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Refrigeração: conceitos básicos, aplicações, etc.
Prof. Mario H. Macagnan
Fevereiro, 2015
Pode-se definir refrigeração como 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.
Refrigeração
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Aplicações
Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada.
Aplicações
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Aplicações
Aumento do tempo de prateleira dos produtosperecíveis:
1 frango;2 peixe;3 carne;4 banana;5 laranja;6 maçã;7 ovos;8 maçã†.
†armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono.
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
Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento.
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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 ar-condicionado é de extrema importância.
Aplicações
†ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003. Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.
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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.
Aplicações
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Um pouco de história
Fonte: Hundy, G.F.; Trott, A.R.; Welch, T.C., 2008. 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.
Um pouco de história
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Um pouco de história
Um pouco de história
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, Frederic Tudor, 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.
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Um pouco de história
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 225.000 ton. de gelo para vários países, incluindo China e Austrália.
Com o advento da refrigeração artificial o mercado foi diminuindo gradualmente até seu desaparecimento.
Um pouco de história
Vagão refrigerado, patenteado em 1867.
Venda de barras de gelo na Europa
Distribuição de gelo, 1923.
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Um pouco de história
Ice house, capaz de armazenar o gelo durante meses.
Ice house construida no Irán.
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Um pouco de história
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Um pouco de história
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.
Um pouco de história
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.
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Um pouco de história
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.
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Um pouco de história
William Cullen, Escócia - 1710-1790.
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.
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Em 1834, Jacob Perkins obteve a patente de uma máquina de compressão de vapor, surgindo então, o conceito moderno de refrigeração.
Um pouco de história
Essa máquina tornou-se mais útil com as modificações introduzidas por John Hague:
Um pouco de história
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Um pouco de história
James Harrison, produziu a primeira máquina de refrigeração, em 1851, patenteando o ciclo de compressor de vapor com éter em 1855.
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Um pouco de história
Os primeiros refrigeradores domésticos eram chamados de Ice Box. Funcionavam de maneira descontínua uma vez que necessitam constante reposição de gelo.
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No 1°Congresso Internacional de Refrigeração (Paris, 1908), o reverendo Marcel Audiffren apresentou seu invento: uma máquina doméstica para produzir gelo contida dentro de um vaso hermético.
Um pouco de história
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 (NH3) como refrigerante;
O CO2 foi inicialmente utilizado em 1886, por Franz Windhausen, e largamente utilizado em refrigeração naval até os anos 1960;
Outros refrigerantes utilizados: SO2, C2H5Cl, R-600a (em 1920 por E. Copeland; o dicloroetileno por Carrier entre 1922 a 1926 em compressores centrífugos).
Um pouco de história
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Em 1920 surgiram os primeiros refrigeradores domésticos: no primeiro ano foram fabricados cerca de 5.000 unidades; após dez anos 1 milhão e em 1935 atingiram a marca de 6 milhões de unidades.
Um pouco de história
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Um pouco de história
A disseminação do uso destes equipamentos ficou severamente limitada em função dos refrigerantes utilizados (SO2 e metanoatode metila), altamente tóxicos.
General Electric "Monitor-Top" refrigerator, introduced in 1927.
Compressor
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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 pouco de história
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®.
Um pouco de história
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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
S
1
23
4
Processos:
1-2: compressão adiabática e isoentrópica;
2-3: rejeição isotérmica de calor;
3-4: expansão adiabática e isoentrópica;
4-1: recebimento isotérmico de calor;
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T
s
1
23
4
T2
T1
s3 = s4 s2 = s1
Efeito de refrigeração
Trabalho líquido
�
QC
�QE
O Ciclo Ideal de Carnot
12
1
4112
411TT
T
SSTT
SSTCOP −=
−−
−=
O ciclo de Joule
T
1
2
3
4
Carnot
A
B
S
1-2 e 3-4 ⇒ compressão e expansão isentrópica;
2-3 e 4-1 ⇒ resfriamento e aquecimento à pressão constante;
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Condição ideal
s
T
Um pouco mais real
T
1
2
3
4 �
S
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O ciclo padrão
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
Sub-resfriamento e super-aquecimento
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Trocador de calor na linha de sucção
Super aquecimento
Controle do super aquecimento através de válvula de expansão
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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.
+O2 O O
Fóton ultra violeta (UV)
+
O O2 O3
O3
+
O O2
+
O O2O3
A camada de ozônio
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CFCl3
CCl
F
+ C
CFCl2Cl
+
O3Cl O2
+
ClO
O
+
ClO Cl
+
O2
A camada de ozônio
A camada de ozônio
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A camada de ozônio
O Protocolo de Montreal
Data Redução da produção e consumo
CFC1 janeiro 1993 100% nível de 19861 janeiro 1994 25% nível de 19861 janeiro 1995 25% nível de 19861 janeiro 1996 0% nível de 1986
HCFC1 janeiro 1996 3,1% consumo CFC+HCFC
19861 janeiro 2004 65% da situação de 19961 janeiro 2010 35% da situação de 19961 janeiro 2015 10% da situação de 19961 janeiro 2020 0,5% da situação de 19961 janeiro 2030 0% da situação de 1996
+ Revisão de Copenhagen, 1992
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A influência do Protocolo de Montreal
Refrigerantes
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Refrigerantes
Classificação de riscos
LowerToxicity
HigherToxicity
Higher
FlammabilityA3 B3
Lower
FlammabilityA2 B2
No FlamePropagation A1 B1
A: sem evidências de toxicidade
B: evidências de toxicidade para concentrações > 400 ppm (por volume)
1: sem propagação de chama (20°C e patm)
2: baixo limite de flamabilidade
3: alto limite de flamabilidade
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Classificação
Classificação dos refrigerantes, ASHRAE 34-92Refrigerante 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
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Ciclo de Lorentz
T
S
refrigerante
refrigerante
FTC
FTC
T
S
refrigerante
refrigerante
FTC
FTC
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 SF6).
Sistemas empregando refrigerantes com GWP > 150 devem ser submetidos a rigorosos controles de vazamento, função da carga do sistema.
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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 2017.
Solução encontrada atualmente: Solstice yf (HFO 1234yf) –composto orgânico fluorado – hidro-fluoro-olefina (1=ligações duplas; 2= C; 3 = H e 4 = F)
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Sistemas secundários
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Hidrocarbonetos
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Cal
or L
aten
te (
kJ/k
g) R12
R22
R134a
R600a
R290
R600a/R290
Comparação do calor latente de vaporização, kJ/kg
Hidrocarbonetos
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0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Vol
um
e es
pec
ífico
R12
R22
R134a
R600a
R290
R600a/R290
Comparação de volumes específicos, em m3/kg
Hidrocarbonetos
Sistemas tipo Cascata
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Ciclo com CO2
Outros ciclos: o ciclo de absorção
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Outros ciclos: o ciclo de absorção
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CONDENSER
EVAPORATOR
GENERATOR
REFRIGERANT HEAT
EXCHANGER 1
2
RECTIFIER
SOLUTION PUMP
3
4
SOLUTION COOLED ABSORBER
7
8 16 10
13
11
14
17
12
Chilled water circuit
Hot water circuit
9
Hot water circuit WATER
COOLED ABSORBER
PUMPW&
CONQ&
EVAQ&
WCAQ&
GENQ&
EVAP
CONP
T
P
INTP
Equipamento comercial de absorção
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Outros ciclos: refrigeração magnética
O princípio está baseado no efeito magneto-calórico, uma propriedade intrínseca de materiais magnéticos.
Outros ciclos: refrigeração termo-acústica
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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.
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