MERCOFRIO 2000 CONGRESSO DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAÇÃO, AQUECIMENTO E VENTILAÇÃO DO MERCOSUL PREVISÃO SIMPLIFICADA DO CONSUMO DE ENERGIA DE UM FREEZER COMERCIAL PARA REFRIGERAÇÃO DE ALIMENTOS Fernando Newton Raimundo Junior raimundo@mecanica.ufu.br Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Camus Santa Mônica, Bloco 1M, 38400-902, Uberlândia, MG, Brasil. João Manoel Dias Pimenta imenta@mecanica.ufu.br Resumo. Aresentam-se resultados reliminares de uma metodologia ara revisão teórica do consumo energético de um freezer comercial ara a conservação e exosição de rodutos alimentícios (carnes) ara venda ao consumidor final. Os cálculos do consumo energético foram efetuados considerando: oeração continua/desligamento noturno, estação climática, carga variável/ constante, oeração em resfriamento/congelamento, temeratura ambiente, etc. Foram considerados quatro tios de alimentos ara os quais calcularam-se roriedades térmicas, temo de resfriamento/congelamento, bem como a carga térmica em jogo. Entre os objetivos, retende-se verificar a influencia do desligamento noturno do freezer, sobre o consumo energético global do equiamento. Palavras-chave: Refrigeração, Alimentos, Energia, Suermercados. 1. INTRODUÇÃO A motivação inicial do resente trabalho origina-se na solicitação de uma grande industria frigorífica nacional esecializada no abate, rodução e comercialização de carnes, com relação a questão consumo energético vs. qualidade do alimento. A emresa em questão, tem recebido reclamações freqüentes or arte do consumidor final com relação as condições de conservação inadequadas de certos itens de sua linha de rodutos. Uma investigação révia or arte da emresa, revelou que o roblema situava-se na etaa final da cadeia de frio, mais recisamente nos freezers localizados nos onto de venda ao consumidor final em suermercados. Com efeito, verificou-se ser rática comum o desligamento tanto dos freezers quanto do sistema de ar condicionado em suermercados durante o eríodo noturno quando o estabelecimento encontra-se fechado, visando reduzir o valor da fatura mensal aga a concessionária de energia elétrica. Entretanto, ao mesmo temo que a economia de energia eserada com o desligamento do freezer não foi demonstrada, não comrovando ortanto a redução do consumo eserada, reclamações quanto a qualidade do roduto resfriado/congelado, como dito antes tornaram-se freqüentes levando a crer que o desligamento do freezer durante a noite é o fator resonsável direto ela degradação do roduto. Afim de considerar a questão, estudou-se um modelo tíico de freezer comercial vertical do tio aberto ara exosição de rodutos congelados e resfriados, imlementando-se um rograma comutacional ara a revisão teórica da erformance energética do equiamento em diferentes condições de oeração. A Figura 1 ilustra de forma bastante simlificada as rinciais etaas consideradas.
