Como fazer uma bomba de calor ar-água: esquemas do dispositivo e montagem caseira

Devido ao aumento regular do custo dos fluidos térmicos, métodos alternativos de aquecimento estão se tornando populares. Por exemplo, a prática bomba de calor ar-água, que utiliza a energia do ar para aquecimento. A instalação não requer materiais caros, é fácil de usar e segura.

Devido ao alto preço da montagem de fábrica do equipamento, muitos se interessam pela construção independente deste sistema. Contaremos o que o artesão doméstico precisará para construir uma bomba de calor caseira. Aqui você aprenderá quais recursos técnicos são necessários.

Características do sistema térmico ar-água

A bomba de calor, à qual este artigo é dedicado, em contraste com outras modificações de dispositivos semelhantes (em particular, água-água e solo-água), possui várias vantagens:

• economiza eletricidade;
• para a instalação não serão necessárias grandes obras de terra, perfuração de poços, obtenção de autorizações especiais;
• se o sistema for conectado a painéis solares, é possível garantir sua total autonomia.

Uma vantagem significativa do sistema térmico, que extrai energia do vento e a transfere para a água, reside na segurança ecológica de cem por cento.

Antes de começar a construir a bomba, é necessário descobrir em quais casos o sistema se mostra mais eficaz e quando seu uso não é adequado.

O sistema de bomba de calor, que extrai energia da massa de ar, pode ser usado para aquecer todos os tipos de fluidos térmicos utilizados no território da CEI: água, ar, vapor

Especificações de uso e funcionamento

A bomba de calor funciona produtivamente apenas na faixa de temperatura de -5 a +7 graus. A uma temperatura do ar de +7, o sistema produzirá mais calor do que o necessário, e a um valor abaixo de -5, não será suficiente para aquecimento. Isso se deve ao fato de que o freon concentrado presente na estrutura ferve a -55 graus.

Teoricamente, o sistema pode gerar calor mesmo em geada de -30 graus, mas não será suficiente para aquecimento, pois a capacidade térmica depende diretamente da diferença entre a temperatura de ebulição do refrigerante e a temperatura do ar.

Portanto, para residentes das regiões do Norte, onde o frio chega mais cedo, este sistema não é adequado, já em casas nas regiões do Sul, ele poderá funcionar eficientemente durante vários meses frios.

Se no ambiente estiverem instaladas baterias padrão, a bomba de calor funcionará com menos eficiência. O dispositivo ar-água combina melhor com convectores e outros radiadores de grande área, bem como com sistemas de 'piso aquecido', 'paredes aquecidas' do tipo água.

Além disso, o próprio ambiente deve ser bem isolado externamente, possuir janelas embutidas com múltiplas câmaras, que proporcionam melhor isolamento térmico do que as janelas comuns de madeira ou plástico.

A bomba de calor interage melhor com o sistema de 'piso aquecido' a água, que não requer aquecimento do fluido acima de 40 – 45 °C.

Uma bomba de calor caseira bomba de calor pode aquecer eficientemente casas de até 100 m² e garantir uma potência de 5 kW. Deve-se entender que não é possível carregar o freon com qualidade suficiente em uma construção caseira, portanto deve-se contar com sua temperatura de ebulição até -22 graus.

O dispositivo de montagem caseira é ideal para fornecer calor a garagens, estufas, dependências, pequenas piscinas particulares, etc. O sistema geralmente é usado como aquecimento adicional.

Caldeira elétrica ou outro equipamento tradicional para a estação de aquecimento será necessário de qualquer forma. Durante geadas severas (-15 a -30 graus), recomenda-se desligar a bomba de calor para evitar desperdício de energia elétrica, pois neste período sua eficiência não passa de 10%.

As bombas de calor fornecem energia suficiente para aquecer a água em piscinas privadas cobertas (+)

Princípio de funcionamento do sistema

A substância de trabalho no projeto é o ar. Através da unidade externa, instalada do lado de fora, o oxigênio entra pelo tubo no evaporador, onde interage com o refrigerante.

