XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL

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1 XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL PROJETO DE CÂMARA FRIGORÍFICA PARA ARMAZENAMENTO DE CARNE BOVINA EM UM SUPERMERCADO DE MÉDIO PORTE Mateus de Souza Goulart (1) (mateus11goulart@hotmail.com), Leonardo Sousa Santos (1) (leonardo95sousa@gmail.com), Ismael de Marchi Neto (1) (ismaelneto@utfpr.edu.br) (1) Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) RESUMO: No presente trabalho foram realizadas as análises de dimensionamento dos equipamentos da câmara frigorífica de um supermercado de médio porte. As cargas térmicas foram determinadas conforme a capacidade real de armazenamento de carcaças de carne bovina e condições de operação. Estimou-se as cargas térmicas relativas a transferência de calor pelas áreas de superfície, a infiltração de calor, aos produtos refrigerados, a ocupação, a iluminação, aos motores e as embalagens, com base nas normas regulamentadoras vigentes e catálogos de fabricantes de equipamentos de refrigeração. A partir do cálculo da carga térmica total constatou-se que o equipamento já instalado apresentou capacidade de refrigeração inferior em relação ao calculado de aproximadamente 30%, devido principalmente a infiltração de calor e a temperatura estimada dos produtos presentes no interior da câmara fria. As consequências imediatas desse subdimensionamento tem um impacto direto no consumo de energia elétrica, bem como nas interrupções do sistema de refrigeração devido ao acionamento dos sistemas de proteção. ABSTRACT: On this article the analysis of a medium size cold chamber components was carried out. The thermal loads were determined according to the actual storage capacity of beef carcasses and operating conditions. Thermal loads related to heat transfer by surface areas, heat infiltration, refrigerated products, occupancy, lighting, motors and packaging were estimated based on current regulatory standards and catalogs of equipment manufacturers. From the value of the total thermal load, it was verified that the equipment already installed had a lower cooling capacity than the theoretical calculated of approximately 30%, mainly due to the infiltration of heat and the estimated temperature of the products present inside the cold room. The immediate consequences of this under-dimensioning have a direct impact on the consumption of electrical energy as well as on the interruptions of the cooling system due to the activation of the protection systems. PALAVRAS-CHAVE: câmara frigorífica, refrigeração, evaporador, condensador, carne bovina, dimensionamento. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

2 1. INTRODUÇÃO O gelo e a neve foram as primeiras substâncias frias utilizadas para remover calor das substâncias, sendo os chineses os primeiros a utilizar o gelo como refrigerante. Os gregos e romanos utilizavam escravos para buscar neve no topo das montanhas, essa neve era enterrada em buracos, para derreter mais lentamente e posteriormente utilizada na produção de doces gelados. Roça (2013). Com o descobrimento do microscópio, os estudos sobre bactérias, enzimas e fungos avançaram. Os cientistas descobriram que esses organismos microscópicos só se multiplicam se houver calor, pois em temperaturas abaixo de 10 C negativos eles pareciam hibernar. Os microrganismos não eram eliminados em temperaturas mais baixas, porém tinham o seu crescimento contido, por isso os alimentos eram mantidos em seu estado natural. Roça (2013). Em 1856 foi construída pelo australiano James Harrison a primeira máquina refrigerante que utilizava do princípio da compressão a vapor, sendo contratado por uma fábrica de cerveja que precisava refrigerar seu produto durante a fabricação. Roça (2013). Uma câmara frigorífica é basicamente um espaço de armazenagem, que possui as suas condições internas controladas por um sistema de refrigeração, para garantir que os produtos tenham maior conservação. Existem basicamente dois tipos de câmara frigorífica, as de resfriamento que diminuem temperatura até próximo a de congelamento, e as de câmaras de congelamento que trabalham com temperaturas inferiores as de resfriamento (Roça, 2013). Para se manter as condições desejadas de temperatura e umidade relativa, a câmara deve remover calor do ambiente, denominado carga térmica. Para estimar a carga térmica é preciso algumas informações como natureza do produto, frequência de abastecimento dos produtos durante a semana, temperaturas dos produtos ao entrarem nas câmaras; quantidade diária de produto na câmara, tipo de embalagem utilizada, temperatura interna; umidade relativa interna e externa; duração da estocagem por produto, entre outros. O número de fatores abordados para o cálculo da carga, depende das considerações. Roça (2013). Com base nessas informações o presente trabalho tem como objetivo dimensionar os equipamentos de uma câmara frigorífica já existente, para armazenamento de carne bovina em um supermercado de médio porte situado na cidade de Londrina PR. Para isso, estimou-se a carga térmica total por meio das normas regulamentadoras, determinando assim a especificação de um sistema de refrigeração com base em catálogos de fabricantes específicos. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 2