Dados de Entrada Tio de rodutos, Tem. de conservação, Tio de oeração, etc. Cálculo de roriedades térmica Fração de gelo, densidade, calor esecifico, entalia, etc. Saída de Resultados : Carga térmica, Consumo energético, COP, etc. Temo de resfriamento/congelamento Figura 1: Fluxograma simlificado das etaas ara revisão teórica do consumo energético do freezer. 2. CÁLCULO DE PROPRIEDADES TÉRMICAS As roriedades térmicas dos alimentos devem ser conhecidas quando se deseja realizar cálculos de transferência de calor em equiamentos de refrigeração, e ara a determinação dos temos de refrigeração e congelamento. Uma vez que estas roriedades deendem diretamente da comosição do alimento e da temeratura, é raticamente imossível obtê-las tabeladas ara todas as condições e comosições. Entretanto é ossível disor dos dados de comosição dos alimentos através de várias fontes conforme ASHRAE (1993). A Tabela 1 aresenta os dados ara os alimentos considerados no resente trabalho Tabela 1. Dados característicos dos rodutos considerados. x wo x x f x c x fb x a t if c a c b Bacon 31.6 8.66 57.54 0.09 0.0 2.13-2.0 2.09 1.26 Presunto cozido s/ osso 72.6 19.55 7.14 0.0 0.0 1.02-2.2 2.90 1.46 Salsicha tio Frankfurt 53.9 11.28 29.15 2.55 0.0 3.15-1.7 3.60 2.35 Cortes de frango 66.0 18.60 15.06 0.0 0.0 0.79-2.8 3.31 1.55 onde, x wo conteúdo em água do roduto (%); x conteúdo em roteínas (%); x f conteúdo em gorduras (%); t if c a c b x c conteúdo em carboidratos (%); x fb conteúdo em fibras (%); x a conteúdo em cinzas (%); temeratura de início de congelamento [ o C]; calor esecifico do roduto acima do onto de congelamento [kj/kg K]; calor esecifico do roduto abaixo do onto de congelamento [kj/kg K]; Com base nessa informação, ode-se emregar equações adequadas ao cálculo das roriedades termofísicas de alimentos. Em seguida são feitos alguns comentários com relação ao cálculo de roriedades termofísicas de alimentos adotados neste trabalho, baseado nos métodos disoníveis na literatura (ASHRAE, 1993) Para o cálculo da densidade é necessário o conhecimento da orosidade do alimento, da fração mássica e da densidade de cada constituinte do alimento. Como os rodutos em estudo (carnes) não tem a forma granular, a orosidade é considerada nula. O calor esecífico é imortante no cálculo da carga térmica de refrigeração associada ao congelamento ou resfriamento do roduto. Acima do onto de congelamento (alimentos resfriados) o calor esecífico torna-se um ouco menor quando a temeratura varia de 0 º C
ara 20 º C. Abaixo do onto de congelamento há um grande decréscimo do calor esecífico quando a temeratura diminui. O calor esecífico dos alimentos acima do onto inicial de congelamento, ode ser obtido ela média dos calores esecíficos de seus comonentes. Abaixo do onto inicial de congelamento, o calor sensível devido a mudança de temeratura e o calor latente devido a fusão da água devem ser considerados. Como o calor latente não é determinado ara uma temeratura constante, mas ara uma faixa de temeratura, um calor esecífico aarente deve ser calculado ara caracterizar os efeitos dos dois calores, latente e sensível. Vários modelos foram desenvolvidos ara calcular o calor esecífico aarente, sendo neste trabalho considerado aquele roosta or Chen (1985). A mudança de entalia de um alimento ermite estimar a energia que deve ser adicionada ou removida ara efetuar a mudança de temeratura desejada. Acima do onto de congelamento, a entalia consiste aenas do calor sensível, enquanto que abaixo do onto de congelamento a entalia engloba os calores sensível e latente. Geralmente a entalia é obtida da definição do calor esecífico à ressão constante, que ode ser integrada com reseito à temeratura. Para rodutos acima de seus resectivos ontos iniciais de congelamento, usou-se o método roosto or Chen (1985), enquanto que ara rodutos congelados (abaixo do onto inicial de congelamento) utilizou-se método simlificado do mesmo autor. A condutividade térmica de um alimento deende de sua comosição, temeratura e estrutura. Existem mais de um método ara calcular a condutividade térmica dos alimentos, sendo que o aqui considerado foi o modelo erendicular, baseado em analogia com a resistência