Câmara Frigorífica

1. INTRODUÇÃO

Desde a pré-história que o homem procura obter formas que façam com que os

alimentos e outras substâncias alcancem temperaturas inferiores a do

ambiente para preservação dos mesmo ou ate mesmo de refrescar o alimento.

Alexandre, O Grande, segundo alguns registros serviu para os seus soldados,

por volta de 300 A.C., bebidas resfriadas com neve aos seus soldados.

O método mais antigo de produção de frio fazia uso de gelo natural ou uma

mistura de neve e sal, durante muitos séculos a única utilização para o gelo foi

de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar o seu paladar. Já a civilização

egípcia, que devido o seu clima, não dispunham de gelo natural, refrescavam a

água por evaporação usando vasos de barro, semelhantes a moringas, o barro

sendo poroso, deixa passar um pouco da água do seu interior, a evaporação

desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema.

A maquina frigorífica surgiu em meados de 1856 quando um australiano

chamado James Harrison, foi contratado por uma fabrica de cerveja, para

produzir uma máquina que mantivesse o produto refrigerado durante o

processo de fabricação do mesmo e pela indústria de carne para exportação de

produtos. O australiano usando o principio da compressão de vapor criou então

o primeiro projeto das então chamadas máquinas de refrigeração.

Em 1913 apareceu o primeiro frigorífigo foi criado e foi batizado de DOMELRE

(DOMestic ELectric REfrigerator) porém esse nome não teve sucesso e foi

Kelvinator o nome que popularizou este utensílio no EUA. O primeiro modelo

fabricado por eles foi o Frigideire (fig.1).

FIGURA 1. Modelo da Kelvinator: Frigideire, a primeira geladeira elétrica do Brasil.

Fonte: Memória da Refrigeração e do Ar Condicionado no Brasil. Autora: Cristiane Di

Rienzo

Em 1947 foi construído no Brasil o primeiro aparelho frigorífico em uma

pequena oficina na cidade de Brusque em Santa Catarina por Guilherme

Holderegger e Rudolf Stutzer, de 1947 e 1950 nessa pequena oficina já tinham

construído 31 aparelhos movidos a querosene. Em 15 de julho de 1950 o então

bem sucedido comerciante de Joinville, convenceu os dois pioneiros da

fabricação dos frigoríficos a montarem uma fábrica, entrando em ação a

primeira fábrica de refrigeradores do Brasil assim chama CONSUL.

2. APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO.

A aplicação da refrigeração ser um campo bem extenso, desde um simples

bebedouro de água até a área industrial.

2.1 Refrigeração doméstica.

A refrigeração doméstica tem uma importante participação na indústria de

refrigeração, é uma limitação da capacidade dessa área industrial porém tem

um papel essencial e de grande importância para a população.

Essas unidades domésticas são geralmente pequenas com potências nominais

entre 1/20 e 1/2 CV e são hermeticamente fechadas (fig.2).

Figura 2. Refrigerador doméstico.

Fonte: Site Ponto frio Acesso em 23 de junho de 2015.

2.2. Refrigeração Comercial

A refrigeração comercial abrange projeto, instalação e manutenção de

instalações refrigeradas do tipo usado pelas lojas comerciais, restaurantes,

hotéis e locais de armazenamento, exposição, beneficiamento e distribuição de

mercadorias perecíveis de todos os tipos, (fig. 3).

Figura 3. Refrigeração comercial.

Fonte: www.artigopr.com.br

2.3. Refrigeração Industrial

Na refrigeração industrial as aplicações são bem maiores que as comercias e

normalmente requerem um operador de serviço.

Inúmeros ramos na indústria utilizam a refrigeração como as fábricas de gelo,

grandes instalações de empacotamento de gêneros alimentícios (carne, peixe,

aves, alimentos congelados, etc.), cervejarias, fábricas de laticínios e

instalações industriais, como refinarias de óleos, fábricas de produtos químicos,

fábricas de borrachas, entre muitas outras indústrias. A figura 4 representa uma

câmara fria instalada em uma indústria da área da saúde para conservação de

vacinas.

Figura 4. Câmara fria para armazenamento de produtos farmacêuticos.

Fonte: http://wikiartigos.com.br/o-que-e-uma-camara-fria/

Um exemplo que a refrigeração é necessária em muitos ramos diferentes é a

aplicação em industrias de construção civil onde a refrigeração facilita na

escavação de solos, congelando o mesmo para facilitar na escavação, e

também no resfriamento de grandes massas de concreto pois a reação que

ocorre durante a cura do concreto é exotérmica e, portanto, o calor deve ser

removido para evitar a expansão e o aparecimento de tensões no concreto.

2.4. Refrigeração Marítima e de Transporte.

Como o nome mesmo diz a refrigeração marítima refere-se a refrigeração a

bordo de embarcações principalmente a bordo de barcos de pesca que

necessitam da refrigeração para manter o produto fresco até o desembarque

nos portos. Também muito usado em barcos de passeio para instalações de

refrigeradores comuns para armazenamento de mantimentos utilizados nos

passeios.

A refrigeração em transporte é muito utilizado para transportes a longa

distancia ou para ate mesmo entregas locais, mantendo a integridade da

mercadoria. Os vagões ferroviários utilizam da refrigeração para

armazenamentos das mercadorias, na figura 5, encontra-se um exemplo

desses vagões.