3 2. ARMAZENAMENTO DE CARNE O armazenamento e a conservação de carnes constituem uma necessidade básica atualmente. A conservação da carne tem por objetivo retardar ou evitar alterações que reduzem sua qualidade ou a inutilizam como alimento. As principais causas de alterações são do tipo microbiano, químico e físico. Dessa forma, a refrigeração se inicia com o esfriamento de carcaças logo após o abate, e segue no transporte, manipulação, armazenamento e exposição de cortes para a venda. Produtos cárneos processados devem ser manipulados a baixas temperaturas de refrigeração, desde sua elaboração até o seu consumo. Brasil (2004). Na refrigeração de carnes são empregadas temperaturas de - 1 a 5 C, e no congelamento são usadas temperaturas inferiores ao ponto crioscópico (-2 C). Em temperaturas abaixo de -2 C, o produto se congela, diminuindo a velocidade das reações químicas e enzimáticas e modificando seu estado físico. Andrade (2016). 3. DIMENSIONAMENTO DA CAMARA FRIGORÍFICA A câmara frigorífica analisada no supermercado apresenta as seguintes dimensões de 5m x 5m x 3m e capacidade de armazenagem em torno de 10 carcaças bovinas, com uma média de 250kg/carcaça. A Figura 1 ilustra o layout da câmara com o produto armazenado e seus componentes: FIGURA 1. Desenho esquemático da câmara frigorífica. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 3

4 3.1 Cálculo da carga térmica Para a determinação da carga térmica total da câmara frigorífica, faz-se necessário o cálculo da transmissão de calor (Qt), infiltração de calor (Qi), calor dos Produtos (Qp), carga de ocupação (Qo), carga de Iluminação (Qilu), carga devido aos motores (Qm) e carga das embalagens (Qe). 3.2 Carga térmica referente a transmissão de calor (Qt) Para o cálculo de Qt considera-se a transmissão do calor em todas as áreas de superfície da câmara frigorífica, ou seja, piso, teto e paredes, conforme Equação 1. Q t = A Fator 1 (1) Onde: Qt: Quantidade total de calor transferido (kcal); A: Área total das superfícies (m²); Fator 1: Coeficiente total de transmissão de calor (kcal/m².24h). Para determinação da área total das superfícies, tem-se que: A = 2 (5 5) + 2 (5 3) + 2 (5 3) = 110 m² (2) Para determinar o fator 1, primeiramente verificou-se que o isolamento da câmara frigorífica é constituída de poliuretano na forma de painel, com 100 mm de espessura. Para tanto calculou-se a temperatura média a partir da temperatura de 31 C (Temperatura de bulbo seco), segundo a norma NBR 6401, e temperatura interna estimada de -1 C. Dessa forma: T = 31 ( 1) = 32 C (3) Com o cálculo da diferença de temperatura e a espessura do isolamento, pode-se obter através da Tabela 1 o Fator 1 de 133 kcal/m².24h, interpolando para os valores de T igual a 32 C: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 4