elétrica conforme Choi e Okos (1986). Os valores usados no cálculo da difusividade térmica, como a densidade, a condutividade e o calor esecífico, são aqueles determinados segundo os métodos descritos anteriormente. Com relação ao coeficiente de transferência de calor h, embora não sendo uma roriedade do roduto alimentício, seu cálculo é essencial ara a análise da transferência de calor convectiva envolvida. Sua determinação baseia-se na conhecida lei de resfriamento de Newton. Como se sabe, o valor de h entre o roduto e o ar no esaço refrigerado deende de arâmetros tais como : velocidade do fluido, geometria, textura, embalagem, etc. A circulação do ar dentro do freezer aumenta o valor de h, uniformiza a temeratura, e intensifica a evaoração da água do roduto, imedindo a elevação da umidade na suerfície dos gêneros alimentícios, que criaria condições favoráveis a multilicação de bactérias. Na maioria das alicações h é determinado exerimentalmente, sendo em geral obtidas correlações do tio Nu = f(pr, Re), reresentando a relação funcional entre os conhecidos números adimensionais de Nusselt (Nu), Prandtl (Pr) e Reynolds (Re). No resente trabalho orém, foram consideradas correlações do tio Nu = f(re), disoníveis ara cada roduto. 3. TEMPOS DE RESFRIAMENTO E CONGELAMENTO Para que um alimento congele, rimeiramente é necessário reduzir a temeratura até o resectivo onto inicial de congelamento. Até este onto, somente calor sensível é removido. não havendo mudança de fase nem congelamento do roduto. O temo necessário ara atingir o onto inicial de congelamento, é denominado temo de resfriamento, sendo influenciado ela razão entre a resistência externa e a resistência interna à transferência de calor, razão esta conhecida como número de Biot. Diferentes metodologias voltadas ara o cálculo do temo de resfriamento encontram-se disoníveis na literatura. No resente trabalho, foi considerado o Método dos fatores f e j roosto or Cleland (1990), que baseia-se no fato de que os rocessos de resfriamento
exibem um comortamento similar, havendo aós uma fase de latência, um decréscimo exonencial da temeratura do centro térmico do alimento. Os fatores f e j foram calculados segundo métodos de Hayakawa, Villalobos (1989). É ainda necessário, considerar a forma geométrica do alimento através de um fator de forma. Visto que, a maioria dos alimentos ossuem formas irregulares, o resente trabalho considera o método roosto or Smith al. (1968), ara o caso de Bi. Em linhas gerais, o algoritmo utilizado ara a estimativa do temo de resfriamento, envolveu os seguintes assos : 1. Determinação das roriedades térmicas; 2. Determinação do coeficiente suerficial de troca térmica; 3. Determinação do fator de forma; 4. Cálculo do número de Biot. 5. Cálculo dos fatores f e j ; 6. Cálculo do temo de resfriamento. No caso do cálculo do temo de congelamento, conforme discutido anteriormente, este não é um rocesso isotérmico, em vez disso, o mesmo ocorre numa determinada faixa de temeratura. A maioria dos métodos desenvolvidos ara estimar o temo de congelamento, o calculam como a soma dos temos de ré-resfriamento, mudança de fase e subresfriamento. Alguns métodos baseiam-se na equação de Plank, outros numa versão modificada da mesma. O método de Plank embora bastante difundido, aresenta como inconvenientes o fato de assumir que o congelamento ocorra a uma temeratura constante. Além disso, considera constante a condutividade térmica de alimentos congelados (o que não ocorre na realidade), desreza a remoção de calor sensível até o onto inicial de congelamento, e é alicável aenas ara geometrias infinitas. Estudadas estas limitações, Cleland e Earle (1987-a 1987-b) acrescentaram correções ara considerar o calor sensível e a variação de temeratura durante o rocesso de congelamento, roondo equações de regressão ara estimativa de arâmetros geométricos ara geometrias infinitas. Por sua vez, Hung e Thomson (1983) melhoraram a equação de Plank, desenvolvendo um método alternativo ara cálculo do temo de resfriamento de geometrias tio fatias infinitas, incororando a mudança de entalia associada ao rocesso de congelamento e uma diferença de temeratura relativa ao eso médio. Em linhas gerais, o algoritmo utilizado ara a estimativa do temo de congelamento adotado considerou os seguintes assos : 1. Determinação das roriedades térmicas do alimento; 2. Determinação da diferença de entalia e calores esecíficos; 3. Determinação o coeficiente suerficial de troca térmica; 4. Determinação dimensão característica e razões dimensionais; 5. Cálculo dos números adimensionais de Biot, Plank e Stefan; 6. Cálculo de arâmetros segundo o método de Hung e Thomson; 7. Estimar temo de congelamento (método de Hung e Thomson ). 