# Refrigeração Industrial

(Parte 1 de 5)

Adriano de Aquino Paiva da Silva Prof. Dr. Giorgia Taiacol Aleixo

Mogi Mirim, 26 de novembro de 2009.

Trabalho de conclusão da disciplina, Seminário apresentado como parte das atividades desenvolvidas ao longo do aprendizado, no curso de Sistemas Mecânicos I, da graduação de Tecnologia em Projetos Mecânicos da Faculdade de Tecnologia de Mogi – Mirim.

Prof. Dr. Giorgia Taiacol Aleixo Mogi - Mirim, 2009

SILVA, Adriano de Aquino Paiva. Refrigeração industrial. Mogi-Mirim, Tecnologia em

Projetos Mecânicos, Faculdade de Tecnologia de Mogi-Mirim, 2009. Dissertação (Conclusão de curso).

Palavras - chave: Refrigeração industrial, Simulação, Projeto.

SILVA, Adriano de Aquino Paiva. Industrial Refrigeration. Mogi-Mirim, Technology in

Mechanical Design, Faculty of Technology Mogi-Mirim, 2009. Dissertation (Completion of course)

In the last decade, the world has undergone a major transformation. The increase in the number of companies and globalization have made the competition oblige the various sectors of industry to increase productivity and quality to stay competitive you. In this context, the cooling systems provide shorter cycle in various manufacturing processes and, consequently, increased productivity, greater reliability, repeatability and quality of the finished product. This paper presents the main mathematical models for each component of the cooling system (compressors, condenser, expansion valve and evaporator) in the literature used in industrial refrigeration. It analyzes the main aspects relevant to the design of refrigeration systems, in addition to the sizing of the main component is shown the functioning of the refrigeration cycle and its main drinks.

Key-words: industrial cooling, Simulation, Project.

 RESUMO 3 Abstract 4 Sumário 5 1 O Histórico da refrigeração................................................................................7 1.1 Classificação da Refrigeração........................................................................10 1.1.2 Sistema de Compressão Mecânico de Vapor (CMV) 1 1.1.3 Sistema de Refrigeração por Absorção 12 1.1.4 Resfriadores de Líquido – Chiller 13 2 Fluidos Refrigerantes.......................................................................................14 2.1 Tipos de Fluidos Refrigerantes......................................................................15 2.2 Fluidos Alternativos Substitutos....................................................................16 2.3 Vantagens dos Fluidos Alternativos .............................................................17 3 Camada de Ozônio ...........................................................................................19 3.1 Como o Ozônio é Destruído? 21 4 Refrigeração Industrial.....................................................................................21 5 Componentes de um Sistema de Refrigeração.............................................2 5.1 Compressores 2 5.2 Trocadores de Calor 26 5.2.1 Condensadores 26 5.2.2 Processo de Condensação 27 5.2.3 Evaporadores 28 5.2.4 Processo de Evaporação 28 5.3 Dispositivo de Expansão 34 5.3.1 Válvula de Expansão Termostática 34 6 Fluxograma Industrial Completo.....................................................................36 6.1 Centrais de Refrigeração 37

Nos últimos anos, a indústria da refrigeração apresentou um progresso enorme e se tornou uma indústria gigantesca que movimenta bilhões de dólares todos os anos ao redor do mundo. Essa rápida expansão pode ser explicada por diversos fatores, entre eles, o desenvolvimento da mecânica de precisão e processos de fabricação sofisticados e o surgimento de compressores com motores elétricos de baixa potência; o que possibilitou o desenvolvimento dos refrigeradores e condicionadores de ar domésticos de pequeno porte. Outro fator importante foi à evolução dos fluidos refrigerantes. Os sistemas de refrigeração, cada vez mais, têm sido utilizados, tanto para proporcionar conforto, quanto para processos industriais.