5 TABELA 1. Coeficiente total de transmissão de calor em kcal/m².24h. Fonte: Tecumseh (2015). Assim, a carga térmica devido a transmissão de calor é calculada a partir da Equação 4. Qt = 110m² 133 kcal/m² = kcal (4) 3.3 Carga térmica devido a infiltração de calor (Qi) Para o cálculo da carga térmica devido a infiltração, utilizou-se a Equação 5. Qi = V N Fator 2 Fator 3 (1 E) (5) Onde: V: Volume da câmara frigorífica (m³); N: Número de abertura de portas; Fator 2: Troca de ar devido abertura de portas e infiltração em 24h; Fator 3: Ganho de energia por m³ de câmara, relacionado com as temperaturas e a umidade; E: Efetividade do dispositivo de proteção. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 5

6 Com o volume da câmara de 75m³, pode-se encontrar o Fator 2, interpolando os dados através da Tabela 2. TABELA 2. Troca de ar por abertura deportas ou infiltração em 24h. Fonte: Tecumseh (2015). Interpolando tem-se que o Fator 2 é 8,25. A câmara frigorífica está instalada em um supermercado na região de Londrina apresenta umidade em torno de 60% (NBR 6401, 1980) e temperatura interna de -1 C. Assim pode-se encontrar na Tabela 3, o Fator 3 igual a 23,25: TABELA 3. Temperatura necessária para resfriar até a temperatura da câmara. Fonte: Tecumseh (2015). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 6

7 Foi considerado também, a partir de informações de funcionários que a utilizavam, que a frequência de abertura de porta é de aproximadamente 60 vezes por dia, com efetividade de proteção E de 0,9 (Gimenez, 2013). Dessa forma: Q i = ,25 23,25 (1 0,9) = 86315,6 kcal (6) 3.4 Calor térmica dos Produtos (Qp) A partir da Equação 7, pode-se calcular a carga térmica devido ao calor dos produtos: Q p = m c T (7) Onde: Qp: quantidade de calor dos produtos (kcal); m: quantidade de carne armazena (kg); c: calor específico (kcal/kg. C); T: variação entre a temperatura de entrada do produto e a temperatura no interior da câmara frigorífica. Como a temperatura no interior da câmara é de -1 C, e verificou-se através de transportadoras que a carne é comumente mantida durante a movimentação e consequente entrada das carnes no interior da câmara na temperatura de 7 C (Resolução SESA, 2013). Portanto, variação entre a temperatura de entrada do produto e a temperatura no interior da câmara frigorífica é dada por: T = 7 ( 1) = 8 C (8) Ao observar a Tabela 4, pode-se encontrar o calor específico da carne da vaca fresca (3,22 kcal/kg. C), antes do congelamento. Dessa forma, calcula-se a carga térmica referente aos produtos a partir da Equação 9. Q p = 2500 kg 3,22 kcal kg. 8 = kcal (9) Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 7

8 TABELA 4. Constantes dos produtos. Fonte: Tecumseh (2015). 3.5 Carga térmica de ocupação (Q o ) Através da Equação 10, pode-se calcular a carga térmica devido ao calor de ocupação: Q o = nº de pessoas Fator 5 Tempo de permanência (10) Onde: Qo: calor de ocupação (kcal). Para fins de cálculo, verificou-se que apenas um trabalhador entra na câmara frigorífica, com tempo de permanência médio de 1 hora por dia. Assim, através da Tabela 5, pode-se obter o calor equivalente por pessoa. TABELA 5. Calor de ocupação. Fonte: Tecumseh (2015). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 8

