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Refrigeração: conceitos básicos, aplicações, etc.

Prof. Mario H. Macagnan

Fevereiro, 2015

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

o processo de mover calor de um local para outro utilizando um refrigerante em um ciclo fechado.

Refrigeração

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Aplicações

Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada.

Aplicações

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Aplicações

Aumento do tempo de prateleira dos produtosperecíveis:

1 frango;2 peixe;3 carne;4 banana;5 laranja;6 maçã;7 ovos;8 maçã†.

†armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono.

Produto Temperatura de armazenamento, °C

Abacate 4 a 13

Alface 0 a 1

Banana 13 a 14

Frango -1 a 2

Maçã -1 a 0

Morango -0,5 a 0

Pêra -2 a 0

Queijo 0 a 1

Repolho 0

Tomate 3 a 4

Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento.

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Conforto: o uso extensivo da refrigeração para conforto térmico por meio de ar-condicionado. O termo ar-condicionado refere-se ao tratamento do ar, de forma que haja controle simultâneo da temperatura, umidade, limpeza, odor e circulação, conforme requerido pelos ocupantes, processo ou produtos no espaço.

Aplicações

O controle da qualidade do ar em sistemas de ar-condicionado é de extrema importância.

Aplicações

†ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003. Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.

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Outras aplicações da refrigeração são:

� Processamento de alimentos: queijo, cerveja, vinho e sucos;

� Construção civil (cura do concreto e congelamento de solos para abertura de poços ou túneis);

Aplicações

Outras aplicações da refrigeração são:

� Indústria química (controle de temperatura, processos de separação de misturas, solidificação de materiais, etc.

� Na manufatura: controle de temperatura de processos (injetoras, corte, etc.);

� Controle de temperatura em equipamentos eletrônicos;

� e milhares de outras aplicações.

Aplicações

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Um pouco de história

Fonte: Hundy, G.F.; Trott, A.R.; Welch, T.C., 2008. Refrigeration and Air Conditioning. 4th. Ed..

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.

A importância da refrigeração é conhecida desde tempos remotos. Em 2000 a.c. já se sabia que baixas temperaturas eram de grande importância para a preservação de alimentos. No ano 300 a.c., Alexandre o Grande, mandava servir aos seus soldados, água gelada (com neve), para elevar o moral das tropas;

Entretanto, seus benefícios eram utilizados por poucos, geralmente a aristocracia.

Um pouco de história

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Um pouco de história

Um pouco de história

Nesses tempos a refrigeração era realizada por meios naturais, através da obtenção de gelo nas altas montanhas ou através do processo evaporativo noturno.

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.

“Engenheiros” de refrigeração do século 19.

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Um pouco de história

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 gelo também era armazenado, no solo ou em galpões (as câmaras frigoríficas da época). Como material isolante era utilizada a serragem e mais tarde a cortiça.

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 o mercado foi diminuindo gradualmente até seu desaparecimento.

Um pouco de história

Vagão refrigerado, patenteado em 1867.

Venda de barras de gelo na Europa

Distribuição de gelo, 1923.

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Um pouco de história

Ice house, capaz de armazenar o gelo durante meses.

Ice house construida no Irán.

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Um pouco de história

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Um pouco de história

O sorvete no Brasil:Em 1834, o navio americano Madagascar, vindo de Boston, aportou na cidade do Rio de Janeiro com cerca de 200 toneladas de gelo em blocos.

O sorvete começou a ser distribuído em escala industrial no país em 1941, quando nos galpões alugadas da falida fábrica de sorvetes Gato Preto, no Rio de Janeiro, instalou-se a U.S. Harkson do Brasil, a primeira indústria brasileira de sorvete. Seu primeiro lançamento em 1942 foi o Eski-bon, seguido pelo Chicabon. Dezoito anos depois, a Harkson mudou o seu nome para Kibon.

Um pouco de história

Há uma 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.

Consistiu em colocar em contato térmico água com um tanque evacuado contendo éter. Ao evaporar, o éter retirou calor da água possibilitando seu congelamento.

Apesar de rudimentar, essa máquina trabalhou com o princípio básico da refrigeração moderna que é a habilidade dos líquidos em absorver enormes quantidades de calor ao vaporizar.

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Um pouco de história

Nesse ponto é importante lembrar outros dois conceitos termodinâmicos: pressão de vapor e calor latente.

