Capítulo 1 - Introdução

Refrigeração
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Capítulo 1 - Introdução
Pode-se definir refrigeração como o processo de alcançar e manter uma temperatura
inferior àquela do meio, cujo objetivo é resfriar algum corpo (sólido) ou fluido até uma dada
temperatura ou ainda, o processo de mover calor de um local para outro utilizando um
refrigerante em um ciclo fechado.
O calor pode ser retirado diretamente pelo refrigerante primário ou através de um
refrigerante secundário (salmouras, glicóis, etc.).
A faixa de aplicação dos processos de refrigeração vai de temperaturas desde 20 °C até
temperaturas inferiores a -80 °C além de umidades relativas de 95% a 0% ou combinações entre
estes valores. Temperaturas menores que estas pertencem ao ramo da Criogenia que é
especializada na produção e utilização de gás natural liquefeito, oxigênio e nitrogênio líquidos
além do dióxido de carbono.
1.1. Breve Histórico
A história da refrigeração data de tempos pré-históricos onde se armazenava alimentos
em cavernas, com paredes úmidas, para preservá-los tomando vantagem do efeito do
resfriamento natural. A história da refrigeração é muita interessante uma vez que cada aspecto,
disponibilidade dos refrigerantes, acionadores, desenvolvimento dos compressores e dos métodos
de refrigeração em si, fazem parte dela.
Os habitantes da ilha de Creta, no mar Mediterrâneo já sabiam, em 2000 AC, que baixas
temperaturas eram de grande importância para a preservação dos alimentos. Alexandre, o
Grande, cerca de 300 AC, mandou servir a seus soldados, para levantar a moral da tropa, bebida
gelada (com neve). Em 755 DC, Khalif Madhi operava o primeiro “transporte refrigerado” desde
o Líbano até a cidade de Meca, através do deserto, usando neve como refrigerante.
Em 1040 DC, o sultão do Cairo usava neve, transportada diariamente da Síria, nas suas
cozinhas.
Desde tempos remotos até o início do século 20, as pessoas recolhiam o gelo natural
durante o inverno e o armazenavam, durante um ano ou mais, em galpões, celeiros e
posteriormente em armazéns. Nos Estados Unidos, em mediados do século 19, existia a rota do
gelo natural, centrada principalmente nos rios Hudson e Maine. Também na Europa, nesta
mesma época, blocos de gelo provenientes da Noruega tinham grande procura.
Desde 1805 até o final do século 19, barcos transportavam gelo natural desde a América
do Norte até muitos paises quentes, tais como Índias Orientais, Europa e mesmo Índia e
Austrália.
Em 1806, Frederic Tudor, mais tarde conhecido como o “rei do gelo” começou o
comércio cortando blocos de gelo no rio Hudson e lagos de Massachusetts, como mostra a Fig.
1.1. Esse gelo era vendido tanto no mercado interno como exportado para vários países,
incluindo a Índia.
Esse mercado também foi muito popular no Reino Unido, Rússia, Canadá, Noruega e
França. O seu pico foi alcançado em torno do ano de 1872 quando, somente os Estados Unidos,
exportaram cerca de 225.000 ton. de gelo para vários países, incluindo China e Austrália.
Com o advento da refrigeração artificial e a consequente poluição dos rios e lagos em
função do desenvolvimento industrial, o mercado foi diminuindo gradualmente até seu
desaparecimento.
O gelo era armazenado, no solo ou em galpões, as câmaras frigoríficas da época. Como
material isolante era utilizada a serragem e mais tarde a cortiça. Esses locais de armazenamento,
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chamados de ice houses, foram construídos em diversos locais e, para compensar a carência de
bons isolantes térmicos, a espessura das paredes era bastante grande, acima de 1 m. Na Fig. 1.2
apresentam-se alguns exemplos de ice houses.
Figura 1.1. Métodos de corte e extração de gelo de rios e lagos, no século 19.
Figura 1.2. Ice houses construídas nos Estados Unidos (a) e no Irã (b).