9 Como a temperatura interna da câmara é de -1 C, tem-se um Fator 5 de 238 kcal/h. Assim, a carga térmica de ocupação é calculada utilizando a Equação 11. Q o = kcal h 1 h = 238 kcal (11) 3.6 Carga térmica de Iluminação (Qilu) A carga térmica referente a iluminação é calculada segundo a Equação 12. O fator 860 é referente a conversão de unidades de kw para kcal/h. Q ilu = P 860 Tempo de utilização (12) Onde: Qilu: quantidade de calor devido a iluminação (kcal); P: potência (kw). Verificou-se que na câmara frigorífica é utilizada apenas uma lâmpada de 10W, a qual permanece acesa, em média, 8 horas por dia. Assim, calcula-se o Qilu, conforme a Equação 13. Q ilu = (1 0,01 kw) 860 kcal h 18 h = 155 kcal (13) 3.7 Carga térmica devido aos motores (Qm) Equação 14. Para o cálculo da carga térmica dos motores elétricos presentes no evaporador, utilizou-se a Q m = ( n ventildores P ) 860 Tempo de utilização (14) Onde: Q m : quantidade de calor devido aos motores (kcal); P: potência (kw). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 9

10 Verificou-se que na câmara frigorífica são utilizados 6 ventiladores em conjunto com o evaporador, sendo a potência de cada motor igual a 0,364kW. Considerando a utilização dos ventiladores 24 horas por dia, tem-se que: Q m = (6 0,364 kw) 860 kcal h 24 h = kcal (15) 3.8 Carga térmica das embalagens (Qe) Como as carcaças não são embaladas na câmara frigorífica analisada, a carga térmica devido as embalagens é considerada igual a zero. 3.9 Carga térmica total (QTot) O somatório de todas as cargas calculadas fornecem o carga térmica total conforme apresentado na Equação 16. Q Tot = Q t + Q i + Q p + Q o + Q ilu + Q m + Q e = kcal (16) A distribuição das cargas térmicas pode ser observada através da Figura 2, com as devidas porcentagens do fatores predominantes. 31% 19% 7% 43% Transmissão de calor Qt Infiltração de calor Qi Produtos Qp Ocupação Qo Iluminação Qilu Motores Qm Embalagens Qe FIGURA 2. Distribuição das cargas térmicas. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 10

11 Considerando um fator de segurança de 10%, usualmente utilizado nos cálculos de dimensionamento de câmaras frigoríficas, tem-se que: Q Tot = kcal (17) 3.10 Carga térmica requerida (QR) Observou-se que o equipamento funciona em média de 18 horas por dia, de forma a possibilitar paradas para o degelo, possíveis manutenções, e também sobrecargas de capacidade, o que fornece através da Equação 18 a carga térmica requerida. Q R = Q T h = = kcal/h (18) 18 Convertendo de kcal/h para BTU/h, tem-se que: Q R = cal h 4 = BTU/h (19) BTU/h. Assim, os equipamentos que serão utilizados deverão possuir uma capacidade mínima de 4. COMPONENTES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO 4.1 Evaporador A unidade evaporadora é um trocador de calor que possui ventiladores para forçar o ar através da mesma. Tem como principal finalidade retirar o calor do ambiente aonde está instalada e transferir para o fluido refrigerante, o qual mudará de fase de líquido para vapor. Com base na carga térmica requerida calculada ( kcal/h) e a temperatura interna de trabalho (-1 C), tornou-se possível encontrar no catálogo do fabricante McQuay o evaporador mais adequado (Modelos FBA's - 6 aletas por polegada), conforme apresentado na Tabela 6. De acordo com o catálogo do fabricante, Dt é a diferença entre a temperatura interna desejada na câmara e a temperatura de evaporação, como a temperatura interna pretendida é de Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 11

12 0ºC e sabendo que o Dt especificado pelo fabricante é de 6 C, chega-se em uma temperatura de evaporação de -6 C. Como a temperatura de evaporação desejada não consta na Tabela 6 será utilizada a primeira temperatura inferior a essa para especificara unidade evaporadora, que é a temperatura de -10 C. Sabendo a carga térmica requerida e a temperatura de evaporação, buscou-se na Tabela 6 um modelo de unidade evaporadora que atendesse as especificações e esse modelo foi o FBA6630D. 4.2 Unidade condensadora A unidade condensadora é um conjunto que inclui compressor, unidade condensadora, um ou mais ventiladores, controles e uma base de montagem. O compressor possui a finalidade de comprimir o gás refrigerante que sai da unidade evaporadora, o condensador é um trocador de calor que tem o objetivo refrigerar o gás que vem do compressor até a condensação do mesmo e o ventilador serve para forçar o escoamento de ar através das aletas do condensador. Para a unidade condensadora o fabricante selecionado foi a Heatcraft modelo Nova unidade de compressão remota Fit (UCRF). TABELA 6. Especificação da unidade evaporador. Fonte: McQuay (2017). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 12

