a capacidade de aquecimento das bombas de calor de fonte de ar. Em condições de baixa temperatura, o aumento da velocidade do compressor pode aumentar significativamente o seu volume de exaustão, melhorando assim a capacidade de aquecimento da bomba de calor da fonte de ar. No entanto, a tecnologia de frequência variável não melhora a eficiência energética do sistema. Para melhorar simultaneamente a capacidade de aquecimento e a eficiência energética em baixas temperaturas, foi desenvolvida uma tecnologia de compressão multiestágio.

Dependendo do número de estágios de compressão e da estrutura do ciclo, as bombas de calor de fonte de ar de compressão multiestágio podem ser divididas em ciclos em cascata e compressão dupla/multiestágio, etc. o refrigerante pode ser injetado diretamente na câmara de compressão durante o processo de compressão, conhecido como compressão de quase dois estágios. Como os ciclos de compressão de quase dois estágios têm características de compressão de dois estágios, este artigo os incluirá no escopo dos ciclos de compressão de dois estágios para discussão.

Bombas de calor de fonte de ar em cascata

Devido à baixa temperatura ambiente, a relação de pressão do sistema é alta, o trabalho de compressão é grande e a perda de estrangulamento é significativa, levando em última análise a uma baixa eficiência energética da bomba de calor. Para reduzir perdas e melhorar a eficiência, os sistemas de bomba de calor com fonte de ar em cascata utilizam dois ciclos de compressão de vapor em série para substituir um único ciclo, para reduzir a taxa de compressão do ciclo de estágio único.

Conforme mostrado na figura, o sistema em cascata consiste em dois ciclos independentes de compressão de vapor, um é um ciclo de estágio de baixa temperatura e o outro é um ciclo de estágio de alta temperatura. Esses dois ciclos são conectados através de um trocador de calor intermediário comum, que também serve como condensador para o ciclo de baixa temperatura e evaporador para o ciclo de alta temperatura. No inverno, o ciclo de baixa temperatura absorve o calor do ar ambiente através do evaporador e eleva o calor a uma temperatura mais elevada para servir como fonte de calor para o ciclo de alta temperatura; no ciclo de alta temperatura, o calor é ainda mais elevado até a temperatura necessária para o aquecimento interno.

Ao utilizar uma bomba de calor de fonte de ar em cascata, a taxa de compressão do ciclo é significativamente reduzida, reduzindo a perda geral de compressão e a perda de estrangulamento, melhorando assim a eficiência energética da bomba de calor de fonte de ar. Além disso, dependendo das diferentes condições de trabalho, os estágios de alta e baixa temperatura do ciclo em cascata podem utilizar diferentes refrigerantes. Como o sistema em cascata pode ser implementado utilizando dois sistemas simples de estágio único, ele tem sido utilizado há muitos anos em aplicações de aquecimento e abastecimento de água quente. No entanto, a diferença de temperatura na troca de calor do trocador de calor intermediário no ciclo em cascata leva inevitavelmente a certas perdas de eficiência; além disso, o ciclo em cascata requer dois compressores e um trocador de calor adicional, o que o torna mais caro em comparação aos ciclos de estágio único.

Vantagens das bombas de calor de fonte de ar de compressão de estágio duplo

Uma bomba de calor com fonte de ar de compressão de dois estágios conecta dois ciclos de refrigeração e pode ser vista como uma forma simplificada do sistema em cascata. Conforme mostrado na figura, com base nos diferentes economizadores utilizados, as bombas de calor de fonte de ar de compressão de dois estágios podem ser divididas em dois tipos: sistemas Flash Tank (FT) e sistemas Intermediate Heat Exchanger (IHX).

Para o sistema de tanque de vaporização, o refrigerante líquido que sai do condensador interno é estrangulado em duas fases e depois entra no tanque de vaporização, onde o refrigerante bifásico é separado em vapor saturado e líquido saturado; o refrigerante de vapor saturado é misturado com a exaustão do refrigerante do compressor do estágio de baixa pressão e depois comprimido novamente pelo compressor do estágio de alta pressão, o líquido saturado é estrangulado pela segunda válvula de expansão e entra no evaporador externo para evaporar em gás e então entra no compressor do estágio de baixa pressão, depois mistura com o gás de média pressão do tanque flash.

