Na Suíça, 50 a 60 por cento das novas casas estão equipadas com bombas de calor. Esses sistemas extraem energia térmica do ambiente circundante, como do solo, ar, ou um lago ou rio próximo - e transforme-o em calor para edifícios.

Embora as bombas de calor de hoje geralmente funcionem bem e sejam ecologicamente corretas, eles ainda têm muito espaço para melhorias. Por exemplo, usando microturbocompressores em vez de sistemas de compressão convencionais, os engenheiros podem reduzir a necessidade de energia das bombas de calor em 20 a 25 por cento (veja o quadro), bem como seu impacto no meio ambiente. Isso porque os turbocompressores são mais eficientes e dez vezes menores do que os dispositivos de pistão. Mas incorporar esses minicomponentes nos designs das bombas de calor não é fácil; complicações surgem de seus pequenos diâmetros ( <20 mm) e velocidades de rotação rápidas (maiores que 200, 000 rpm).

No Laboratório de Projeto Mecânico Aplicado da EPFL no campus da Microcity, uma equipe de pesquisadores liderada por Jürg Schiffmann desenvolveu um método que torna mais fácil e rápido adicionar turbocompressores às bombas de calor. Usando um processo de aprendizado de máquina chamado regressão simbólica, os pesquisadores criaram equações simples para calcular rapidamente as dimensões ideais de um turbocompressor para uma determinada bomba de calor. Sua pesquisa acaba de ganhar o prêmio de melhor papel na Conferência Turbo Expo 2019, realizada pela American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 vezes mais rápido

O método dos pesquisadores simplifica drasticamente a primeira etapa no projeto dos turbocompressores. Esta etapa - que envolve o cálculo aproximado do tamanho ideal e da velocidade de rotação para a bomba de calor desejada - é extremamente importante porque uma boa estimativa inicial pode encurtar consideravelmente o tempo geral do projeto. Até agora, os engenheiros têm usado gráficos de projeto para dimensionar seus turbocompressores - mas esses gráficos se tornam cada vez mais imprecisos quanto menor o equipamento. E os gráficos não estão atualizados com a tecnologia mais recente.

É por isso que dois Ph.D. da EPFL os alunos - Violette Mounier e Cyril Picard - trabalharam no desenvolvimento de uma alternativa. Eles alimentaram os resultados de 500, 000 simulações em algoritmos de aprendizado de máquina e equações geradas que replicam os gráficos, mas com várias vantagens:são confiáveis ​​mesmo em pequenos tamanhos de turbocompressores; eles são tão detalhados quanto simulações mais complicadas; e eles são 1, 500 vezes mais rápido. O método dos pesquisadores também permite que os engenheiros ignorem algumas das etapas dos processos convencionais de projeto. Ele abre o caminho para uma implementação mais fácil e um uso mais difundido de microturbocompressores em bombas de calor.

Os benefícios dos microturbocompressores

As bombas de calor convencionais usam pistões para comprimir um fluido, chamado de refrigerante, e conduzir um ciclo de compressão de vapor. Os pistões precisam ser bem lubrificados para funcionar corretamente, mas o óleo pode grudar nas paredes do trocador de calor e prejudicar o processo de transferência de calor. Contudo, microturbocompressores - que têm diâmetros de apenas algumas dezenas de milímetros - podem funcionar sem óleo; eles giram em mancais de gás a velocidades de centenas de milhares de rpm. O movimento de rotação e as camadas de gás entre os componentes significam que quase não há atrito. Como resultado, esses sistemas em miniatura podem aumentar os coeficientes de transferência de calor das bombas de calor em 20 a 30 por cento.

Esta tecnologia de microturbocompressor está em desenvolvimento há vários anos e agora está madura. “Já fomos contactados por várias empresas interessadas em utilizar o nosso método, "diz Schiffmann. Graças ao trabalho dos pesquisadores, as empresas terão mais facilidade em incorporar a tecnologia do microturbocompressor em suas bombas de calor.