Refrigeração

A refrigeração é a ação de resfriar determinado ambiente de forma descontrolada, tanto para viabilizar processos e, conservar produtos (refrigeração comercial e industrial) ou efetuar climatização para conforto técnico ou conforto térmico (como por exemplo ar-condicionado e ventilação).

O condicionamento do ar é um ciclo fechado onde um gás refrigerador é bombeado e comprimido pelo sistema, sendo resfriado ao passar na válvula de expansão e no evaporador. Sistema composto por: compressor, expansor, evaporador e, condensador.

No Brasil, o R-134a / HFC-134a' e o CO2 / R-744 são usados juntos nos sistemas em cascata, como gás refrigerante de alta temperatura; O uso de CO2 como gás refrigerante foi uma forma desenvolvida na Europa na década de 2010.

Refrigeração e climatização

A refrigeração faz a retirada de todo o calor possível de um espaço específico (retirada de energia térmica), com a redução da temperatura para valores mais baixos que a temperatura ambiente e de forma constante. Processo bom para preservar a qualidade e a segurança de produtos sensíveis a temperatura ambiente, como por exemplo: alimentos perecíveis e medicamentos. A refrigeração é feita com equipamentos especializados como refrigeradores e câmaras frigoríficas.

A climatização controla as condições do ar de um espaço para criar um ambiente confortável as pessoas, temperatura do ar de forma regulada a conforme desejado. Esse processo inclui o controle da temperatura, umidade, circulação do ar e, filtragem de odores. A climatização é feita com o condicionado de ar e climatizadores.

Ciclos da refrigeração

Para diminuir a temperatura é necessário retirar energia térmica de determinado corpo ou meio. Através de um ciclo termodinâmico, calor é extraído do ambiente a ser refrigerado e é enviado para o ambiente externo. A refrigeração não destrói o calor, que é uma forma de energia. Ela apenas o move de um lugar não desejado para outro que não faz diferença.

Entre os ciclos de refrigeração, os principais são o ciclo de refrigeração padrão por compressão, o ciclo de refrigeração por absorção e o ciclo de refrigeração por magnetismo.

Princípios

Esquema básico de um sistema de refrigeração.

No ciclo de refrigeração por compressão de vapor (refrigerador, ar-condicionado), existem basicamente cinco componentes: compressor, condensador, expansor, evaporador e,fluido refrigerante / fluido de refrigeração.

O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão (restrição), onde é submetido a uma queda de pressão brusca, onde passa a ter dois estados: predominantemente líquido e, em menor quantidade, gasoso. O fluido refrigerante, nesse ponto, é denominado de flash gás. Logo, o fluido é conduzido para o evaporador, onde absorverá calor do ar do ambiente a ser climatizado, vaporizando-se.

Na saída do evaporador, na forma de gás, é succionado pelo compressor, que eleva sua pressão (e temperatura) para que possa ser conduzido através do condensador, onde cederá calor ao ambiente externo, condensando o fluido e completando o ciclo. O ventilador força a circulação de ar, fazendo com que o ar a ser resfriado atravesse, de forma perpendicular, os tubos aletados da serpentina do evaporador.

Etapas do Ciclo Ideal

Evaporação

Representação no diagrama pxh

A evaporação é a etapa onde o fluido refrigerante entra na serpentina como uma mistura predominantemente líquida, e absorverá calor do ar forçado pelo ventilador que passa entre os tubos aletados. Ao receber calor, o fluido refrigerante saturado vaporiza-se, absorvendo calor latente e calor sensível.

A capacidade de refrigeração, em W, pode ser expressada através da equação:

${\dot {Q_{l}}}={\dot {m}}*(h_{1}-h_{4})\,\!$

Compressão

Representação no diagrama pxh

A função do compressor é comprimir o fluido refrigerante, sempre no estado físico de vapor, elevando a pressão do fluido. Em um ciclo ideal, a compressão é considerada adiabática reversível (isoentrópica), ou seja, desprezam-se as perdas. Na prática perde-se calor ao ambiente nessa etapa, porém não é significativo em relação à potência de compressão necessária.

A potência de compressão, em W, pode ser expressada pela seguinte equação:

${\dot {W_{c}}}={\dot {m}}*(h_{2}-h_{1})\,\!$

Condensação

Representação no diagrama pxh

A condensação é a etapa onde ocorre a rejeição de calor do ciclo. No condensador, o fluido na forma de gás saturado é condensado ao longo do trocador de calor, que em contato com o ar cede calor ao meio ambiente.

O calor rejeitado pelo condensador, em W, pode ser expresso pela equação:

${\dot {Q_{h}}}={\dot {m}}*(h_{2}-h_{3})\,\!$

Expansão

Representação no diagrama pxh

A expansão é a etapa onde ocorre uma perda de pressão brusca, porém controlada que vai reduzir a pressão do fluido, da pressão de condensação para a pressão de evaporação. Em um ciclo ideal ela é considerada isoentálpica, despreza-se as variações de energia cinética e potencial.

$h_{3}=h_{4}\,\!$

Coeficiente de performance

O coeficiente de performance, COP, é um parâmetro fundamental na análise de sistemas de refrigeração. Mesmo sendo de um ciclo teórico, pode-se verificar os parâmetros que influenciam o desempenho do sistema. A capacidade de retirar calor sobre a potência consumida pelo compressor deve ser a maior possível.

Define-se COP com a seguinte relação:

$COP={\dot {Q_{l}}}/{\dot {W_{C}}}\,\!$

Variáveis

${\dot {m}}$ - Vazão mássica de refrigerante em kg/s

${\dot {Q_{l}}}$ - Calor retirado pelo evaporador em W.

${\dot {Q_{h}}}$ - Calor cedido pelo condensador em W.

${\dot {W_{C}}}$ - Trabalho realizado pelo compressor em W.

$\ h_{1}$, $\ h_{2}$, $\ h_{3}$ e $\ h_{4}$ - Entalpia de estado J/kg.

$\ COP$ - Coeficiente de performance.

Ver também

• Acumulador de frio
• Cadeia de frio
• Motor Schukey
• Refrigeração por absorção

Referências

• Andrew D. Althouse, Carl H. Turnquist, Alfred F. Bracciano (2003). Modern Refrigeration and Air Conditioning 18th Edition ed. [S.l.]: Goodheart-Wilcox Publishing. ISBN 1590702808  !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)