Cilos De Refrigeraçao

Controle Térmico de Ambientes

(Fernando França, DE – FEM Unicamp, [e-mail])

Criogenia:

Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogênica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão. E começou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A partir dessa época, então, tem início a atividade comercial de conservação de alimentos em grande escala. Não havia, sequer, os grandes entrepostos frigoríficos, mas sim as fábricas de gelo. Nos setores comercial e residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservação dos alimentos em pequena escala.

Os gases refrigerantes usados neste início da história da refrigeração eram a amônia, o dióxido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigeração era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamável e tóxico! Além do que, necessitavam de pressão elevada para atingir capacidade criogênica necessária à fabricação econômica de gelo. Os compressores frigoríficos de então, dada a limitação tecnológica da época, eram tidos como máquinas perigosas, sujeitas a explosão. (Imagine se o compressor frigorífico do ar-condicionado do seu carro estivesse sujeito a explodir! Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)

 

Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante 12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 é um cloro-flúor-carbono (CFC) que tem a característica de ser endotérmico quando expande ou quando vaporiza. O Freon não é inflamável, não é explosivo, não é tóxico e não corroi metais. A pressão necessária para que suas propriedades criogênicas ocorram com transferência apreciável de calor para ser aplicada praticamente, era bem inferior à requerida pelos gases refrigerantes conhecidos até então. Enfim, um “gás ideal”, “maravilhoso”. Isto é, até descobrirem que o Freon destrói o ozônio da atmosfera, tão importante para barrar o excesso de radiação solar ultra-violeta na superfície da Terra:

O3 + UV = O2 + O

O excesso de radiação UV deteriora a visão dos seres, altera a fotossíntese de vários cultivares, como a soja, o feijão, de hortaliças, como o repolho, além de intensificar o desenvolvimento de câncer de pele nos seres humanos.

E o Freon, nessas alturas, já era usado para outros fins:

Freon 11 (CFC-11) >> produção de espumas de poliestireno

Freon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigeração

Freon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrônico

Solução:

Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono – HCFC – e o isobutano, por exemplo.

Banimento dos CFCs:

Regulação a nível mundial >>Protocolo de Montreal!!

 

O Ciclo de Refrigeração

Os ciclos de refrigeração, isto é, ciclos termodinâmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos frigoríficos por compressão de vapor, são adequadamente representados em diagramas P x h (pressão-entalpia, diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).

Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)

Observe, no diagrama de Mollier, as regiões de líquido sub-resfriado, à esquerda de x = 0, de vapor úmido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor super-aquecido, à direita de x = 1.

O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado em equipamentos frigoríficos para produção de frio: para conforto térmico ambiente e para resfriamento e congelamento de produtos.

Frigorífico de produtos por compressão de vapor por expansão direta

O esquema acima representar um sistema frigorífico para produtos: os ovos estão na câmara frigorífica, que é mantida à temperatura baixa pela troca de calor que ocorre no 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.

Outras possibilidades de sistemas frigoríficos (geladeiras, condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) são as de ciclo de gás (não há mudança de fase), absorção (veremos rapidamente mais à frente) e a de efeito Peltier (há alguma informação sobre o efeito Peltier no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.

 

Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) será resfriado ou condicionado for um fluido secundário, isto é, um fluido de transferência que não é o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo, o fluido de trabalho é resfriado pelo refrigerante no evaporador e “transporta o frio” para o ambiente adequado. Um tal sistema é conhecido no meio técnico como “chiller”, do inglês, isto é, um resfriador.

Esquema de um “chiller” de água

Neste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se na válvula de expansão termostática, evapora-se no evaporador, retirando calor de um fluxo de água. É esta água resfriada que será utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro fluxo de líquido.