Como funciona um sistema de refrigeração?

Entenda o papel do compressor, condensador, evaporador e dispositivo de expansão no ciclo de refrigeração.

Por Adriano Francisco Ronzoni, gerente de Pesquisa e Desenvolvimento na Nidec Global Appliance

Criado em 2019, o Dia Mundial da Refrigeração surgiu com o intuito de conscientizar a comunidade internacional sobre o papel do HVAC-R em toda a sociedade. Durante séculos, a humanidade confiou exclusivamente na natureza para produção de frio. Dos sistemas subterrâneos de preservação de alimentos e bebidas feitos de anéis de terracota do imperador Chinês Shih Huang Ti (220 A.C) até as fazendas de gelo do rio Hudson em meados do século XIX, o advento de tecnologias de resfriamento ficou limitado pela disponibilidade de gelo natural durante os meses de inverno (Gantz, 2015).

Pode-se afirmar que o ramo da indústria que conhecemos hoje como cadeia do frio teve sua origem nas “fazendas de gelo” do rio Hudson, em Nova Iorque, nos Estados Unidos, de onde os blocos de gelo eram extraídos pelo processo de

Ice Harvesting (colheita de gelo). Durante os meses de inverno, os blocos eram cortados, removidos e então transportados de navio para diferentes localidades onde eram armazenados em Ice Houses (depósitos isolados termicamente para preservar o gelo extraído da natureza). As primeiras tentativas de produção artificial de frio são atribuídas ao professor Willian Cullen, da Universidade de Edimburgo que, em 1755, produziu gelo ao fazer vácuo em um recipiente contendo um fluido volátil. Somente em 1834, obteve-se a primeira descrição completa de um sistema de refrigeração contendo os quatro processos básicos (compressão, condensação, expansão e evaporação), trabalho realizado pelo inventor e engenheiro mecânico britânico Jacob Perkins (British patent 6.662). Desde então, evoluímos muito, alcançando novas tecnologias que permitiram a expansão dos negócios e da qualidade de vida ao redor do mundo.

Como funciona um sistema de refrigeração?

A grande maioria dos refrigeradores funciona através de um princípio conhecido como compressão mecânica de vapor. Um sistema de refrigeração típico é composto por quatro componentes básicos: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. Um fluido volátil (fluido refrigerante) circula através do sistema de refrigeração onde é repetidamente convertido entre as formas de líquido e vapor. O compressor é responsável por comprimir o fluido refrigerante na condição de vapor superaquecido da pressão de baixa (pressão de evaporação) até a pressão de alta (pressão de condensação). Depois desse processo, o fluido refrigerante em alta pressão e temperatura escoa através do condensador.

 

E qual a função do condensador?

O condensador é um trocador de calor que opera em alta pressão e a uma temperatura superior à temperatura do ambiente onde o sistema está localizado. Dessa forma, o condensador é capaz de rejeitar calor do fluido refrigerante para o ambiente. Esse processo de rejeição de calor reduz a energia total do fluido refrigerante levando-o da condição de vapor superaquecido até a condição de líquido sub-resfriado na saída do trocador de calor.

O fluido refrigerante no estado líquido tipicamente escoa através de um filtro secador, responsável pela remoção da umidade eventualmente presente no sistema. Ao sair do filtro secador, o refrigerante então expande no dispositivo de expansão (um tubo capilar ou válvula de expansão, por exemplo) tendo sua pressão reduzida, o que causa a mudança de fase de parte do refrigerante (do estado líquido para vapor).

É o processo de transformação de refrigerante líquido em vapor que causa a redução da temperatura do fluido. Alguns sistemas de refrigeração ainda contam com um trocador de calor intermediário, ou trocador de calor do tipo tubo capilar – linha de sucção. Em linhas gerais, esse trocador tem a função de reduzir a entalpia na entrada do evaporador (ganho de capacidade de refrigeração) e aumentar a temperatura do refrigerante na sucção do compressor, reduzindo por exemplo problemas de sudação de linha ou retorno de refrigerante líquido ao compressor.