Pressão de vapor ou pressão de saturação é a pressão na qual encontra-se uma mistura líquido-vapor em equilíbrio térmico e que depende unicamente da temperatura dessa mistura. Para diminuir a temperatura basta diminuir a pressão (e vice-versa).

O segundo conceito é que a vaporização de um líquido requer calor latente durante o processo mas a temperatura do líquido permanece constante.

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Um pouco de história

William Cullen, Escócia - 1710-1790.

Tido como o inventor da refrigeração artificial . Utilizou uma máquina para evaporar éter e produzir gelo. Sua descoberta não teve aplicações práticas no seu tempo.

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Em 1834, Jacob Perkins obteve a patente de uma máquina de compressão de vapor, surgindo então, o conceito moderno de refrigeração.

Um pouco de história

Essa máquina tornou-se mais útil com as modificações introduzidas por John Hague:

Um pouco de história

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Um pouco de história

James Harrison, produziu a primeira máquina de refrigeração, em 1851, patenteando o ciclo de compressor de vapor com éter em 1855.

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Um pouco de história

Os primeiros refrigeradores domésticos eram chamados de Ice Box. Funcionavam de maneira descontínua uma vez que necessitam constante reposição de gelo.

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No 1°Congresso Internacional de Refrigeração (Paris, 1908), o reverendo Marcel Audiffren apresentou seu invento: uma máquina doméstica para produzir gelo contida dentro de um vaso hermético.

Um pouco de história

Entre os anos de 1917 e 1919, surgiram os primeiros protótipos dos atuais compressores herméticos.

David Boyle, em 1871, foi o primeiro a utilizar amônia (NH3) como refrigerante;

O CO2 foi inicialmente utilizado em 1886, por Franz Windhausen, e largamente utilizado em refrigeração naval até os anos 1960;

Outros refrigerantes utilizados: SO2, C2H5Cl, R-600a (em 1920 por E. Copeland; o dicloroetileno por Carrier entre 1922 a 1926 em compressores centrífugos).

Um pouco de história

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Em 1920 surgiram os primeiros refrigeradores domésticos: no primeiro ano foram fabricados cerca de 5.000 unidades; após dez anos 1 milhão e em 1935 atingiram a marca de 6 milhões de unidades.

Um pouco de história

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Um pouco de história

A disseminação do uso destes equipamentos ficou severamente limitada em função dos refrigerantes utilizados (SO2 e metanoatode metila), altamente tóxicos.

General Electric "Monitor-Top" refrigerator, introduced in 1927.

Compressor

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A grande revolução, no entanto, surgiu em 1930 quando Thomas Midgley Jr., em um encontro da Sociedade Americana de Química apresentou um novo refrigerante, o R-12, demonstrando suas vantagens em termos de segurança e eficiência.

Um pouco de história

Um ano mais tarde, o R-12 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 pouco de história

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O Ciclo de compressão mecânica do vapor: o início

Carnot, em 1824, publica a obra “Sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas próprias para desenvolver esta potência”;

Em 1852, Lord Kelvin publica sua demonstração da ‘reversibilidade’, começando então a formulação de uma ciência da refrigeração;

O Ciclo Ideal de Carnot

T

S

1

23

4

Processos:

1-2: compressão adiabática e isoentrópica;

2-3: rejeição isotérmica de calor;

3-4: expansão adiabática e isoentrópica;

4-1: recebimento isotérmico de calor;

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T

s

1

23

4

T2

T1

s3 = s4 s2 = s1

Efeito de refrigeração

Trabalho líquido

�

QC

�QE

O Ciclo Ideal de Carnot

12

1

4112

411TT

T

SSTT

SSTCOP −=

−−

−=

O ciclo de Joule

T

1

2

3

4

Carnot

A

B

S

1-2 e 3-4 ⇒ compressão e expansão isentrópica;

2-3 e 4-1 ⇒ resfriamento e aquecimento à pressão constante;

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Condição ideal

s

T

Um pouco mais real

T

1

2

3

4 �

S

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O ciclo padrão

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

Sub-resfriamento e super-aquecimento

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Trocador de calor na linha de sucção

Super aquecimento

Controle do super aquecimento através de válvula de expansão

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A camada de ozônio

Rowland (esq.) e Molina (dir.) descobrem, em 1973, através de experimentos em laboratório, a influência do cloro na destruição da camada de ozônio.

Mais tarde, em 1995, esses dois mais Paul J. Crutzen, receberiam o prêmio Nobel de Química por suas obras relacionadas à destruição da camada de ozônio.

