Máquinas Térmicas IV (Refrigeração)

Máquinas Térmicas IV (Refrigeração)

(Parte 1 de 5)

PARTE I - HISTÓRICO, DIAGRAMA DE MOLLIER, REFRIGERANTES3
O HISTÓRICO DA REFRIGERAÇÃO4
DEFINIÇÕES6
Calor e Transmissão de Calor6
Terminologia utilizada em refrigeração8
DIAGRAMAS DE MOLLIER23
CICLO DE REFRIGERAÇÃO24
REFRIGERANTES29
O que é um Refrigerante ?29
A Reunião de Copenhague29

Sumário

30
Refrigerantes Alternativos46
PARTE I - CICLO DE COMPRESSÃO, BALANÇO DE ENERGIA50
INTRODUÇÃO51
CICLO TEÓRICO SIMPLES51
CICLO REAL SIMPLES53
BALANÇO DE ENERGIA PARA O CICLO53
Capacidade Frigorífica do Ciclo54
Potência Teórica do Compressor54
Fluxo de Calor Rejeitado no Condensador5
Válvula de Expansão56
Trocador de Calor Intermediário56
Parâmetros que Influenciam a Eficácia (β) do Ciclo de Refrigeração57
PARTE I - COMPONENTES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO63
TROCADORES DE CALOR64
Condensadores64
Evaporadores73
DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO81
Tubo Capilar81
Válvulas de Expansão86
COMPRESSORES94
Compressores Alternativos97
Compressores de Parafuso116
Compressores de Palhetas (Rotativos)122
Compressores Centrífugos123
Compressores Scroll126
Compressores Automotivos128

3 Parte I - Histórico, Diagrama de Mollier, Refrigerantes

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, usava 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.

No final do século XVII, foi inventado o microscópio e, com o auxílio deste instrumento, verificou-se a existência de microorganismos (micróbios, bactérias) invisíveis à vista sem auxílio 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, i.e., 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 incipiente.

Antes da descoberta, os alimentos eram deixados no seu estado natural, estragandose rapidamente. Para conservá-los por maior tempo era necessário submetê-los a certos tratamentos como a salgação, a defumação ou o uso de condimentos. Esses tratamentos, na maioria dos casos, diminuíam a qualidade do alimento e modificavam o seu sabor. Com a descoberta, abria-se a possibilidade de se conservar os alimentos frescos, com todas as suas qualidades, durante um período de tempo maior.

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, i.e., 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 bastante deficiente. Mesmo nos locais onde o gelo se formava naturalmente, i.e., nas zonas frias,

1 Moringa: s.f. Vaso bojudo, de gargalo estreito para água, ordinariamente de barro.

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 um outro tipo de mecanismo para a fabricação do gelo artificial, este, baseado no princípio 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 tabú 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 (Figura 1).

Figura 1 – Geladeiras de Gelo

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. A fusão do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e reduzia, de forma considerável, a temperatura no interior da geladeira.

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 as 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, as 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 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.

Definições

Calor e Transmissão de Calor

A matéria pode apresentar-se em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso.

Contudo, dependendo da temperatura e da pressão, uma mesma espécie de matéria pode apresentar-se em qualquer outro estado físico. A água, por exemplo, pode ser encontrada nos estados sólido, líquido e gasoso.

Fazer uma substância mudar de estado físico é simplesmente vencer as forças de atração e de repulsão existentes entre as partículas que a constituem. De acordo com o modo como são processadas, as mudanças de estado físico ou mudanças de fase recebem nomes especiais.

A Fusão e a Vaporização são transformações que absorvem calor e por isso são chamadas endotérmicas. A Solidificação e a Liquefação se processam com desprendimento de calor e são denominadas exotérmicas.

Conforme a maneira de se processar a vaporização, que é a passagem do estado líquido para o gasoso, ela recebe nomes diferentes. A evaporação ocorre mediante um processo lento que se verifica apenas na superfície do líquido, seja qual for a sua temperatura. A ebulição se dá mediante um processo tumultuoso, e a vaporização se verifica em toda a massa líquida. Ela ocorre numa determinada temperatura, chamada temperatura de ebulição, que pode variar de acordo com a pressão. A calefação é um processo rápido, numa temperatura superior à temperatura de ebulição da substância (é o que acontece quando se joga água numa chapa de fogão bem aquecida)

Todos os corpos possuem energia térmica, que é a energia associada ao estado de agitação das partículas que o compõem. A temperatura é a medida dessa agitação. Quanto maior a temperatura, mais agitadas estão as partículas, i.e., mais energia térmica está presente. Todavia, um aumento da energia térmica não eleva necessariamente a temperatura de um corpo, notadamente quanto este corpo está sofrendo uma mudança de estado físico. Quando o gelo, e.g., está se fundindo, i.e., passando para o estado líquido, a temperatura de fusão permanece constante, apesar do aumento de energia térmica.

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, espontaneamente há transferência de energia térmica do corpo mais quente para o mais frio, até ser atingido o equilíbrio térmico. Isso é transmissão de calor, e pode ocorrer segundo três processos diferentes: Condução, convecção e radiação.