4. CARGA TÉRMICA E BALANÇO ENERGETICO A carga térmica de cada roduto, ou seja, a demanda frigorífica ara resfriar ou congelar cada alimento deende das roriedades termofísicas, da temeratura inicial do roduto, da temeratura do ar (4 º C / resfriamento ou 15 º C / congelamento), da massa total a ser resfriada, entre outros fatores. Para o cálculo da demanda frigorifica utilizou-se a seguinte equação: Q = m c ( T Tao) (1) a
onde, Q demanda frigorífica da quantidade total de cada roduto no freezer [kj]; m massa total do roduto [kg]; c calor esecífico do roduto [kj / kg.k]; T a temeratura inicial do roduto [ºC]; T ao temeratura do ar no freezer, ou temeratura final desejada do roduto [ºC]. Para obter a taxa de calor devido a cada alimento, divide-se o valor dado ela Eq. (1), elo temo de resfriamento ou congelamento, o que deve corresonder a demanda frigorífica calculada através do coeficiente suerficial de troca térmica h. A taxa de transferencia de calor or condução foi desrezada em relação a arcela convectiva, considerando-se : m c ( Ta Tao) q = h A ( Ta Tao) = θ (2) sendo, q taxa de calor a ser retirada de cada roduto [kj/ s = kw] h coeficiente suerficial de troca térmica [W/ m 2.s] A área de troca térmica, corresondente a área total ocuada elo roduto [m 2 ] θ temo de resfriamento ou congelamento [s] Para simular a oeração do freezer quando a quantidade de rodutos (carga em kg) estivesse variando, foram considerados dados de carga e descarga, baseados em valores estatísticos arbitrários de venda diária de cada roduto. Assim, ode-se Ter em conta a variação da carga de alimentos no interior do freezer. A velocidade do ar no interior do freezer, foi considerada constante e corresondente a uma vazão volumétrica da ordem de 0,9 m 3 /s. A variação das roriedades do ar com a temeratura, foi considerada através de exressões adequadas. Para cálculo do numero de Reynolds e subsequente alicação da relação Nu = f(re) e cálculo de h, tomou-se como dimensão característica do roblema a altura da rateleira, uma vez que esta foi considerada comlemente ocuada elo roduto. Dados de erformance reviamente disoníveis, relacionando otência frigorífica Q! ev e otência consumida elo comressor W! c em função das temeraturas de condensação T cd e de evaoração T ev, foram usadas no estabelecimento de equações olinomiais do tio W! c = f ( Tcd, Tev) e Q! ev = f ( Tcd, Tev ). Tanto no resfriamento quanto no congelamento, os graus de sueraquecimento e subresfriamento foram de 18 K e 8,3 K, resectivamente. O condensador e o evaorador do freezer são do tio serentina aletada, com o refrigerante escoando no interior dos tubos. Dados do fabricante relacionando o coeficiente global de troca térmica do condensador UA CD e do evaorador UA EV com os ontos de oeração em resfriamento e congelamento, foram considerados ara obtenção de relações olinomiais do tio UA CD = f ( Tcd, Tev ) e UA EV = f ( Tcd, Tev). O ganho de calor do ambiente (suermercado) através de aredes e abertura do freezer, foi calculado tomando-se um coeficiente global de troca térmica entre o freezer e o ambiente, cujo valor aroximado é de 15 W.K -1. Quando o sistema de ar condicionado encontra-se em oeração, a temeratura ambiente no interior do suermercado é considerada constante. Por outro lado, quando se ota elo desligamento noturno do sistema de ar condicionado, deve-se considerar o aumento no temo da temeratura interior da loja devido a troca de calor com o meio exterior, cujos dados