+O2 O O

Fóton ultra violeta (UV)

+

O O2 O3

O3

+

O O2

+

O O2O3

A camada de ozônio

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CFCl3

CCl

F

+ C

CFCl2Cl

+

O3Cl O2

+

ClO

O

+

ClO Cl

+

O2

A camada de ozônio

A camada de ozônio

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A camada de ozônio

O Protocolo de Montreal

Data Redução da produção e consumo

CFC1 janeiro 1993 100% nível de 19861 janeiro 1994 25% nível de 19861 janeiro 1995 25% nível de 19861 janeiro 1996 0% nível de 1986

HCFC1 janeiro 1996 3,1% consumo CFC+HCFC

19861 janeiro 2004 65% da situação de 19961 janeiro 2010 35% da situação de 19961 janeiro 2015 10% da situação de 19961 janeiro 2020 0,5% da situação de 19961 janeiro 2030 0% da situação de 1996

+ Revisão de Copenhagen, 1992

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A influência do Protocolo de Montreal

Refrigerantes

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Refrigerantes

Classificação de riscos

LowerToxicity

HigherToxicity

Higher

FlammabilityA3 B3

Lower

FlammabilityA2 B2

No FlamePropagation A1 B1

A: sem evidências de toxicidade

B: evidências de toxicidade para concentrações > 400 ppm (por volume)

1: sem propagação de chama (20°C e patm)

2: baixo limite de flamabilidade

3: alto limite de flamabilidade

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Classificação

Classificação dos refrigerantes, ASHRAE 34-92Refrigerante Classe Refrigerante Classe

R-11 A1 R-500 A1

R-12 A1 R-502 A1

R-22 A1 R-290 A3

R-134a A1 R-600a A3

R-401 A1 R-717 B2

R-410a A1 R-744 A1

Misturas

Temperatura de orvalho

Temperatura de ebulição

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Ciclo de Lorentz

T

S

refrigerante

refrigerante

FTC

FTC

T

S

refrigerante

refrigerante

FTC

FTC

F-Gas Regulation

Regulamento do Parlamento Europeu de 2006, estabelecendo limites de uso de gases fluorado de efeito estufa cobertos pelo Protocolo de Kyoto (HFC, PFC e SF6).

Sistemas empregando refrigerantes com GWP > 150 devem ser submetidos a rigorosos controles de vazamento, função da carga do sistema.

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MAC Directive

Também foi elaborada a diretriz (MAC Directive) que proíbe o uso de F-Gases com GWP > 150 em veículos novos a partir de 2011 e em todos os veículos a partir de 2017.

Solução encontrada atualmente: Solstice yf (HFO 1234yf) –composto orgânico fluorado – hidro-fluoro-olefina (1=ligações duplas; 2= C; 3 = H e 4 = F)

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Sistemas secundários

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Hidrocarbonetos

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Cal

or L

aten

te (

kJ/k

g) R12

R22

R134a

R600a

R290

R600a/R290

Comparação do calor latente de vaporização, kJ/kg

Hidrocarbonetos

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0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Vol

um

e es

pec

ífico

R12

R22

R134a

R600a

R290

R600a/R290

Comparação de volumes específicos, em m3/kg

Hidrocarbonetos

Sistemas tipo Cascata

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Ciclo com CO2

Outros ciclos: o ciclo de absorção

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Outros ciclos: o ciclo de absorção

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CONDENSER

EVAPORATOR

GENERATOR

REFRIGERANT HEAT

EXCHANGER 1

2

RECTIFIER

SOLUTION PUMP

3

4

SOLUTION COOLED ABSORBER

7

8 16 10

13

11

14

17

12

Chilled water circuit

Hot water circuit

9

Hot water circuit WATER

COOLED ABSORBER

PUMPW&

CONQ&

EVAQ&

WCAQ&

GENQ&

EVAP

CONP

T

P

INTP

Equipamento comercial de absorção

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Outros ciclos: refrigeração magnética

O princípio está baseado no efeito magneto-calórico, uma propriedade intrínseca de materiais magnéticos.

Outros ciclos: refrigeração termo-acústica

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Outros processos: refrigeração termo-elétrica

Outros processos: tubo vortex

O gás de entrada se divide em duas correntes: o gás periférico possui temperatura maior que o gás na entrada enquanto a outra corrente, no centro, possui temperatura menor.