refrigeração e climatização

refrigeração e climatização

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Curso Técnico em Mecânica – Disciplina: Refrigeração e Climatização 2ºSem./2009

IFPA – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Campus Belém

Professores: Ricardo A. S. de Campos e Arnaldo Augusto A. de Souza Jr. 1

A refrigeração já era utilizada pelo homem desde a época das antigas civilizações. Há indícios de que a civilização chinesa, muitos séculos antes da Era Cristã, usava o gelo natural, colhido nas superfícies dos rios e lagos congelados, e conservava-os cuidadosamente em poços, cobertos com palha e cavados na terra, com a finalidade de preservar as folhas de chá que consumiam. As civilizações gregas e romanas também aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas, para o preparo de bebidas e alimentos gelados. Observa-se que, durante muitos séculos, a única utilidade que o homem encontrou para o gelo foi a de gelar alimentos e bebidas, para melhorar seu paladar.

No final do século XVII, com a invenção do microscópio, verificou-se a existência de microorganismos (micróbios, bactérias), invisíveis a olho nu. Estudos realizados na época demonstraram que alguns tipos de bactérias eram responsáveis pela putrefação dos alimentos e por muitos tipos de doenças. Verificou-se, através de estudos, que a contínua reprodução das bactérias podia, em muitos casos, ser impedida, ou pelo menos controlada, pela aplicação do frio, isto é, baixando-se suficientemente a temperatura do ambiente em que as mesmas se proliferavam.

Essas conclusões provocaram, no século XVIII, uma grande expansão da indústria do gelo, que até então se mostrava incipiente. Com essas descobertas, aumentou-se a possibilidade de conservação de alimentos frescos, mantendo todas as suas qualidades, durante um período de tempo maior, visto que, antes dessas descobertas, a conservação dos alimentos era obtida através de tratamentos como a salgação, a defumação ou o uso de condimentos, mas esses tratamentos, na maioria dos casos, diminuíam a qualidade do alimento e modificavam o seu sabor.

No entanto, o uso do gelo natural trazia consigo uma série de inconvenientes que prejudicavam seriamente o desenvolvimento da refrigeração, devido a dependência direta, da natureza, para a obtenção do gelo, que só se formava no inverno, e nas regiões de clima bastante frio. Isto tornava o fornecimento irregular e, em se tratando de países mais quentes, o transporte era demorado, onde a maior parte se perdia por derretimento, visto a precariedade de conservação durante este transporte. Mesmo nos locais onde o gelo se formava naturalmente, a estocagem era bastante difícil, só podendo ser feita por períodos relativamente curtos.

Com o passar dos anos, engenheiros e pesquisadores concentraram seus trabalhos na busca de meios e processos, que permitissem a obtenção artificial de gelo, e em 1834, foi inventado nos Estados Unidos, o primeiro sistema mecânico de fabricação de gelo artificial e, que constituiu a base precursora dos atuais sistemas de compressão frigorífica.

Em 1855, surgiu na Alemanha, outro tipo de mecanismo para a fabricação do gelo artificial, baseado no princípio da absorção, descoberto em 1824 pelo físico e químico inglês Michael Faraday.

Durante cerca de meio século, os aperfeiçoamentos nos processos de fabricação de gelo artificial foram se acumulando, surgindo sistematicamente melhorias nos sistemas, com maiores

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Professores: Ricardo A. S. de Campos e Arnaldo Augusto A. de Souza Jr. 2 rendimentos e melhores condições de trabalho. Entretanto, devido a crença geral na época, de que o gelo produzido pelo homem era prejudicial à saúde humana, o aumento na produção fez pouco progresso neste período, visto que o consumo de gelo artificial era pequeno, apesar das vantagens apresentadas pela refrigeração artificial.

Em 1890, o inverno nos Estados Unidos foi muito fraco. Em conseqüência, quase não houve formação de gelo neste ano, naquele país. Como não havia gelo natural, a situação obrigou que se usasse o gelo artificial, onde comprovou-se a eficácia do produto, mostrando que o mesmo era ainda melhor que o gelo natural, pois podia ser feito com água mais pura e ser produzido à vontade, conforme as necessidades de consumo.

Com isso, no final do século XIX, começaram a ser fabricados os primeiros refrigeradores (ou geladeiras). Tais aparelhos eram constituídos simplesmente por um recipiente, isolado por meio de placas de cortiça, dentro do qual eram colocadas pedras de gelo e os alimentos a conservar. A fusão do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e reduzia, de forma considerável, a temperatura no interior da geladeira.

Surgiram as usinas de fabricação de gelo artificial, visto que ainda não era possível a produção do gelo na casa do consumidor, sendo, as pedras de gelo, entregues nas residências para que fossem colocadas no interior das mesmas.

No início do século X, e com o surgimento da eletricidade, pequenas máquinas e motores passaram a ser movimentadas por essa forma de energia. Com esta nova fonte de energia, os técnicos buscaram meios de produzir o frio em pequena escala, na própria residência dos usuários. O primeiro refrigerador doméstico surgiu em 1913, mas sua aceitação foi mínima, tendo em vista que o mesmo era constituído de um sistema de operação manual, exigindo atenção constante, muito esforço e apresentando baixo rendimento.

