1. INTRODUÇÃO Desde a pré-história que o homem procura obter formas que façam com que os alimentos e outras substâncias alcancem temperaturas inferiores a do ambiente para preservação dos mesmo ou ate mesmo de refrescar o alimento. Alexandre, O Grande, segundo alguns registros serviu para os seus soldados, por volta de 300 A.C., bebidas resfriadas com neve aos seus soldados. O método mais antigo de produção de frio fazia uso de gelo natural ou uma mistura de neve e sal, durante muitos séculos a única utilização para o gelo foi de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar o seu paladar. Já a civilização egípcia, que devido o seu clima, não dispunham de gelo natural, refrescavam a água por evaporação usando vasos de barro, semelhantes a moringas, o barro sendo poroso, deixa passar um pouco da água do seu interior, a evaporação desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema. A maquina frigorífica surgiu em meados de 1856 quando um australiano chamado James Harrison, foi contratado por uma fabrica de cerveja, para produzir uma máquina que mantivesse o produto refrigerado durante o processo de fabricação do mesmo e pela indústria de carne para exportação de produtos. O australiano usando o principio da compressão de vapor criou então o primeiro projeto das então chamadas máquinas de refrigeração.
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1. INTRODUÇÃO
Desde a pré-história que o homem procura obter formas que façam com que os
alimentos e outras substâncias alcancem temperaturas inferiores a do
ambiente para preservação dos mesmo ou ate mesmo de refrescar o alimento.
Alexandre, O Grande, segundo alguns registros serviu para os seus soldados,
por volta de 300 A.C., bebidas resfriadas com neve aos seus soldados.
O método mais antigo de produção de frio fazia uso de gelo natural ou uma
mistura de neve e sal, durante muitos séculos a única utilização para o gelo foi
de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar o seu paladar. Já a civilização
egípcia, que devido o seu clima, não dispunham de gelo natural, refrescavam a
água por evaporação usando vasos de barro, semelhantes a moringas, o barro
sendo poroso, deixa passar um pouco da água do seu interior, a evaporação
desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema.
A maquina frigorífica surgiu em meados de 1856 quando um australiano
chamado James Harrison, foi contratado por uma fabrica de cerveja, para
produzir uma máquina que mantivesse o produto refrigerado durante o
processo de fabricação do mesmo e pela indústria de carne para exportação de
produtos. O australiano usando o principio da compressão de vapor criou então
o primeiro projeto das então chamadas máquinas de refrigeração.
Em 1913 apareceu o primeiro frigorífigo foi criado e foi batizado de DOMELRE
(DOMestic ELectric REfrigerator) porém esse nome não teve sucesso e foi
Kelvinator o nome que popularizou este utensílio no EUA. O primeiro modelo
fabricado por eles foi o Frigideire (fig.1).
FIGURA 1. Modelo da Kelvinator: Frigideire, a primeira geladeira elétrica do Brasil.
Fonte: Memória da Refrigeração e do Ar Condicionado no Brasil. Autora: Cristiane Di
Rienzo
Em 1947 foi construído no Brasil o primeiro aparelho frigorífico em uma
pequena oficina na cidade de Brusque em Santa Catarina por Guilherme
Holderegger e Rudolf Stutzer, de 1947 e 1950 nessa pequena oficina já tinham
construído 31 aparelhos movidos a querosene. Em 15 de julho de 1950 o então
bem sucedido comerciante de Joinville, convenceu os dois pioneiros da
fabricação dos frigoríficos a montarem uma fábrica, entrando em ação a
primeira fábrica de refrigeradores do Brasil assim chama CONSUL.
2. APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO.
A aplicação da refrigeração ser um campo bem extenso, desde um simples
bebedouro de água até a área industrial.
2.1 Refrigeração doméstica.
A refrigeração doméstica tem uma importante participação na indústria de
refrigeração, é uma limitação da capacidade dessa área industrial porém tem
um papel essencial e de grande importância para a população.
Essas unidades domésticas são geralmente pequenas com potências nominais
entre 1/20 e 1/2 CV e são hermeticamente fechadas (fig.2).