Foi aproximadamente no final dessa época quando a refrigeração mecânica surgiu (os
compressores e o ciclo de refrigeração). Há certa concordância histórica que a refrigeração
artificial inicia em 1755 quando o professor escocês Willian Cullen construiu a primeira máquina
de refrigeração, produzindo em laboratório pequena quantidade de gelo. O experimento consistiu
em colocar em contato térmico a água com um tanque contendo éter a baixa pressão. Ao
evaporar, o éter retirou calor da água possibilitando seu congelamento. No entanto, essa
descoberta ficou sem utilização.
Apesar de rudimentar, essa máquina trabalhou com o princípio básico da refrigeração
moderna que é a habilidade de certos líquidos em absorver grandes quantidades de calor ao
vaporizar. Deve ser dito que a refrigeração mecânica nasceu quando o escocês William Cullen
conseguiu, em 1755, fabricar gelo evaporando éter a baixa pressão.
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Entretanto, foi somente em 1834 quando o americano Jacob Perkins obteve a patente
inglesa no 6662 de uma máquina de compressão de vapor, mostrada na Fig. 1.3, que surgiu o
conceito moderno de refrigeração.
Figura 1.3. Esquema da máquina de refrigeração inventada por Perkins.
Nessa máquina, as duas caixas (A e E) funcionam como o evaporador e o condensador,
respectivamente. O elemento C, uma bomba de vácuo manual, faz o papel do compressor nos
sistemas modernos. Em B está o líquido (éter) que vaporiza em função da diminuição da pressão,
esfriando a água. O elemento H opera como um dispositivo de expansão.
No entanto, os créditos do início da refrigeração moderna pertencem a James Harrison,
um escocês que emigrou para a Austrália em 1837 e inventou, em 1850, a primeira máquina de
refrigeração com compressão de vapor, que em seguida entrou em operação comercial. Um
esboço dessa máquina é apresentado na Fig. 1.4.
Figura 1.4. Máquina de refrigeração construída por Harrison.
Em 1920 surgiram os primeiros refrigeradores domésticos em unidades seladas, como o
mostrado na Fig. 1.5. No primeiro ano, foram fabricadas nos Estados Unidos aproximadamente
5.000 unidades. Após dez anos, este número cresceu para um milhão e em 1935 chegaram a 6
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milhões de unidades. No início, os refrigerantes utilizados eram todos tóxicos, como o dióxido
de enxofre e o cloreto de metileno e metanoato de metila. Diversos acidentes fatais ocorreram na
década de 1920, em função de vazamentos de cloreto de metila. Isso levou a mídia da época
lançar uma campanha para proibir o uso desses refrigeradores.
Figura 1.5. Detalhe de um dos primeiros refrigeradores domésticos com unidades seladas
produzidos.
Em 1928, a Frigidaire, maior fabricante de refrigeradores na época, solicitou a um grupo
de cientistas, liderados por Thomas Midgley a elaboração de um refrigerante não tóxico ou
inflamável. Alguns meses depois, nascia o primeiro refrigerante sintético, o R-12. Em 1930, em
um encontro da Sociedade Americana de Química Migley apresentou este refrigerante
demonstrando suas vantagens em termos de segurança e eficiência. Comenta-se que durante a
apresentação, Migley inalou o refrigerante e o soprou sobre a chama de uma vela, apagando-a,
demostrando suas características não toxicidade e não inflamabilidade. Um ano mais tarde, o R12 foi introduzido na refrigeração comercial, nascendo a indústria dos fluorcarbonos. Da união
de duas empresas, DuPont e General Motors, nasceu a Kinetic Chemicals Inc, quando então foi
registrado a marca Freon®. Um ano mais tarde, o Freon® 12 começa ser produzido em grande
escala, nascendo então a indústria da refrigeração como é conhecida hoje.
1.2. Definição
Refrigeração é o processo de mover calor de um local para outro, utilizando um
refrigerante, em um ciclo fechado.