Os sistemas de condicionamento de ar para conforto, embora ainda considerados um luxo por algumas pessoas, mostram-se cada vez mais necessários e presentes em nosso dia-a-dia. Tais sistemas visam o controle da temperatura, umidade, pureza e distribuição do ar, no sentido de proporcionar conforto aos ocupantes de um determinado recinto. As instalações de ar condicionado para conforto podem variar em tamanho e complexidade, e podem ter diversas aplicações, tais como: edifícios comerciais, residências, shopping, veículos, etc.

Já os sistemas de condicionamento de ar para finalidades industriais visam o tratamento do ar, tanto para proporcionar condições mínimas de conforto a os trabalhadores em ambientes insalubres, quanto ao controle das condições do ar em um processo industrial. Quando se trata de refrigeração industrial, torna-se difícil resumir em poucas linhas quais são as principais aplicações, porque é utilizada em muitos tipos diferentes de indústrias e em processos de manufatura extremamente diversificados entre eles estão: indústria alimentícia, farmacêutica, médica e hospitalar, metalúrgica e de transformação de metais e plásticos, etc.

Diante desse cenário, fica evidente a importância de um sistema de refrigeração bem dimensionado. O objetivo principal do trabalho é apresentar uma base do sistema de refrigeração, seus componentes e principais modelos matemáticos.

Muitos dos trabalhos hoje realizados, só foram possíveis por que tivemos mentes brilhantes que nos antecederam.

”Se eu enxerguei um pouco mais além do que outro homem, foi porque subi em ombros de gigantes” (Isaac Newton).

1. O Histórico da refrigeração

O emprego dos meios de refrigeração já era do conhecimento humano mesmo na época das mais antigas civilizações. Pode-se citar a civilização chinesa que, muitos séculos antes do nascimento de Cristo, usavam o gelo natural (colhido nas superfícies dos rios e lagos congelados e conservado com grandes cuidados, em poços cobertos com palha e cavados na terra) com a finalidade de conservar o chá que consumiam. As civilizações gregas e romanas que também aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas, a custo do braço escravo, para o preparo de bebidas e alimentos gelados.

Já a civilização egípcia, que devido a sua situação geográfica e ao clima de seu país, não dispunham de gelo natural, refrescavam a água por evaporação, usando vasos de barro, semelhantes às moringas¹, tão comuns no interior do Brasil. O barro, sendo poroso, deixa passar um pouco da água contida no seu interior, a evaporação desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema. Entretanto, durante um largo período de tempo, na realidade muitos séculos, a única utilidade que o homem encontrou para o gelo foi a de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar seu paladar.

¹ Moringa é um vaso de barro arredondado, de gargalo estreito para água.

No final do século XVII, foi inventado o microscópio e, com o auxílio deste instrumento, verificou-se a existência de microorganismos (micróbios e bactérias) invisíveis à vista sem auxilio de um instrumento dotado de grande poder de ampliação. Os micróbios existem em quantidades enormes, espalhados por todas as partes, água, alimentos e organismos vivos.

Estudos realizados por cientistas, entre eles o célebre químico francês Louis Pasteur, demonstraram que alguns tipos de bactérias são responsáveis pela putrefação dos alimentos e por muitos tipos de doenças e epidemias. Ainda através de estudos, ficou comprovado que a contínua reprodução das bactérias podia ser impedida em muitos casos ou pelo menos limitada pela aplicação do frio, isto é, baixando suficientemente a temperatura do ambiente em que os mesmos proliferam. Essas conclusões provocaram, no século XVIII, uma grande expansão da indústria do gelo, que até então se mostrava eficiente.

Contudo, o uso do gelo natural trazia consigo uma série de inconvenientes que prejudicavam seriamente o desenvolvimento da refrigeração, tornando-a de valia relativamente pequena. Assim, ficava-se na dependência direta da natureza para a obtenção da matéria primordial, isto é, o gelo, que só se formava no inverno e nas regiões de clima bastante frio. O fornecimento, portanto, era bastante irregular e, em se tratando de países mais quentes, era sujeita a um transporte demorado, no qual a maior parte se perdia por derretimento, especialmente porque os meios de conservá-lo durante este transporte eram deficientes. Mesmo nos locais onde o gelo se formava naturalmente, isto é, nas zonas frias, este último tinha grande influência, pois a estocagem era bastante difícil, só podendo ser feita por períodos relativamente curtos.