Para o sistema trocador de calor intermediário, o refrigerante líquido da saída do condensador é diretamente dividido em dois caminhos: fluxo principal e fluxo secundário. O refrigerante de fluxo de ramal é estrangulado para pressão intermediária e entra no trocador de calor intermediário, onde o refrigerante de baixa temperatura resfria o refrigerante de fluxo principal para um estado sub-resfriado, o refrigerante de fluxo de ramal absorve calor e se torna vapor saturado ou estado superaquecido e se mistura com o escapamento do compressor do estágio de baixa pressão e, em seguida, entra no compressor do estágio de alta pressão para compressão adicional. O refrigerante sub-resfriado da saída da corrente principal do trocador de calor intermediário é estrangulado através do evaporador e finalmente retorna ao compressor do estágio de baixa pressão, comprimido até a pressão intermediária e se mistura com o refrigerante de fluxo secundário.

Compressão de estágio quase duplo para versatilidade

Conforme mostrado na figura, as bombas de calor de fonte de ar de compressão de estágio quase duplo (também conhecidas como sistemas de reposição) são muito semelhantes aos sistemas de compressão de estágio duplo. A diferença é que na compressão de estágio quase duplo, o refrigerante do tanque de vaporização ou do trocador de calor intermediário é injetado na câmara de compressão do compressor, em vez de entre dois compressores em série.

Portanto, as bombas de calor de estágio quase duplo podem ser consideradas uma forma simplificada de bombas de calor de estágio duplo, usando compressores de reposição especialmente projetados para substituir dois compressores, evitando assim o problema de equalização de óleo entre dois compressores e reduzindo os custos do sistema. Mais importante ainda, ao fechar a válvula no ramal de reposição, os sistemas de estágio quase duplo podem alternar com flexibilidade para o modo de ciclo de estágio único, otimizando assim o desempenho das bombas de calor de estágio quase duplo no inverno e no verão. Por esta razão, a tecnologia de compressão de estágio quase duplo tem sido amplamente aplicada em bombas de calor de baixa temperatura nos últimos anos.

Substituição de refrigerante

A mudança em direção a refrigerantes eficientes e ecologicamente corretos é fundamental no avanço das bombas de calor de fonte de ar. Refrigerantes tradicionais como R22 e R410A estão sendo substituídos por alternativas como R290, R32, R744 e R161, entre outros. Cada um desses refrigerantes tem suas vantagens e considerações, especialmente no que diz respeito ao impacto ambiental, eficiência e padrões de segurança. À medida que a tecnologia avança, a adopção destas alternativas, juntamente com designs de sistemas avançados, continuará a melhorar o desempenho e a aplicabilidade das bombas de calor de fonte de ar.

Através de inovação e pesquisa contínuas, as bombas de calor aerotérmicas estão se tornando mais robustas, eficientes e adequadas para uma ampla gama de climas e aplicações. A integração de tecnologias avançadas de compressão e a mudança para refrigerantes ambientalmente benignos são fundamentais para esta evolução, abrindo caminho para soluções de aquecimento sustentáveis ​​e eficientes.

Conclusão

As bombas de calor aerotérmicas estão na vanguarda da tecnologia de aquecimento e resfriamento, oferecendo uma alternativa sustentável e eficiente aos sistemas tradicionais. Através da adoção de tecnologias de compressão multiestágio e refrigerantes ecológicos, esses sistemas estão em constante evolução para fornecer melhor desempenho, adaptabilidade e impacto ambiental reduzido. Com investigação e inovação contínuas, as bombas de calor aerotérmicas deverão tornar-se uma opção ainda mais atractiva para uma vasta gama de aplicações residenciais e comerciais, impulsionando o futuro do aquecimento e arrefecimento sustentáveis.