meteorológicos locais foram considerados. Com isto, tem-se em conta a quantidade adicional de energia requerida devido à troca térmica entre o esaço refrigerado e o ambiente. 5. SIMULAÇÃO E RESULTADOS OBTIDOS Deseja-se obter o consumo energético do freezer em condições adrões, e também verificar a influência do desligamento do freezer durante a noite entre outros asectos. Para uma imlementação reliminar desenvolveu-se um rograma esecifico utilizando o software MATLAB 5.0 (NetWorks Inc.,1996). Foram considerados quatro rodutos, e roostas as oções oeracionais indicadas na Tab. 2, a serem esecificadas elo usuário. Tabela 2 - Relações das condições oeracionais a serem indicadas elo usuário. 1 Condição de conservação dos rodutos: [1] Resfriamento, ou [2] Congelamento; 2 Estação climática: [1] Verão [2] Outono [3] Inverno [4] Primavera 3 Condições de oeração do refrigerador: [1] Continua (24 horas /dia) ou [2]Desligado no eríodo noturno (das 23:00 às 05:00 horas); 4 Oeração do sistema de ar condicionado local: [1] Continuo (24 horas / dia) ou [2] Desligado no eríodo noturno (das 23:00 às 05:00 horas); 5 Condições de carregamento diário do refrigerador: [1] Constante, ou [2] Variando hora a hora, durante o horário de funcionamento do estabelecimento; 6 Temeratura inicial de cada roduto (no momento da carga); 7 Temeratura de resfriamento ou congelamento, desejada ara o roduto; 8 Carga inicial [kg] de cada roduto. Combinando as condições oeracionais, indicadas elo usuário conforme descrito na tabela anterior, o rograma desenvolvido, fornece, entre outros, os seguintes resultados rinciais :!"Carga térmica [kj];!"temo de resfriamento ou congelamento [h];!"taxa de transferencia de calor [kw] ara cada roduto no refrigerador;!"consumo energético total [kw] do refrigerador;!"custo em unidades monetárias correntes (R$) da energia consumida elo refrigerador, com base na tarifa adrão do kwh raticada ela concessionária Assim, o usuário ode simular diferentes condições oeracionais do refrigerador, e então comarar os resultados afim de saber se as medidas adotadas (ou a adotar) odem ou não resultar numa redução efetiva do consumo energético do sistema de refrigeração. Dadas as limitações de esaço, aqui serão aenas aresentados dois exemlos. Vamos a seguir ilustrar uma das ossíveis condições de oeração, entre as variações disoníveis conforme se vê ela Tab. 2. Para as condições de oeração do freezer, conforme aresentado na Tab. 3, o rograma desenvolvido fornece os resultados aresentados na Tab. 4. Para esta situação esecifica de simulação, o custo oeracional devido a demanda energética do freezer seria de R$ 30,87/semana, enquanto que ara as mesmas condições mas otando-se elo desligamento do refrigerador entre 23:00 e 05:00 horas, o custo devido ao consumo energético do refrigerador seria de R$ 32,70/semana.
Tabela 3 Uma ossível combinação das condições de oeração do refrigerador: 1 Condição de conservação dos rodutos = [1] Resfriamento 2 Estação Climática = [1] Verão 3 Condições de oeração do refrigerador = [1] Continuo (24 horas / dia) 4 Oeração do sistema de ar condicionado local = [1] Continuo (24 horas / dia) 5 Condições de Carregamento diário do refrigerador = [1] Constante 6 Temeratura inicial de cada roduto = 25 o C (temeratura ambiente) 7 Temeratura de conservação desejada = 4,0 o C 8 Massa inicial [kg] de cada roduto: Bacon = 100 kg Presunto = 150 kg Salsicha = 200 kg Frango = 180 kg Tabela 4 - Resultados obtidos ara as condições de oeração listadas na tab. 3. Produtos: Carga Térmica [kj] Temo de Resfriamento (horas) Taxa de Calor or roduto (kw) Bacon 5635 2.71 0.58 Presunto 11298 2.37 1.32 Salsicha 13214 2.87 1.28 Frango 13037 2.95 1.23 Total 43184 ------ 4.41 A Figura 2 aresenta um dos gráficos fornecidos elo rograma desenvolvido que reresenta ara o segundo exemlo abordado, curvas de variação da temeratura em função do temo de resfriamento necessário ara que o roduto chegue a temeratura de resfriamento de 4 o C, a artir de uma temeratura ambiente inicial de 25 C. 25 Temeratura[C] - Bacon 25 Temeratura[C] - Presunto 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 10 20 30 0 0 10 20 30 25 Temeratura[C] - Salsicha 25 Temeratura[C] - Frango 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 10 20 30 temo (horas) 0 0 10 20 30 temo (horas) Figura 2 - Variação da temeratura de cada roduto com o temo de resfriamento.
6. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Considerando-se aenas os dois exemlos aresentados, os resultados da simulação indicam um custo devido ao desligamento do refrigerador no eríodo noturno maior do que quando este encontra-se ligado 24 horas or dia. A diferença obtida foi de R$7,32/mês no consumo, ara os dados considerados na simulação. Não é no momento ossível quantificar a margem de erro imlícita nos resultados aresentados, sendo que uma confrontação contra resultados exerimentais seria necessária afim de estabelecer tal arâmetro, bem como validar o modelo roosto. Além disso, o resente trabalho consiste numa rimeira tentativa de simulação do consumo energético de um freezer comercial, sendo or isso bastante simlificado e, ode-se suor, sujeito a erros consideráveis. Os dados utilizados, dimensões e caacidade do refrigerador, bem como sua caacidade de armazenamento, utilizados nos dois exemlos aresentados são valores aroximados, que osteriormente oderão ser corrigidos ara valores mais róximos à realidade de um suermercado de grande orte, or exemlo. É ortanto necessário analisar asso-a-asso os rocedimentos, equações, dados iniciais e simlificações adotados, introduzindo as correções e melhoramentos necessários no rograma comutacional desenvolvido. Ainda assim, mesmo com as considerações e aroximações feitas, a metodologia utilizada gerou resultados coerentes. O caso or exemlo da obtenção de um consumo energético menor na oeração continua do freezer do que quando este é desativado durante o eríodo noturno, oderia ser justificada elo acréscimo de demanda frigorifica que ocorre quando o freezer é re-ligado ela manhã e deve oerar a níveis de otência elevados até que o set-oint seja novamente atingido. Deve-se ressaltar que os dois exemlos aresentados, consideraram aenas o efeito do desligamento do refrigerador durante as 06 horas do eríodo noturno. Muitas outras condições de oeração odem ser analisadas. As variações da temeratura de acordo com a estação do ano, as variações de carga durante o eríodo de funcionamento do suermercado, o ligamento e desligamento do ar condicionado, são condições de oeração ossíveis de serem analisadas através do rograma comutacional reviamente desenvolvido e que no momento não são ossíveis de serem abordadas. Agradecimentos Os autores desejam exressar seus agradecimentos à FAPEMIG Fundação de Amaro a Pesquisa no Estado de Minas Gerais, elo aoio restado no âmbito do convênio Faemig/Fiemg. REFERÊNCIAS ASHRAE, 1993, Fundamentals - Handbook, American Society of Heating Ventilation and Air Conditioning Engineers, SI Edition, Altlanta, USA. Chen, C.S., Thermodynamic analysis of the freezing and thwing of foods: Enthaly and aarent secific heat. Journal of Food Science 50:1158. Choi, Y., and Okos, M.R.,1986, Effects of temerature and comosition on the thermal roerties of foods. Food Engineering and Process Allications. Ed. M. LeMaguer and P. Jelen, 1:93-101. London: Elsevier Alied Science Publishers. Cleland, A. C., 1990, Food refrigeration rocess: Analysis, design and simulation. London: Elsevier Science Publishers.
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