O freon torna-se gasoso sob a ação da temperatura (pois ferve a -55 graus) e, aquecido e sob pressão, entra no compressor. O dispositivo comprime o gás, aumentando assim sua temperatura.

O freon quente entra no circuito do tanque de armazenamento (condensador), onde o calor é transferido para a água, que posteriormente pode ser usada para aquecimento e ACS. No condensador, o freon perde apenas parte de seu calor e ainda está no estado gasoso.

Ao passar pela válvula de expansão, o refrigerante é pulverizado, resultando na diminuição de sua temperatura. O freon torna-se líquido e, nesse estado, passa para o evaporador. O ciclo se repete.

Na figura, mostra-se esquematicamente a implementação do princípio de uma bomba de calor elementar, dividida pelo compressor e pelo expansor em dois circuitos – de alta e baixa pressão.

Para aqueles que desejam construir por conta própria uma bomba de calor a partir de materiais descartados e equipamentos usados, por exemplo, de uma geladeira velha, as informações fornecidas no artigo que recomendamos serão úteis.

Construção da bomba de calor ar-água

O sistema de bomba de calor consiste em quatro elementos principais:

• unidade externa;
• tanque do trocador de calor-evaporador;
• bloco do compressor;
• tanque de armazenamento (condensador).

Vamos considerar as características de construção de cada um dos blocos.

Montagem da unidade externa

Para criar a unidade externa, você precisará de:

• Estrutura. Tradicionalmente, utiliza-se o bloco de um sistema split, máquina de lavar ou outro equipamento de grande porte; às vezes é construído por conta própria através da soldagem de elementos metálicos. É importante, após a montagem, tratar o metal com tinta anticorrosiva do tipo pó.
• Ventilador. O componente pode ser retirado de um sistema de ar condicionado antigo que ainda funciona ou comprado separadamente.

O modelo do ventilador deve ter pás largas de plástico e, de preferência, com motor destacável para que seja possível conectá-lo a um sensor.

Para a montagem da unidade externa, serão necessários um invólucro e um ventilador retirados de um sistema de ar condicionado. As dimensões aproximadas da unidade são 75x85x30 cm

Na unidade externa, é possível instalar o evaporador e os elementos auxiliares para o seu funcionamento, mas é mais adequado colocar essas peças em um invólucro separado.

Instala-se a unidade externa a uma distância de 2 a 10 m da casa. É importante construir uma fundação sob ela e colocar uma cobertura para proteger a estrutura das intempéries. Também é necessário fixar uma grade na frente do ventilador para evitar que sujeira, detritos e folhas entrem nas pás do ventilador e nos tubos.

Adicionalmente, é desejável instalar aquecedores que protejam as laterais e os painéis contra o congelamento. Nesse caso, não será necessário aquecimento adicional do invólucro. O local para instalação da unidade deve ser bem ventilado e estar afastado de fontes de chama aberta.

Unidade com trocador de calor-evaporador

O evaporador pode ser adquirido pronto, utilizando os serviços de fornecedores online, ou criado por conta própria. Para isso, serão necessários um tanque de 80 litros e um fio de cobre com diâmetro de 10 mm e espessura de pelo menos 1 mm.

O comprimento é calculado individualmente, considerando a potência necessária. Para um dispositivo de 5 kW, pode-se utilizar 10 m. No evaporador, ocorrerá o aquecimento e a circulação do freon, bem como o contato com o ar.

Para criar o trocador de calor, é necessário construir uma serpentina. Para isso, o fio é enrolado em torno de um tubo de parede grossa com diâmetro não superior à largura do tanque. É importante deixar as extremidades que se projetam para fora da altura do invólucro. Elas serão necessárias para conectar a serpentina a outros elementos do sistema – o compressor e o tanque de armazenamento.

Para criar a serpentina, um tubo de cobre com paredes de cerca de 1 mm é enrolado em torno de um cilindro de gás, tubo ou garrafa plástica cheia de água.