Figura 2. Refrigerador doméstico.
Fonte: Site Ponto frio Acesso em 23 de junho de 2015.
2.2. Refrigeração Comercial
A refrigeração comercial abrange projeto, instalação e manutenção de
instalações refrigeradas do tipo usado pelas lojas comerciais, restaurantes,
hotéis e locais de armazenamento, exposição, beneficiamento e distribuição de
mercadorias perecíveis de todos os tipos, (fig. 3).
Figura 3. Refrigeração comercial.
Fonte: www.artigopr.com.br
2.3. Refrigeração Industrial
Na refrigeração industrial as aplicações são bem maiores que as comercias e
normalmente requerem um operador de serviço.
Inúmeros ramos na indústria utilizam a refrigeração como as fábricas de gelo,
grandes instalações de empacotamento de gêneros alimentícios (carne, peixe,
aves, alimentos congelados, etc.), cervejarias, fábricas de laticínios e
instalações industriais, como refinarias de óleos, fábricas de produtos químicos,
fábricas de borrachas, entre muitas outras indústrias. A figura 4 representa uma
câmara fria instalada em uma indústria da área da saúde para conservação de
vacinas.
Figura 4. Câmara fria para armazenamento de produtos farmacêuticos.
Para a definição das características do sistema de refrigeração, a primeira análise a ser efetuada é o cálculo de carga térmica. Este cálculo deve ser efetuado com o máximo de precisão possível, levando em consideração todos os detalhes informados na especificação técnica.
O cálculo de carga térmica é efetuado para um período de 24 h. Entretanto, devemos considerar um período de 16 a 20 horas de operação dos equipamentos, de forma a possibilitar o degelo, as eventuais manutenções, e também possíveis sobrecargas de capacidade.
Carga térmica [kcal/h] = Carga térmica em 24 h n
n = número de horas de operação por dia (16 a 20 h)
Carga térmica de refrigeração é a quantidade de calor sensível e latente que deve ser retirada de um ambiente, de modo a serem mantidas as condições de temperatura e umidade estabelecidas para ele. Geralmente, esta carga térmica está expressa em kcal/h. Esta carga térmica pode ser introduzida no ambiente envolvendo basicamente quatro fontes de calor.
- Transmissão de calor através das paredes, piso e teto; - Infiltração de calor do ar no interior da câmara pelas aberturas de portas; - Carga representada pelo produto; - Outras fontes de calor como motores, pessoas, iluminação, empilhadeiras, etc.
4.1.1 Transmissão de calor por paredes, tetos e piso.
É importante um cuidado especial na escolha da espessura do isolamento térmico, de forma que a superfície do lado quente, não atinja um valor baixo, onde poderá ocorrer uma condensação de vapor de água.
Na escolha do material empregado como isolante térmico para a construção da câmara frigorífica, devem-se considerar vários fatores, tais como sua resistência a insetos e microorganismos, riscos de propagar fogo, poeira ou vapores indesejáveis, partículas que possam irritar a pele, retenção de odores, resistência à decomposição e resistência à absorção de água. Os isolamentos mais empregados são os de fixação de placas de isolamento em alvenaria com posterior acabamento da superfície, ou a utilização de painéis construídos de uma placa interna do isolante na espessura desejada e prensada entre placas metálicas tratadas contra corrosão. Em alguns casos, como quando uma câmara é mantida a uma temperatura relativamente alta (acima do ponto de congelamento), não é necessário isolar o piso, o acréscimo do fluxo de calor através do piso não é tão alto para exigir um ajuste mais significativo nos
equipamentos de refrigeração. Em todos os outros casos, o piso deve ser isolado de forma a evitar perdas de energia.Para câmaras de congelados, devem ser tomadas precauções para evitar o congelamento do piso.
A propriedade de um material em diminuir o fluxo de calor é indicada por sua condutividade térmica ou, de forma inversa, sua resistência térmica. A tabela 1 relaciona algumas dessas propriedades, entre as quais está a densidade, que quanto maior, maior será a resistência mecânica à compressão e maior resistência térmica.