1.3. Características importantes
operação durante todo o ano, sem considerar o sistema ambiente e consequentemente a
temperatura de condensação;
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◊ possibilidade
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de variações de carga térmica em períodos curtos;
controle de gelo para aplicações em processos contínuos;
◊ afinidade óleo-refrigerante no caso de sistemas mecânicos, devido a grande variação de
temperatura;
seleção do meio de resfriamento: soluções (álcool, glicol, etc.), recirculação de refrigerante ou
expansão direta;
◊
1.4. Processos de refrigeração
Na verdade, qualquer fenômeno físico ou químico de natureza endotérmica pode ser
aproveitado como processo de refrigeração. Dentre muitos nos deteremos principalmente nos
processos contínuos, onde se destacam:
Refrigeração mecânica de vapor:
Consiste basicamente na produção continua de líquido refrigerante, o qual por
vaporização possibilita a desejada retirada de calor do meio a refrigerar. Utiliza o fato de que
uma quantidade relativamente grande de energia térmica é necessária para converter um líquido
em vapor. Este energia térmica é extraída do ambiente a ser refrigerado, fazendo-se com que o
líquido vaporize a uma temperatura inferior àquela do ambiente.
Absorção:
Processo descoberto por Nairn em 1777 cujo funcionamento se baseia no fato de que os
vapores de certos fluidos refrigerantes são absorvidos a frio, em grandes quantidades, por certos
líquidos ou soluções salinas.
Quando esta solução binária é aquecida, obtém-se uma destilação fracionada na qual o
vapor formado será rico no fluido mais volátil (fluido refrigerante), podendo ser separado,
retificado, condensado e aproveitado para o processo de refrigeração, como nas máquinas
convencionais de compressão mecânica.
O sistema mais comum de absorção é o que utiliza a amônia como fluido refrigerante e a
água como absorvente. Um sistema menos perigoso é o que utiliza a água como fluido
refrigerante e brometo de lítio como absorvente.
Como inconveniente está o elevado consumo de energia (calor e bombas, consumindo
uma quantidade maior de energia do que sua produção frigorífica), muito mais elevado do que
nos sistemas de compressão mecânica.
Como vantagem encontra-se principalmente o fato de utilizar energia térmica em lugar de
energia elétrica, podendo utilizar calor residual de algum processo. Outras vantagens:
simplicidade (ausência de partes móveis), funcionamento silencioso, etc.
Ejeção de vapor:
Este sistema de refrigeração está baseado no princípio da exposição de água (refrigerante)
a baixas pressões fazendo desta forma com que baixe de temperatura. As baixas pressões são
obtidas através de um sistema de ejetores de vapor, isto é, vapor a alta pressão (acima de 200 psi)
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escoa através do ejetor fazendo com que a pressão no tanque evaporador baixe, diminuindo a
temperatura da água. O vapor que escoa pelo ejetor é posteriormente condensado.
Como desvantagens pode-se citar: elevado consumo de vapor, elevado nível de ruído
além de um baixo coeficiente de desempenho. Além disso, é necessária uma fonte de vapor de
baixo custo. O uso dos sistemas de ejeção a jato só pode ser justificado em situações muito
especiais.
Refrigeração termoelétrica:
A refrigeração termoelétrica está baseada na observação efetuada por Peltier, em 1834, do
efeito térmico nas junções de dois materiais condutores dissimilares quando se fazia percorrer
uma corrente elétrica no circuito. No entanto, a refrigeração termoelétrica somente tomou
impulso a partir de 1949 com o desenvolvimento dos materiais semicondutores. Estes sistemas
termoelétricos são seguros, silenciosos, compactos e mais leves, comparados com sistemas
comuns de refrigeração. Entretanto, o coeficiente de desempenho é baixo e sua confiabilidade é
questionável. A dissipação de calor é tida como problemática.
1.5. Aplicações:
As aplicações da refrigeração podem ser reunidas dentro das seis categorias que seguem:
Refrigeração doméstica
● Refrigeração comercial
● Refrigeração industrial
● Refrigeração marítima e de transporte
● Condicionamento de ar de conforto
● Condicionamento de ar industrial
●
1.5.1. Refrigeração Doméstica
Abrange a fabricação de refrigeradores e congeladores domésticos. Possuem potências
nominais pequenas (até ½ CV) e são do tipo hermético.
1.5.2. Refrigeração Comercial
Abrange projeto, instalação e manutenção de instalações refrigeradas do tipo usado em
lojas, restaurantes, hotéis e locais de armazenamento e distribuição de mercadorias perecíveis.