Por este motivo, engenheiros e pesquisadores voltaram-se para a busca de meios e processos que permitissem a obtenção artificial de gelo, liberando o homem da dependência da natureza. Em conseqüência desses estudos, 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, este, baseado no principio da absorção, descoberto em 1824 pelo físico e químico inglês Michael Faraday. Durante por cerca de meio século os aperfeiçoamentos nos processos de fabricação de gelo artificial foram se acumulando, surgindo sistematicamente melhorias nos sistemas, com maiores rendimentos e melhores condições de trabalho. Entretanto, a produção propriamente dita fez poucos progressos neste período, em conseqüência da prevenção do público consumidor contra o gelo artificial, pois apesar de todos estarem cientes das vantagens apresentadas pela refrigeração, era crença geral que o gelo produzido pelo homem era prejudicial à saúde humana.

Tal crença é completamente absurda, mas como uma minoria aceitava o gelo artificial, o seu consumo era relativamente pequeno. Todavia, a própria natureza encarregou-se de dar fim a tal situação. Em 1890, o inverno nos Estados Unidos, um dos maiores produtores de gelo natural da época, 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 artificial, quebrando o tabu existente contra este último e mostrando, inclusive, que o mesmo era ainda melhor que o produto natural, por ser feito com água mais pura e poder ser produzido à vontade, conforme as necessidades de consumo.

A utilização do gelo natural levou a criação, no princípio do século XIX, das primeiras geladeiras. Tais aparelhos eram constituídos simplesmente por um recipiente, quase sempre isolado por meio de placas de cortiça, dentro do qual eram colocadas pedras de gelo e os alimentos a conservar, ver figura abaixo. A fusão do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e reduzia, de forma considerável, a temperatura no interior da geladeira.

Figura 1 – Geladeira primitiva Surgiu, dessa forma, o impulso que faltava à indústria de produção mecânica de gelo. Uma vez aceito pelo consumidor, a demanda cresceu vertiginosamente e passaram a surgir com rapidez crescente às usinas de fabricação de gelo artificial por todas as partes.

Apesar da plena aceitação do gelo artificial e da disponibilidade da mesma para todas as classes sociais, a sua fabricação continuava a ter de ser feita em instalações especiais, às usinas de gelo, não sendo possível a produção do mesmo na própria casa dos consumidores. Figura típica da época era o geleiro, que, com sua carroça isolada, percorria os bairros, entregava nas casas dos consumidores, periodicamente, as pedras de gelo que deviam ser colocadas nas primeiras geladeiras.

No alvorecer do século X, começou a se disseminar outra grande conquista a eletricidade. Os lares começaram a substituir os candeeiros de óleo e querosene e os lampiões de gases, pelas lâmpadas elétricas, notável invenção de Edison, e a dispor da eletricidade para movimentar pequenas máquinas e motores. 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 à 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.

1.1 Classificação da Refrigeração

A área de refrigeração cresceu de tal maneira no último século que acabou por ocupar os mais diversos campos. Para conveniência de estudos, as aplicações da refrigeração podem ser classificadas dentro das seguintes categorias: doméstica, comercial, industrial, para transporte e para condicionamento de ar. A refrigeração doméstica abrange principalmente a fabricação de refrigeradores de uso doméstico e de freezers. A capacidade dos refrigeradores domésticos varia muito, com temperaturas na faixa de -8°C a -18°C (no compartimento de congelados) e +2°C a +7°C (no compartimento dos produtos resfriados).

A refrigeração comercial abrange os refrigeradores especiais ou de grande porte usados em restaurantes, sorveterias, bares, açougues, laboratórios, etc. As temperaturas de congelamento e estocagem situam-se, geralmente, entre -5°C a -30°C. Como regra geral, os equipamentos industriais são maiores que os comerciais (em tamanho) e têm como característica marcante o fato de requererem um operador de serviço.