13 TABELA 7. Especificação da unidade condensadora. Fonte: Heatcraft (2017). Observa-se na Tabela 7 que a unidade compressora UCR1200BH4 atende à demanda desse projeto. Essa unidade condensadora utiliza R-134a como fluido refrigerante e seu compressor possui 1,2 HP. 4.3 VÁLVULA DE EXPANSÃO TERMOSTÁTICA A válvula de expansão termostática tem o papel de regular a passagem do fluxo de refrigerante no evaporador e consequentemente a quantidade de vapor que entra no compressor. O dispositivo de expansão também garante a redução de pressão do fluido que sai do condensador e entra no evaporador. Para especificação da válvula primeiramente é necessário a conversão da carga térmica requerida de BTU/h para TR (Toneladas de Refrigeração). Como 1 TR equivale a BTU/h, assim: Q R = , = 4,22 TR (20) Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 13

14 Para seleção da válvula utilizou-se o catálogo da Danfoss, conforme Tabela 8. TABELA 8. Especificações da válvula de expansão. Fonte: Danfoss (2017). O modelo de válvula escolhido foi o TGEN 10, a qual é uma válvula indicada para uso com gás R-134a. Esse modelo possui capacidade nominal de 7 TR e opera em uma faixa entre -40 C e 10 C. 5. CONCLUSÃO A partir dos dados encontrados na câmara fria do supermercado de médio porte na cidade de Londrina-PR, pode-se fazer um levantamento de todas as cargas térmicas envolvidas para refrigeração de 2500Kg em carne bovina. Consequentemente especificou-se os seguintes componentes para a câmara fria: evaporador da marca McQuay (modelo FBA6630D), unidade condensadora da marca Heatcraft (UCR1200BH4) e válvula de expansão da marca Danfoss (modelo TGEN 10). Ao comparar as cargas térmicas, observa-se que o sistema escolhido através dos dados calculados apresenta uma capacidade térmica superior em 30% quando comparado com o sistema já instalado. Esse fato pode ser explicado devido principalmente a infiltração de calor e a temperatura estimada dos produtos presentes no interior da câmara fria, as quais apresentam influência significativa no cálculo das cargas térmicas e consequentemente na capacidade térmica do equipamento a ser selecionado. De acordo com o modo de operação avaliado na presente câmara frigorífica nota-se que o equipamento já existente está subdimensionado. Uma das consequências imediatas desse subdimensionamento tem um impacto direto no consumo de energia elétrica, bem como nas interrupções do sistema de refrigeração devido ao acionamento dos sistemas de proteção. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 14

15 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ROÇA, Roberto de Oliveira. Refrigeração. Botucatu, Disponível em: < >. Acesso em: 15 jun Catálogo Evaporador McQuay Disponível em: < Acesso em: 15 jun Catálogo Unidade Condensadora Heatdraft Disponível em: < >. Acesso em: 19 jun Catálogo Válvula de Expansão Danfoss Disponível em: < Acesso em: 11 jun Cálculo de Carga Térmica Tecumseh Disponível em: < 0.pdf >. Acesso em: 01 jun ANDRADE, Alexandre. Qualidade - Carnes Disponível em: < Acesso em: 10 jul AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA. Resolução RDC nº 216 Regulamento Técnico de Boas Práticas para Serviços de Alimentação. Brasil, Resolução Sesa Secretária de Saúde Disponível em: < >. Acesso em: 25 jul GIMENEZ, Alex. Projeto de um entreposto frigorífico com análise da barreira de vapor, carga térmica e do ciclo de refrigeração. Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em: 25 jul Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 15