Refrigeração: conceitos básicos, aplicações, etc. Prof. Mario H. Macagnan Fevereiro, 2015

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1 Refrigeração: conceitos básicos, aplicações, etc. Prof. Mario H. Macagnan Fevereiro, 2015 Refrigeração Pode-se definir refrigeraçãocomo 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. 1

2 Aplicações 3 Aplicações Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada. 2

3 Aplicações Aumento do tempo de prateleira dos produtos perecíveis: 1frango; 2peixe; 3carne; 4banana; 5laranja; 6maçã; 7ovos; 8maçã. armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono. Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento. 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 3

4 Aplicações 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 arcondicionado é de extrema importância. ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo. 4

5 Aplicações 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. 5

6 Fonte: Hundy, G.F.; Trott, A.R.; Welch, T.C., 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. 6

7 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, FredericTudor, 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. 7

8 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 ton. de gelo para vários países, incluindo China e Austrália. Com o advento da refrigeração artificial o mercado foi diminuindo gradualmente até seu desaparecimento. Venda de barras de gelo na Europa Vagão refrigerado, patenteado em Distribuição de gelo,

9 Ice house, capaz de armazenar o gelo durante meses. Ice houseconstruida no Irán

10 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. 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. 10

11 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. William Cullen, Escócia 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

12 Em 1834, Jacob Perkins obteve a patente de uma máquina de compressão de vapor, surgindo então, o conceito moderno de refrigeração. Essa máquina tornou-se mais útil com as modificações introduzidas por John Hague: 12

13 James Harrison, produziu a primeira máquina de refrigeração, em 1851, patenteando o ciclo de compressor de vapor com éter em Os primeiros refrigeradores domésticos eram chamados de Ice Box. Funcionavam de maneira descontínua uma vez que necessitam constante reposição de gelo

14 No 1 Congresso Internacional de Refrigeração (Paris, 1908), o reverendo Marcel Audiffrenapresentou seu invento: uma máquina doméstica para produzir gelo contida dentro de um vaso hermético. 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 (NH 3 ) como refrigerante; O CO 2 foi inicialmente utilizado em 1886, por Franz Windhausen, e largamente utilizado em refrigeração naval até os anos 1960; Outros refrigerantes utilizados: SO 2, C 2 H 5 Cl, R-600a (em 1920 por E. Copeland; o dicloroetileno por Carrier entre 1922 a 1926 em compressores centrífugos). 14

15 Em 1920 surgiram os primeiros refrigeradores domésticos: no primeiro ano foram fabricados cerca de unidades; após dez anos 1 milhão e em 1935 atingiram a marca de 6 milhões de unidades. A disseminação do uso destes equipamentos ficou severamente limitada em função dos refrigerantes utilizados (SO 2 e metanoato de metila), altamente tóxicos. Compressor General Electric "Monitor-Top" refrigerator, introduced in

16 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 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. 16

17 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 3 2 Processos: 1-2: compressão adiabática e isoentrópica; 2-3: rejeição isotérmica de calor; : expansão adiabática e isoentrópica; 4-1: recebimento isotérmico de calor; S 17

18 O Ciclo Ideal de Carnot T T 2 3 Q C Trabalho líquido 2 T S S T COP = = 1 T T S S T T T 1 4 Q E Efeito de refrigeração 1 s 3 = s 4 s 2 = s 1 s O ciclo de Joule T e 3-4 compressão e expansão isentrópica; 3 Carnot A 2-3 e 4-1 resfriamento e aquecimento à pressão constante; B 1 4 S 18

19 Condição ideal T s Um pouco mais real T S 19

20 O ciclo padrão P P C 3 Q C s 2 = s 1 2 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h Sub-resfriamento e super-aquecimento 20

21 Trocador de calor na linha de sucção Super aquecimento Controle do super aquecimento através de válvula de expansão 21

22 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. A camada de ozônio Fóton ultra violeta (UV) + O 2 O O + O O 2 O 3 + O 3 O O 2 + O O 2 O 3 22

23 A camada de ozônio Cl F C + C CFCl 3 Cl CFCl 2 Cl + O 3 O 2 + ClO + + O ClO Cl O 2 A camada de ozônio 23

24 A camada de ozônio O Protocolo de Montreal Data Redução da produção e consumo CFC 1 janeiro % nível de janeiro % nível de janeiro % nível de janeiro % nível de 1986 HCFC 1 janeiro ,1% consumo CFC+HCFC janeiro % da situação de janeiro % da situação de janeiro % da situação de janeiro ,5% da situação de janeiro % da situação de Revisão de Copenhagen,

25 A influência do Protocolo de Montreal Refrigerantes 25

26 Refrigerantes Classificação de riscos Higher Flammability Lower Flammability A: sem evidências de toxicidade Lower Toxicity A3 A2 Higher Toxicity B3 B2 No Flame Propagation A1 B1 B: evidências de toxicidade para concentrações > 400 ppm (por volume) 1: sem propagação de chama (20 C e p atm ) 2: baixo limite de flamabilidade 3: alto limite de flamabilidade 26

27 Classificação Classificação dos refrigerantes, ASHRAE Refrigerante 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 27

28 Ciclo de Lorentz T refrigerante T refrigerante FTC FTC FTC FTC refrigerante refrigerante S S 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 SF 6 ). Sistemas empregando refrigerantes com GWP > 150 devem ser submetidos a rigorosos controles de vazamento, função da carga do sistema. 28

29 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 Solução encontrada atualmente: Solstice yf (HFO 1234yf) composto orgânico fluorado hidro-fluoro-olefina (1=ligações duplas; 2= C; 3 = H e 4 = F) 58 29

30 59 Sistemas secundários 30

31 Hidrocarbonetos Hidrocarbonetos Comparação do calor latente de vaporização, kj/kg Calor Latente (kj/kg) R12 R22 R134a R600a R290 R600a/R

32 Hidrocarbonetos Comparação de volumes específicos, em m 3 /kg 0,4 0,35 Volume específico 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 R12 R22 R134a R600a R290 R600a/R290 0,05 0 Sistemas tipo Cascata 32

33 Ciclo com CO 2 Outros ciclos: o ciclo de absorção 33

34 Outros ciclos: o ciclo de absorção P Hot water circuit Q& GEN P CON Q& CON CONDENSER 9 RECTIFIER 7 GENERATOR P INT P EVA REFRIGERANT HEAT EXCHANGER EVAPORATOR WATER COOLED ABSORBER 2 SOLUTION PUMP Q& WCA W& PUMP Hot water circuit 15 6 SOLUTION COOLED ABSORBER Q& EVA Chilled water circuit T 67 Equipamento comercial de absorção 34

35 Outros ciclos: refrigeração magnética O princípio está baseado no efeito magneto-calórico, uma propriedade intrínseca de materiais magnéticos. Outros ciclos: refrigeração termo-acústica 35

36 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. 36