São aplicações típicas industriais as fábricas de gelo, grandes instalações de empacotamento de gêneros alimentícios (carnes, peixes, aves), cervejarias, fábricas de laticínios, de processamento de bebidas concentradas e outras.

A refrigeração marítima refere-se à refrigeração a bordo de embarcações e inclui, por exemplo, a refrigeração para barcos de pesca e para embarcações de transporte de cargas perecíveis.

A refrigeração de transporte relaciona-se com equipamentos de refrigeração em caminhões e vagões ferroviários refrigerados.

Como podemos observar, as aplicações da refrigeração são as mais variadas, sendo de certa forma bastante difícil estabelecer de forma precisa a fronteira de cada divisão.

1.1.2Sistema de Compressão Mecânico de Vapor (CMV)

Pode-se entender a lógica de funcionamento dos principais sistemas de refrigeração atuais estudando o funcionamento de um refrigerador doméstico comum, também conhecido como sistema de compressão mecânica de vapor (figura 1.2.2).

Ele funciona a partir da aplicação dos conceitos de calor e trabalho, utilizando-se de um fluido refrigerante. O fluido refrigerante, como dito anteriormente, é uma substância que, circulando dentro de um circuito fechado, é capaz de retirar calor de um meio enquanto se vaporiza a baixa pressão. Este fluido entra no evaporador a baixa pressão, na forma de mistura de líquido mais vapor, e retira energia do meio interno refrigerado (energia dos alimentos) enquanto passa para o estado de vapor. O vapor entra no compressor onde é comprimido e bombeado, tornando-se vapor superaquecido e deslocando-se para o condensador, que tem a função de liberar a energia retirada dos alimentos e a resultante do trabalho de compressão para o meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor superaquecido para líquido (condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde tem sua pressão reduzida, para novamente ingressar no evaporador e repetir-se assim o ciclo. Esse processo é ilustrado através das figuras 1.1.2 e 1.2.2.

Figura 1.2.1 – Diagrama de refrigeração Figura 1.2.2 – Refrigerador doméstico

1.1.3Sistema de Refrigeração por Absorção

O funcionamento da refrigeração por absorção se baseia no fato de que os vapores de alguns fluidos refrigerantes conhecidos são absorvidos por certos líquidos ou soluções salinas. Se esta solução formada (vapor de refrigerante mais líquido absorvente) é aquecida verifica-se uma separação entre o líquido e o vapor, onde o vapor pode ser condensado e aproveitado para produção de frio, como nas instalações de compressão a vapor. Na figura a seguir, ilustra-se um sistema de absorção típico.

O sistema de refrigeração por absorção mais comum é aquele que usa amônia (NH3) como fluido refrigerante, e a água como absorvente. Estas máquinas têm a vantagem de utilizar energia térmica em lugares onde a energia elétrica não é disponível ou tem custo elevado.

O sistema por absorção não apresenta partes internas móveis o que lhe garante um funcionamento silencioso e sem vibração, reduzindo assim os gastos com a manutenção.

Para que o sistema funcione, primeiro a solução de amônia e água existente no absorvedor absorve vapor de amônia a baixa pressão vindo do evaporador. O passo seguinte é elevar a pressão do líquido com uma bomba e induzi-lo para o gerador, componente onde a aplicação de energia térmica garante a separação da água e da amônia, que segue para o condensador. A água retorna para o absorvedor após ter sua pressão reduzida. Ao passar pelo condensador a amônia transforma-se da fase de vapor para líquida, liberando energia para o meio externo. Logo após sair do condensador a amônia tem sua pressão reduzida para ingressar no evaporador e retirar energia do meio interno que desejamos resfriar. Neste processo a amônia passa do estado líquido para vapor, que será absorvido pela solução do absorvedor, reiniciando todo o ciclo.

Figura 1.3 – Diagrama de refrigeração

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