1.5.3. Refrigeração Industrial
Como regra geral são maiores que as comerciais em tamanho e quase sempre requerem
um operador de serviço. Aplicações típicas: - indústria de alimentos ⇒ armazenagem, transporte,
manufatura ou tratamento térmico (pasteurização do leite); empacotamento de gêneros
alimentícios ⇒ carne, peixes, aves, alimentos congelados, etc.; cervejarias; refinarias de óleo;
fábricas de produtos químicos ⇒ remoção de calor em reações exotérmicas; fábricas de
borracha; construção civil; metalurgia, etc.
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1.5.3.1. Indústria de Alimentos
Armazenamento de alimentos não congelados
Quando as funções vitais de animais ou vegetais são interrompidas, tem inicio uma série
de transformações que adquirem características de fenômenos putrefativos. Tais processos
sucedem-se rapidamente à temperatura ambiente, com a consequente inutilização do produto.
A medida que se provoca o abaixamento da temperatura, retarda-se consideravelmente
tais fenômenos, promovidos pela ação de agentes deteriorantes como microorganismos, enzimas
e reações químicas. Este efeito pode ser observado nas Figuras 1.6 e 1.7. Entretanto, muitos
alimentos não exigem (ou não permitem) congelamento para seu armazenamento. Este é o caso
de alimentos como banana, maçã, tomate, alface, repolho, batata, cebola, etc. Algumas frutas podem
ser armazenadas a temperaturas inferiores ao ponto de congelamento da água sem experimentar
qualquer formação de gelo. A água presente contém, em solução, açúcar e outras substâncias que
reduzem o ponto de congelamento. Algumas temperaturas de armazenamento podem ser
encontradas na Tabela 1.1.
Figura 1.6. Taxa relativa de crescimento de bactérias e fungos, a diferentes temperaturas.
Figura 1.7. Estimativa do tempo de exposição de diversos alimentos em função da temperatura.
1 frango, 2 peixe, 3 carne, 4 banana, 5 laranja, 6 maçã, 7 ovos, 8 maçã armazenada em
atmosfera controlada de dióxido de carbono. Fonte: W.F. Stoecker, Refrigeração Industrial.
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Tabela 1.1. Temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento, de diversos
alimentos.
Produto
Temperatura de
armazenamento, °C
Abacate
4 a 13
Alface
0a1
Banana
13 a 14
Frango
-1 a 2
Maçã
-1 a 0
Morango
-0,5 a 0
Pêra
-2 a 0
Queijo
0a1
Repolho
0
Tomate
3a4
Fonte: W.F. Stoecker, Refrigeração Industrial.
Quanto ao tempo de armazenamento, deve-se fazer uma distinção entre Tempo de Alta
Qualidade, TAQ, e Tempo Prático de Estocagem, TPE. O Tempo de Alta Qualidade pode ser
definido como o tempo decorrido entre o resfriamento ou congelamento de um produto com alta
qualidade inicial até o momento que, por determinações sensoriais de um painel treinado, for
estabelecida uma diferença estatisticamente significante com o mesmo produto fresco.
O Tempo Prático de Estocagem é o período disponível em que o produto retém suas
propriedades características e continua adequado ao consumo.
Alimentos congelados
O uso do congelamento para a conservação de alimentos se originou, a partir de 1880, na
Inglaterra, durante o transporte de carne proveniente da Austrália. O procedimento é hoje um dos
mais utilizados, para uma ampla gama de produtos.
Nos mercados mais desenvolvidos, mais de 10% do volume de alimentos consumidos foi
congelado em uma das etapas de comercialização. O congelamento mantém a qualidade dos
alimentos a um custo bastante competitivo.
Atualmente, as técnicas de congelamento visam a obtenção de processos rápidos,
evitando-se desta maneira a formação (ou melhor, do crescimento) de cristais de gelo no interior
do produto, diminuindo a possibilidade de danificação de suas estruturas celulares e aumentando
não só o tempo de armazenamento como mantendo suas qualidades originais.
Dentre os métodos de congelamento os mais utilizados são:
túneis com ar a baixa temperatura e alta velocidade (air-blast);
congelamento por contato direto;
● congelamento por imersão (salmoura);
● congelamento em leito fluidizado;
●
●
A faixa de congelamento se encontra entre os -18 °C até -30 °C.