Tabela 1.
Fonte: Neves Filho (1994).
O calor atravessa as paredes, o teto e o piso dos ambientes refrigerados, ocasionando diferença entre a temperatura da câmara e o ar externo mais quente. A quantidade de calor depende da diferença de temperatura, do tipo de isolamento, da superfície externa das paredes e do efeito de irradiação solar.
O cálculo sempre deverá ser feito levando-se em consideração todas as paredes, teto e piso, conforme abaixo:
• Paredes = 2 x ( A x B )
• Paredes = 2 x ( C x B)
• Piso + Teto = 2 x ( A x C )
Equação da Transmissão de Calor nas paredes, teto e piso:
Q= A x Fator Tabela
Onde:
CQ= Quantidade de calor transferido
A = Área da superfície externa da parede (m²)
Fator Tabela = Coeficiente total de transmissão de calor (kcal/m²24h)
Tabela 2.
Determinando o Fator Tabela
• D.T. = Diferença de temperatura através da parede
• Tipo de isolamento (Isopor, poliuretano...)
• Espessura do isolamento (mm)
4.1.2 Infiltração de ar.
É a parcela correspondente ao calor do ar que atinge a câmara através de suas aberturas. Toda vez que a porta é aberta, o ar externo penetra no interior da câmara, representando uma carga térmica adicional. Evidentemente, a determinação exata deste volume é muito difícil, sendo valores aproximados para o número de trocas por dia, em função do tipo e volume da câmara.
Em câmaras frigoríficas com movimentação intensa e com baixa temperatura, este valor aumenta tremendamente. Neste caso é fundamental a utilização de um meio redutor desta infiltração, tais como uma cortina de ar ou de PVC (em alguns casos, é recomendável a utilização das duas soluções em conjunto). A infiltração de ar em demasia acarreta um bloqueio dos evaporadores, devido a formação de gelo em seu redor, o que reduz a capacidade do sistema de refrigeração, e conseqüentemente, aumenta o consumo de energia elétrica.
Equação da Carga de infiltração (abertura de portas)
Q2 = V x N(Fator Tabela 3) x Fator Tabela 4
Onde:
Q2 = Quantidade de calor infiltrado
V = Volume da câmara (m³)
N = número de abertura de portas (Fator Tabela 3)
Fator Tabela 4 = ganho de energia por m³ de câmara, em função de temperaturas e umidade relativa interna e externa (kcal/m³)
Tabela 3.
Tabela 4.
Para evitar infiltração de ar pela entrada da câmara é necessário a instalação de uma anti-câmara, emprego de uma cortina de ar apropriada ou portas do tipo impacto, reduzindo 80% ou cortina de ar com proteção de 60% a 80%.
Funcionamento
Para o bom funcionamento de uma máquina frigorífica é necessário se basear-se em três
princípios.
1. O calor transfere-se das zonas quentes para as zonas frias (ou menos quentes).
2. A pressão é proporcional à temperatura. Ou seja, aumentando a pressão,
aumenta-se a temperatura.
3. A evaporação de um líquido retira calor. Fenômeno análogo à sensação de
frescura sentida pela evaporação de álcool sobre a pele, ou pela transpiração.
Na figura 6, apresentamos um sistema frigorífico simplificado que é refrigerado através de troca de calor de um evaporador.
O evaporador é um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na câmara, movimentado pela ação do ventilador. No evaporador ocorre a evaporação do fluido refrigerante, idealmente um processo isobárico (na realidade, com pequena variação de pressão). Ainda no interior da câmara, próximo do evaporador, está o dispositivo de expansão (a válvula termostática). Este então é um dispositivo frigorífico de expansão direta: a expansão ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da câmara estão o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse é exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compressão de vapor.
No interior de cada refrigerador existe uma serpentina oculta (evaporizador) onde circula
um gás muito frio (-37 °C). O calor dos alimentos é transferido para este gás que vai
aquecendo à medida que percorre a serpentina. Para transferir esse calor para o exterior
usa-se um compressor que ao aumentar a pressão ao gás, aumenta-lhe a temperatura.