No invólucro, são cortados 2 conectores para a conexão das tubulações, e são criadas duas saídas para o fio. As conexões são vedadas. A estrutura pronta é fixada com suportes em forma de L.

Recomenda-se instalar adicionalmente no evaporador um relé de degelo, pois no tanque ocorrerá circulação de ar com temperatura negativa. Nesse caso, o condensado que se acumula no sistema pode levar ao congelamento do evaporador. Além disso, para evitar a formação de umidade, pode-se incorporar um filtro secador ao sistema.

Regras de instalação do compressor

Para a instalação do compressor, será necessário um invólucro separado com isolamento acústico e antivibração, pois praticamente todas as modificações do dispositivo fazem barulho durante o funcionamento. O compressor pode ser usado, retirado de uma geladeira ou ar condicionado, ou adquirido um modelo novo.

Para bombas de calor, os seguintes tipos de compressores são adequados:

1. Compressores rotativos são os mais baratos, mas apresentam uma série de desvantagens – fazem barulho, têm baixa eficiência e duram de 8 a 10 anos.
2. Espirais Os modelos espirais são instalados em todos os modelos modernos de condicionadores de ar e geladeiras. São duráveis (15-20 anos), silenciosos, eficientes, mas possuem alto custo.
3. Pistão Os modelos de pistão são instalados principalmente em refrigeradores industriais. Os produtos têm boa eficiência, são duráveis (15-20 anos), mas extremamente barulhentos e caros.

Para a bomba de calor, é necessário selecionar um compressor monofásico. Antes de comprar, é importante saber com qual tipo de freon o dispositivo funciona. O ideal é adquirir um modelo que funcione com R22, de preferência R422. Trabalhar com este tipo de refrigerante é mais fácil do que com qualquer outro tipo de freon.

O compressor é conectado por tubos ao bloco do evaporador e ao condensador. Graças ao dispositivo, o freon aumenta sua temperatura.

Construção do tanque de armazenamento (condensador)

Para fabricar o condensador, será necessário um corpo de um boiler de 100 litros ou qualquer outro tanque de aço inoxidável do mesmo volume. Também é necessária uma serpentina feita de tubo de cobre. Para uma bomba de 5 kW, pode-se usar um fio de 12 metros. Pelo tubo da serpentina passará o freon quente, aquecendo a água.

Passo nº1: Criação da serpentina

Para fabricar a serpentina, será necessário um fio de cobre com diâmetro de pelo menos 26 mm e espessura de parede a partir de 1 mm. Ele deve ser enrolado em um tubo com seção transversal menor que a do tanque.

A altura da espiral deve coincidir com a altura do corpo. É importante deixar as saídas do tubo para fora do recipiente para poder conectar a serpentina ao evaporador e ao compressor.

Passo nº2: Preparação do corpo

Para instalar a serpentina, o tanque precisa ser cortado. Na parte superior e inferior, será necessário criar aberturas para as saídas do fio de cobre, além de cortar compartimentos adicionais para instalar 2 conexões, uma para a saída de água e outra para a entrada. Após esses procedimentos, o tanque deve ser selado.

O trocador de calor-compressor pode ser adquirido separadamente como uma construção pronta. Com o dispositivo de montagem de fábrica, é possível aumentar a potência e a eficiência da instalação.

O refrigerante R22, de acordo com o Protocolo de Montreal, está programado para ser retirado de circulação até 2030. Para encher o sistema, é melhor usar seu substituto – o refrigerante R422

Conexão da unidade externa com o evaporador

Para conectar a unidade externa ao evaporador, serão necessários 2 tubos de polietileno PEAD 32. Por um tubo o ar passará, pelo outro sairá.

Os tubos podem ser enterrados no solo, após adicionar qualquer material arenoso na vala, ou deixados na superfície, se a unidade externa estiver localizada perto de casa.

Conexão do evaporador, compressor e tanque

Freon circula neste sistema. Para conectar as serpentinas com o compressor e a válvula de expansão, é necessário consultar especialistas em refrigeração. Para uma pessoa sem experiência em trabalhos de soldagem, mesmo com ferramentas e materiais, será difícil conectar adequadamente todos os elementos em um único sistema para garantir o funcionamento da estrutura.

