As bombas de calor usam energia ambiental para nos fornecer calor. Contudo, geralmente requerem refrigerantes sintéticos, que contêm gases fluorados com efeito de estufa (gases F) prejudiciais ao meio ambiente. Os pesquisadores Fraunhofer agora contribuíram para o desenvolvimento de uma bomba de calor que usa propano. A bomba é mais amiga do clima e mais eficiente.

"O aquecimento e a água quente representam cerca de 40 por cento do consumo final de energia da Alemanha. A queima de combustíveis fósseis de alta qualidade, como gás natural ou petróleo bruto, não só faz pouco sentido energeticamente, também prejudica o clima. Cada unidade de energia elétrica necessária para operar uma bomba de calor, derivado frequentemente de recursos renováveis, gera de três a cinco unidades de CO ₂ -energia de calor neutra. Isso torna as bombas de calor um elemento importante na implementação da transição da Alemanha para um sistema de energia sustentável, "diz o Dr. Marek Miara, que coordena o trabalho com bombas de calor no Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE em Freiburg.

Uma bomba de calor funciona de maneira semelhante a uma geladeira. O refrigerante absorve o calor dentro da geladeira e o transporta para fora. A diferença é que o calor deixado escapar livremente da parte de trás de uma geladeira é o que uma bomba de calor extrai - neste caso, do solo, lençóis freáticos, ou ar ambiente - para aquecer nossas casas ou água.

Para alcançar isto, o aquecido, refrigerante vaporizado é comprimido, o que aumenta sua temperatura e pressão. O gás refrigerante quente libera seu calor na água e se condensa. A água quente flui para os sistemas de piso radiante, radiadores ou tanques de armazenamento de água quente, enquanto o refrigerante líquido, agora legal, flui de volta para o chamado evaporador, onde mais uma vez absorve energia térmica. O ciclo então começa novamente desde o início.

Em geral, refrigerantes são compostos de uma mistura de substâncias sintéticas contendo prejudiciais ao meio ambiente, gases fluorados com efeito de estufa (gases F). Em junho de 2014, a Comissão Europeia anunciou que os gases fluorados serão eliminados do mercado. Um amigo do ambiente, alternativa natural para refrigerantes sintéticos é o propano, que já está ganhando popularidade em sistemas de ar condicionado e refrigeração. Mas seu uso em bombas de calor ainda é relativamente novo.

Porque embora o propano tenha excelentes propriedades termodinâmicas, é altamente inflamável, e isso representa um desafio quando usado em um ciclo de calor.

"Se você quiser usar propano, você tem que manter o volume de refrigerante o mais baixo possível para minimizar os riscos envolvidos, "diz a Dra. Lena Schnabel, que chefia o departamento de tecnologias de aquecimento e refrigeração no Fraunhofer ISE.

Uma estrutura biônica garante uma distribuição uniforme

A solução dos pesquisadores do ISE, junto com seus parceiros de pesquisa europeus, é empregar altamente compacto, brasado, trocadores de calor com aletas que funcionam bem com pequenos volumes de líquido. A energia térmica é transferida de uma substância fluente para outra por meio de trocadores de calor. Estes são compostos de vários canais paralelos contendo o refrigerante circulante, que absorvem calor (conhecidos como "vaporizadores") ou o irradiam ("condensadores"). "O líquido deve vaporizar completamente ou recondensar ao longo do percurso. Para garantir que funcionem com eficiência, a relação vapor-líquido deve ser idêntica em todos os canais. Geralmente, isso não é fácil de conseguir, e torna-se especialmente complicado se você também estiver tentando limitar o volume do refrigerante. "

Para resolver o problema, Schnabel e sua equipe desenvolveram um distribuidor com uma estrutura biônica:"Os distribuidores Venturi convencionais parecem uma pilha de espaguete feita de muitos tubos finos que se fundem onde encontram o vaporizador. Nosso distribuidor é diferente:tem uma estrutura continuamente ramificada como os ramos e galhos de uma árvore, que garantem a distribuição uniforme do refrigerante nos canais individuais do evaporador, mesmo com um pequeno volume de refrigerante. "Esta estrutura permite o uso ideal de toda a superfície do trocador de calor, o que melhora a eficiência.

Para reduzir o risco de explosão ao comprimir o propano, Schnabel e sua equipe usaram um compressor especializado no qual todas as fontes de ignição eram encapsuladas. Eles tomaram muito cuidado ao conectar os componentes individuais da bomba para evitar que o propano escapasse. "No momento, estamos modificando o projeto técnico da bomba de calor, testando o comportamento de longo prazo de seus componentes, e desenvolver estratégias de segurança sustentáveis, "diz Schnabel.