Este gás aquecido segue para o condensador (a serpentina visível na parte traseira do
frigorífico), onde troca calor com o ar exterior, arrefecendo o gás e condensando-o. O
líquido refrigerador passa então por uma válvula de expansão ou garganta, que provoca
um abaixamento brusco na pressão e consequente evaporação instantânea e auto-
arrefecimento. Este gás frio entra no frigorífico e completa-se o ciclo termodinâmico.
Conforme descrito acima no item 2, o funcionamento está baseado no princípio dos gases
perfeitos (ou gás ideal) e na Lei de Boyle-Mariotte. Seguindo estas regras, se um gás for
comprimido (aumentando sua pressão), o mesmo irá aquecer. O efeito contrário ocorre
quando esta pressão diminui, isto é, o gás sofre uma queda de temperatura. A finalidade
do compressor é basicamente esta, comprimir o gás para aquecê-lo e empurrá-lo para a
serpentina onde ocorre a troca de calor. Quando chega à placa evaporadora, onde está a
válvula de expansão, ocorre uma queda brusca da pressão, acompanhada também de
uma queda na temperatura.
Alguns frigoríficos não utilizam energia elétrica mas energia térmica, queimando
querosene, diesel ou qualquer forma de geração de calor. Essas máquinas são
extremamente silenciosas pois nao tem partes móveis além dos líquidos e gases que
passam em seu interior. Muito comumente são utilizados em áreas onde energia elétrica
não é facilmente disponível como trailers e regiões rurais ou em situações onde o barulho
do compressor pudesse incomodar, como quartos de hospital ou hotéis de luxo. O ciclo
termodinâmico nesses casos é chamado de Refrigeração por absorção. Essas máquinas
são relativamente sensíveis à inclinação.
O princípio de funcionamento deste tipo de aparelho está relacionado à Lei de Dalton.
Segundo a lei de Dalton, a pressão de uma mistura de gases e/ou vapores que não
reagem quimicamente entre si é igual à soma das pressões parciais de cada, ou seja, das
pressões que cada um teria se ocupasse isoladamente o mesmo volume, na mesma
temperatura.
O ciclo por absorção usa amônia como gás refrigerante e hidrogênio e água como
substâncias auxiliares. A pressão total é teoricamente a mesma em todos os pontos do
circuito. O que muda são as pressões parciais. Em um trecho, a pressão parcial da amônia
é menor que a do hidrogênio e o contrário em outro trecho. Assim, ambos os gases
circulam pelo sistema. Tal diferença de pressões parciais é produzida pela água, que tem
grande afinidade pela amônia e quase nenhuma pelo hidrogênio.
Em funcionamento, o vaporizador recebe solução concentrada de amônia em água. O
vaporizador é aquecido por meio de uma chama alimentada por GLP ou querosene. Este
aquecimento vaporiza a solução e a amônia, por ser mais volátil, é separada da água no
separador. Assim, a água que sai do mesmo é uma solução diluída de amônia em água. O
vapor de amônia é liquefeito no condensador e, ao sair, se mistura com hidrogênio.
Portanto, a pressão da amônia diminui devido à presença de outro gás na mistura. A
mistura de amônia e hidrogênio passa pelo evaporador, produzindo o resfriamento. Em
seguida, se encontra com a água quase pura do separador e ambas passam pela
serpentina do absorvedor.
Conforme já dito, a água tem elevada afinidade com a amônia e quase não tem com o
hidrogênio. Assim, na saída do absorvedor, a amônia está dissolvida na água e o
hidrogênio está livre, retornando ao evaporador. A solução concentrada de amônia em
água retorna ao vaporizador, reiniciando o ciclo.
A existência de sifões nas saídas do condensador e do separador servem para impedir a
passagem do hidrogênio. Portanto, no lado do condensador/separador, a pressão total é
praticamente a pressão parcial da amônia. A diferença de pressões parciais entre as
partes mantém o fluxo do ciclo enquanto houver aquecimento. A eficiência destes sifões, e
o perfeito funcionamento deste tipo de equipamento está diretamente relacionada a um