Além disso, serão necessários muitos materiais adicionais – tubos de diferentes diâmetros, várias modificações de torneiras de drenagem, válvulas de purga de ar, válvulas de segurança, além de clipes para tubos, braçadeiras, cortadores de tubos para cortar seções do duto.

Também serão necessários outros dispositivos especializados, que estão disponíveis em qualquer oficina de reparação de refrigeradores e condicionadores de ar.

A carga de freon de qualidade também é realizada com o uso de equipamento especial. Portanto, para unir os trocadores de calor, o compressor e a válvula de expansão em um sistema funcional, é mais conveniente e vantajoso recorrer a profissionais.

Implementação dos sistemas de controle da instalação

Para monitorar a pressão e a temperatura do freon, pode-se usar uma placa com display de qualquer condicionador de ar. Durante os trabalhos de soldagem com a ajuda de especialistas, a estrutura pode ser adequadamente integrada à instalação.

Também é possível conectar um dispositivo especial – um sensor de rotação do ventilador. Ele regula a velocidade de rotação das pás e também automatiza as rotações da bomba de circulação de freon.

Adicionalmente, pode-se instalar um temporizador, partida elétrica, um dispositivo que protege o compressor contra superaquecimento. Todas essas peças podem ser adquiridas em oficinas de reparo ou no mercado de peças.

Cálculo da potência da bomba de calor ar-água

Para aquecer um ambiente com área a partir de 100 m², será necessária uma bomba de calor de maior potência. A potência necessária da instalação pode ser calculada aproximadamente usando a tabela:

Os dados da tabela ajudarão a calcular a área da serpentina para criar uma instalação de uma determinada potência

Para determinar qual potência o compressor deve ter, quais diâmetros de tubos devem ser usados e outros dados importantes ao projetar uma bomba de calor ar-água, é necessário recorrer a um dos métodos:

• Usar calculadoras online disponíveis nos sites dos fabricantes de trocadores de calor.
• Aplicar o software CoolPack 1,46, Copeland.
• Convidar um especialista que realizará as medições e cálculos necessários.

A área da serpentina do condensador (ASC) pode ser calculada pela fórmula:

ASC = M/0,8DT,

onde M é a potência da instalação em kW; 0,8 é o coeficiente de condutividade térmica no contato entre água e cobre; DT é a diferença de temperatura entre o ar de entrada e saída no sistema.

Os parâmetros da bomba de calor apresentados acima são adequados para ambientes de até 100 m². A potência da instalação – 5 kW. Se forem adquiridos trocadores de calor especiais, é possível aumentar a potência da instalação para 10-15 kW.

A figura mostra um sistema no qual os trocadores de calor, o compressor e a válvula de expansão estão integrados em um único tanque. Na construção, são utilizados trocadores de calor de fábrica (+).

Manutenção da instalação caseira

Para um funcionamento de qualidade, a bomba de calor necessita de manutenção adicional. Se o dispositivo for utilizado no inverno (considerando que não há aquecimento adicional instalado no corpo), o bloco precisará ser descongelado periodicamente, pois uma crosta de gelo se formará em sua superfície.

Também é necessário periodicamente:

• Limpar as pás do ventilador de detritos – folhas, poeira, sujeira, neve, etc.
• Lubrificar o compressor de acordo com as instruções do fabricante.
• Trocar o óleo do compressor e do ventilador.

Além disso, para o funcionamento normal do sistema, é necessário verificar regularmente a integridade da tubulação de cobre, do cabo de alimentação que alimenta o compressor, o ventilador e outros dispositivos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O vídeo a seguir apresenta o princípio de funcionamento e a estrutura de uma bomba de calor que utiliza energia eólica:

A bomba de calor caseira do sistema ar-água é um dos dispositivos eficientes e de baixo custo para aquecimento adicional da residência. Qualquer pessoa interessada pode fabricar e instalar este sistema.

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