Só em 1918 é que apareceu o primeiro refrigerador automático, movido a eletricidade, e que foi fabricado pela Kelvinator Company, dos Estados Unidos. A partir de 1920, a evolução foi tremenda, com uma produção sempre crescente de refrigeradores mecânicos, cada vez mais modernos e funcionais, e com controles mais apurados.

I – PRINCÍPIOS FÍSICOS BÁSICOS I.1 – Mudanças de estado da matéria

Dependendo da temperatura e da pressão, uma mesma espécie de matéria pode apresentar-se em qualquer estado físico. Tomando como exemplo a água, pode-se encontrá-la nos estados sólido, líquido e gasoso.

As mudanças de estados físicos recebem denominações em função da maneira como são processadas. Em sistemas de refrigeração (ou circuito frigorígeno) pode-se destacar os processos de condensação e de vaporização (evaporação).

A condensação é a passagem do estado vapor para o estado líquido, verificando-se que um fluido, no estado vapor se transforma em estado líquido, quando perde calor, ou seja, quando é resfriado.

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A vaporização (ou evaporação) é a passagem do estado líquido para o estado vapor, verificando-se que um fluido, no estado líquido se transforma em estado vapor, quando recebe calor, ou seja, quando é aquecido.

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Figura 1 – Exemplos de mudanças de fase

Os processos de VAPORIZAÇÃO e EVAPORAÇÃO são semelhantes. A única diferença entre eles é a velocidade com que o líquido se transforma em vapor. A evaporação é mais lenta e a vaporização é mais rápida, geralmente sendo provocada por algum mecanismo, como no caso de um sistema de refrigeração. Na prática, as duas nomenclaturas podem ser utilizadas.

I.2 – A Ebulição

A utilização da água para explicar o processo de ebulição é o método mais didático e eficiente, pois a mesma se comporta de forma similar aos fluidos refrigerantes mais usuais. Considerando que 01 (um) quilograma (kg) de água, a 0 ºC é aquecido, a temperatura desta massa de água aumenta em 1 ºC (um grau Celsius), para cada 4,19 kJ de calor adicionado. Mantendo-se o fornecimento de calor, a água atingirá o seu ponto de ebulição, ou temperatura de ebulição (te). Esta temperatura de ebulição é determinada pela pressão sobre a água. Se esse processo ocorre em um recipiente aberto, a pressão sobre a água é a pressão atmosférica. Se o processo ocorre em um recipiente fechado, então a pressão no interior do recipiente é que irá controlar a temperatura de ebulição.

A pressão atmosférica ao nível do mar é de 101325 Pa (Pascal), ou 101,325 kPa. Nesta pressão a água ferve a 100 ºC. Se a pressão for maior do que 101,325 kPa, então a água irá ferver a uma temperatura maior.

Figura 2 – Influência da pressão na temperatura de ebulição

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Caso contrário, se a pressão for menor do que 101,325 kPa, a água irá ferver a uma temperatura mais baixa do que 100 ºC, e consequentemente, serão alcançadas temperaturas de ebulição menores. Desta forma, o processo pode ser controlado de tal forma que, pode-se baixar a pressão a níveis tais, que se conduz a água a atingir patamares de temperatura muito baixos, promovendo a utilização da mesma em processos de condicionamento de ar.

Tabela 1 – Relação entre pressões e temperaturas de ebulição da água

I.3 – Calor de vaporização

Quando se aquece um fluido até a sua temperatura de ebulição, ao se continuar adicionando calor, mantendo-se a pressão constante, o fluido evapora. Chama-se calor latente de vaporização, o calor necessário para mudar o estado de um fluido, de líquido para vapor.

I.4 – Líquido saturado, vapor saturado e superaquecimento

Quando a água atinge sua temperatura de ebulição, à uma dada pressão, pode ser denominada de Líquido Saturado, pois ela ainda consegue permanecer no estado líquido, apesar de estar saturada com todo o calor que pode conter, a esta pressão.

Quando se adiciona calor a um fluido de tal forma que ele evapore totalmente, ele atinge um ponto chamado de Vapor Saturado, ou seja, apesar de saturado com todo o calor que ele pode conter àquela pressão, ele ainda se mantém na temperatura de saturação.

O estado de Vapor Superaquecido ou Superaquecimento ocorre quando a mudança de estado está completa e, qualquer calor adicional à pressão constante, resulta num aumento de temperatura do vapor.

Figura 3 – Ilustração mostrando a água atingindo o estado de vapor superaquecido

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I.5 – Calor e transmissão de calor

de calor (remoção de energia térmica) de uma matéria

Calor é uma forma de energia em movimento (trânsito), do corpo com temperatura maior (mais quente) para o corpo com temperatura menor (mais frio), logo, calor é energia térmica. A palavra refrigeração e outras afins são comumente utilizadas no sentido de descrever a retirada

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