Condução é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para outro através de partículas existentes entre eles. Na região mais quente as partículas têm mais energia e vibram com maior intensidade; essa vibração se transmite de molécula para molécula até o extremo oposto, espalhando calor pelo corpo inteiro.

Convecção é o processo de transmissão de calor com formação de correntes em que as moléculas de matéria sobem e descem. A convecção só ocorre em fluidos (líquidos e gases). A convecção pode ser natural, quando ocasionada por diferença de densidades devido à diferença de temperaturas entre as massas do fluido, ou forçada, quando ocasionada por bombas ou ventiladores.

No verão, o ar resfriado deve ser introduzido nas salas pela parte superior para que, devido a sua densidade, desça e provoque a circulação de ar. No inverno, o ar quente deve ser introduzido pela parte inferior da sala. Se ocorresse o contrário, o ar frio (mais denso) continuaria embaixo e o ar quente (menos denso) continuaria em cima, não havendo, portanto, circulação.

Nos refrigeradores residenciais, o evaporador é sempre instalado na parte superior, para que o ar resfriado desça, dando lugar ao ar mais quente, que sobe ao receber calor dos alimentos e da abertura de portas. As prateleiras são gradeadas para possibilitar a convecção do ar no interior do refrigerador.

Radiação é o processo de transmissão de calor no vácuo ou num meio material.

No entanto, nem todos os meios materiais permitem a propagação das ondas de calor através deles. Desta forma, podemos classificar os meios materiais em diatérmicos e atérmicos, conforme eles permitam ou não a propagação das ondas de calor, respectivamente. O ar atmosférico permite e por isso é um meio diatérmico. Uma parede de tijolos não permite e por isso é um meio atérmico.

É importante salientar que toda energia radiante, como ondas de rádio, radiações infravermelhas, luz visível, luz ultravioleta, raios X e outras, podem converter-se em energia térmica por absorção. Entretanto, só as radiações infravermelhas são chamadas ondas de calor, i.e., radiações térmicas. A energia radiante não aquece o meio em que se propaga, mas só o meio pelo qual é absorvida, deixando então de ser energia radiante.

Quando uma fonte térmica emite calor, há uma distinção entre calor luminoso e calor obscuro. O primeiro é o que vem acompanhado de luz (sol, lâmpada incandescente), enquanto que o segundo não é acompanhado de luz (forno, ferro de passar roupa). É fato conhecido que os corpos de cores escuras são bons absorventes e bons emissores de calor e que os corpos de cores claras são maus absorventes e maus emissores de calor, porém bons refletores. Os condensadores dos refrigeradores são pintados com tinta escura para facilitar a emissão do calor pela radiação ao ambiente.

Terminologia utilizada em refrigeração

Água Gelada

Meio refrigerante que retira calor da área a ser refrigerada e cede calor ao resfriador.

Almofada de ar

Ar preso em tubulações e equipamentos, como radiadores, etc., que impede a máxima transferência de calor; ar preso no lado da sucção de uma bomba, causando perda de sucção.

Amônia Comercialmente chamada de anidra, é um refrigerante (NH3).

Anidro Isento de água, especialmente de água de cristalização

Ar saturado

É uma mistura de ar seco e de vapor d’água saturado. Mais precisamente é o vapor d’água que é saturado e não o ar.

Ar não saturado É uma mistura de ar seco e vapor d’água superaquecido.

Bombas de baixo e alto vácuo

As bombas de vácuo são usadas para evacuar e desidratar a unidade selada. Podem ser de baixo e de alto vácuo. Bombas de baixo vácuo são aquelas que não podem produzir um vácuo superior a 685,8 m Hg ou 27”. Portanto, teoricamente, uma bomba de baixo vácuo atingirá, no máximo, um vácuo de 685,8mm Hg ou 27”.

Bombas de alto vácuo são as que produzem um vácuo acima de 736 m Hg ou 29”. Essas bombas atingem, no máximo, um vácuo de 760mm Hg ou 29,92”.

Figura 2 – Bomba de Vácuo

Calor Específico

Calor Específico indica a quantidade de calor que cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura possa variar de um grau. É uma característica natural da substância, isto é, cada substância tem seu calor específico. Os metais são substâncias de baixo calor específico, por isso, quando cedem calor sofrem grandes variações de temperatura.

O calor específico depende do estado físico do sistema, sendo maior no estado líquido do que no sólido. O calor específico dos sólidos e líquidos mudará consideravelmente se o intervalo de variação da temperatura for muito grande. Para os gases, o calor específico também varia com a pressão e o volume.

Caloria

Quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um quilograma de água destilada de 1ºC.

Calorimetria

A calorimetria estuda a medida das quantidades de calor trocadas entre sistemas com diferentes temperaturas colocados em contato.

O Calor já era investigado quantitativamente bem antes de ser demonstrada sua natureza energética, o que levou os pesquisadores a estabelecer o conceito de quantidade de calor. Sendo o calor uma forma de energia, sua quantidade pode ser medida com a mesma unidade com que se medem outras formas. No Sistema Internacional (SI) de unidades, a quantidade de calor é medida em Joule (J). Entretanto, no campo da refrigeração são usadas outras unidades, como a caloria (cal) e a quilocaloria (kcal). Os países de língua inglesa usam o British Thermal Unit (BTU) como unidade.

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