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O fluido refrigerante ao sair do dispositivo de expansão encontra-se agora no estado bifásico (vapor + líquido) na pressão de evaporação. O escoamento do refrigerante em baixa temperatura através do trocador de calor de baixa (evaporador) é o que permite a remoção da energia do ambiente refrigerado (por exemplo, o freezer de um refrigerador doméstico). Ao absorver energia do ambiente refrigerado (reduzindo a temperatura do freezer), o refrigerante termina seu processo de evaporação e, tipicamente, todo o líquido remanescente é transformado em vapor que escoa em direção à sucção do compressor, onde o ciclo se repete.

Tipos de compressor de acordo com a pressão de retorno

A aplicação de compressores é tipicamente classificada em função do nível de temperatura de evaporação do sistema. Os compressores são então divididos em três classes: baixa, média e alta, nas siglas em inglês: (i) LBP (Low Back Pressure), (ii) MBP (Medium Back Pressure) e (iii) HBP (High Back Pressure).

Compressores do tipo LBP (baixa pressão de retorno) são indicados para aplicações com temperaturas de evaporação aproximadamente entre  -35°C e -10°C como por exemplo freezers horizontais, freezers verticais e ilhas refrigeradas tipicamente encontrados em supermercados.

Compressores do tipo MBP (média pressão de retorno) são indicados para aplicações com temperaturas de evaporação aproximadamente entre -20°C e 0°C, como por exemplo refrigeradores utilizados em supermercados ou padarias e sistemas para conservação de laticínios. Alguns desses produtos operam a temperaturas de conservação positivas para manter as propriedades físicas e sensoriais dos alimentos (frescor) evitando assim danos devido ao congelamento de alimentos frescos.

Compressores do tipo HBP (alta pressão de retorno) são indicados para aplicações com temperaturas de evaporação aproximadamente entre -15°C e 10°C, como por exemplo adegas e bebedouros.

Características que fazem diferença na troca do compressor

É muito importante saber as principais características do sistema de refrigeração para que se faça a substituição adequada do compressor. Tipo de fluido refrigerante, tipo de óleo e componentes elétricos são específicos para cada aplicação.

Um outro ponto relevante ao se especificar um compressor para uma determinada aplicação é a sua capacidade de refrigeração. Essa deve ser suficiente para atender às demandas do sistema durante a operação, como rápida redução da temperatura do compartimento quando o sistema é ligado pela primeira vez (conhecido como pull-down), recuperação de temperatura após abertura de portas ou até mesmo após a inserção de carga quente no sistema (ex: latas, garrafas ou alimentos quentes).

Quando o assunto é capacidade de refrigeração requerida, o isolamento do sistema tem um papel fundamental, pois é ele que evita a infiltração de energia do ambiente para o compartimento refrigerado. Quanto melhor o isolamento térmico, menor a capacidade requerida e mais econômico o sistema será.

No caso dos expositores de bebidas/alimentos tipicamente encontrados em supermercados, a introdução de portas reduz drasticamente a infiltração das cargas sensível (ar quente e seco) e latente (umidade), podendo levar a reduções acima de 40% no consumo de energia dependendo da condição de teste (Ligthart, 2007 e Heidinger et al., 2019).

Como pudemos ver, existe muita tecnologia envolvida na refrigeração, que é algo que se tornou fundamental no modo como vivemos. Como consequência disso, a indústria da cadeia do frio está em constante e rápida evolução, exigindo o mesmo ritmo dos profissionais em campo, desde os fabricantes de componentes até os técnicos e instaladores. Nós nos sentimos honrados pela criação do Dia Mundial da Refrigeração e temos certeza de que nossa área de trabalho tem um grande impacto no mundo.

 

Referências:

(1)  GANTZ, C., Refrigeration: a history, North Carolina:  McFarland and Company, 2015.

• LIGTHART, F.A.T.M. Closed supermarket refrigerator and freezer cabinets. A feasibility study. Netherlands: N. p., 2008.
• HEIDINGER, G., NASCIMENTO, S., GASPAR, Pedro; SILVA, Pedro. (2019). Comparing open and closed vertical refrigerated display cabinets at mild and tropical external environments. 10.18462/iir.icr.2019.1296.