Processamento de Alimentos
A refrigeração pode ser utilizada em processos de mudança das características ou mesmo
estrutura química dos alimentos. Exemplos:
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Produção de queijo - processo de cura (depende do tipo de queijo) em temperaturas de 10 a
20 °C durante alguns dias ou até meses;
● Fabricação de cerveja - durante a fabricação acontece duas reações químicas principais - a)
conversão do amido do grão em açúcar e b) fermentação, durante a qual o açúcar é convertido em
álcool e CO2. Como a fermentação é um processo exotérmico, o produto deve ser resfriado, sob
pena de ocorrer um aumento de temperatura suficiente para reduzir ou mesmo interromper a
transformação do açúcar. Geralmente usam-se temperaturas entre os 7 e 13 °C. A refrigeração
também é utilizada na fase de maturação da cerveja.
●
Produção de vinho - após a fermentação, o vinho é mantido em tonéis de aço inox por um largo
período de tempo (6 meses a 2 anos) a aproximadamente 10 °C. A refrigeração também é
utilizada no processo de estabilização a frio, durante o qual se precipita o ditartarato de potássio.
A deposição deste produto acontece naturalmente à temperatura de 10 °C, mas pode ser
grandemente acelerada para 10 dias quando a temperatura for reduzida a -4 °C.
●
Concentração de sucos de frutas - visa principalmente à redução de volume e consequente
redução dos custos de armazenagem e transporte. Pode ser obtida uma redução da ordem de 75%
da água presente. O processo de vaporização é realizado a vácuo, de modo que o vapor formado
deve ser removido para a atmosfera (condensado e removido na forma líquida).
●
1.5.3.2. Indústria da Construção
●
●
Cura de grandes estruturas de concreto, como barragens, fundações, etc.;
Congelamento do solo para abertura de poços e túneis;
1.5.3.3. Indústria Química
Extração de sais por diluição e refrigeração;
Separação de misturas de líquidos ou gases;
● Solidificação de materiais;
● Fabricação de borracha sintética e adubos;
●
●
1.5.4. Refrigeração Marítima e de Transporte
Inclui aplicações como: refrigeração para barcos de pesca e embarcações de transporte de
carga perecível, navios de armazenamento, etc.
A refrigeração de transporte está relacionada com transportes de cargas em caminhões,
vagões ferroviários, etc.
1.5.5. Condicionamento de Ar (para conforto humano ou para uso industrial)
Está relacionado com o condicionamento do ar em ambientes fechados, controlando a
temperatura, umidade, movimentação do ar e também da sua pureza. As aplicações destinadas ao
conforto humano são: casas, escolas, escritórios, teatros, hotéis, edifícios, automóveis, aviões,
etc. enquanto as aplicações de condicionamento de ar industrial são: controle da umidade em
materiais higroscópicos; controle das taxas de reações químicas e bioquímica; controle
dimensional de artigos de precisão; controle da pureza do ar em salas limpas, etc.
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1.6. Alguns Conceitos Básicos
Arrefecimento: abaixamento da temperatura de um corpo até a temperatura ambiente.
Resfriamento: abaixamento da temperatura de um corpo da temperatura ambiente até a
temperatura de congelamento (0 °C).
● Congelamento: baixar a temperatura de um corpo aquém da sua temperatura de congelamento.
●
●
Temperatura de congelamento: temperatura na qual a maior parte da água contida no produto é
transformada em gelo. Em geral considera-se como a temperatura de congelamento da água, pois
os corpos são constituídos basicamente de água.
●
Como o arrefecimento pode dar-se naturalmente (transferência de calor entre um corpo
quente e um corpo frio), reservamos o termo refrigeração para os processos de retirada de calor
dos corpos com dispêndio de energia.
● Potência frigorífica (ou carga térmica de refrigeração): é a quantidade de calor a ser retirada
do sistema a refrigerar por unidade de tempo. Como unidades de potência frigorífica são
comumente utilizados: kcal/h, Btu/h ou kW.
Tonelada de refrigeração (TR): é quantidade de calor a ser retirada da água a 0 °C para formar
uma tonelada de gelo a 0 °C, em 24 horas.
Dependendo do valor da tonelada adotado (907,184 kg ou 2000 lb), temos:
●
1 TR = 12.000 Btu/h = 3023,95 kcal/h ≈ 3,516 kW