Figura 5. Vagões refrigerados.

Fonte: http://omaquinista.loja2.com.br/3894673-Blma-Ho-Scale-Vagao-

Refrigerado-64-Trinity-Tropicana

3. COMPOSIÇÃO

Uma câmara frigorífica (câmara fria) é composta basicamente por:

- Modulo frigorífico: Painel frigorífico (auto portante e desmontável) ou

Alvenaria;

- Porta frigorífica: Giratória, Correr, Guilhotina, entre outras;

- Equipamento de refrigeração: Split system (remoto) ou Plug-in (fixado na

lateral da câmara);

- Acessórios: Cortina, Pallet, Estantes, Estrado, entre outros.

3.1 Modulo frigorífico

A estrutura de uma câmara fria é muito importante pois a mesma trabalha com

temperaturas muito baixas e é necessário a utilização de materiais de baixa

condutividade térmica de modo que não se perca energia, também importante

a impermeabilização das paredes, teto e chão para evitar o acúmulo de água e

a formação de gelo.

Um módulo frigorífico pode ser em forma de painel frigorífico (poliestireno

expandido (EPS)) ou de alvenaria (onde necessita de paredes para a fixação

do aparelho isolador térmico).

Os painéis de EPS, chamados de painéis monolíticos, são envoltos por malha

de aço galvanizado, que depois de revestidos, formam uma estrutura de

argamassa armada, muitíssimo resistente, similar a uma laje, porém na posição

vertical. A figura 6 ilustra essa composição explicada acima.

Figura 6. Painel EPS.

Fonte: https://comonuvens.wordpress.com/

Os Painéis EPS possuem um sistema exclusivo de encaixe tipo macho-fêmea,

conforme a figura 7, e sobreposição de chapas que garantem perfeita

estanqueidade, isolação térmica e maior rigidez contra impactos. São painéis

que podem ser recortados e perfurados sem deformação.

Figura 7. Encaixe de placas EPS.

Fonte: ABRAPEX. Associação Brasileira do Poliestireno Expandido.

3.2 Porta frigorífica.

Existem dois tipo mais adequados para uma câmara frigorífica, a porta de

correr e a porta giratória.

A Porta de Correr Frigorífica possui perfeita estanqueidade e pode ser manual

(figura 8) ou automática. É especialmente aplicada em câmaras de grande

porte como câmaras de estocagem de alimentos, câmaras com movimentação

de empilhadeiras, túneis de congelamento, supermercados.

Figura 8. Porta de correr manual.

Fonte: http://www.internationalrefrigeracao.com.br/portal/index.php/solucoes/

camara-frigorifica/portas/porta-de-correr-frigorifica

Já as Portas frigorificas giratórias (portas frigoríficas de encosto) são semi-

embutidas, conciliando correta estanqueidade e uniformidade do design

externo como mostra a figura 9.

Figura 9. Porta giratória.

Fonte: http://www.silvatecsat.com.br/camaras-frias.php

Na entrada de uma camara fria é necessaria a instalação de uma cortina de ar

para proteger a câmara, de cargas térmicas adicionais, que irão aumentar a

temperatura e a umidade no interior da câmara.

A entrada de vapor d'água para o interior da câmara, poderá trazer problemas

de condensação em excesso na superfície do evaporador conseqüentemente

formando gelo, se o degelo não for suficiente para a retirada desse gelo, pode

ocasionar um bloqueio no evaporador causando perda na capacidade de

refrigeração e um aumento no consumo de energia elétrica. A velocidade, a

distribuição e a direção do ar é que permitem uma proteção eficiente à entrada

do ar externo à câmara. A figura 10 mostra o comportamento do fluxo de ar e o

posicionamento da cortina localizada na entrada da câmara fria.

Figura10. Comportamento e posicionamento da cortina de ar.

Fonte: http://www.csvrefri.com.br/cortinasdear.html

3.3 Equipamento de refrigeração

Os principais componentes utilizados para refrigerar uma câmara fria são uma

unidade condensadora (Figura 11), unidade evaporadora (Figura 12), quadro

de comando e gás refrigerante (Figura 13).

Figura 11. Unidade Condensadora.

Fonte:

Figura 12. Unidade Evaporadora.

Fonte: http://www.multifrio.com.br/index.php/conteudo/show/id/6

Figura 13. Gás refrigerante.


3.3.1 Sistema Split de refrigeração.

Split System são sistemas de refrigeração utilizados em equipamentos que

conduzem ar, o seu funcionamento é chamado de ciclo de refrigeração por

compressão de vapor. É baseado no deslocamento do gás refrigerante que é

impulsionado por uma compressão através do compressor. Esse sistema

possui um mecanismo acoplado a um motor elétrico que desloca o gás, e

comprimindo na cabine de compressão.

Estes equipamentos atingem temperaturas de até -45°C, para temperaturas

menores é necessário a utilização de equipamentos na forma de cascata, ou

seja, o primeiro estágio refrigera o segundo e este por sua vez refrigera o

seguinte que mantém a temperatura no valor adequado, abaixo de -45°C.

3.3.2 Sistema Plug-In ou Monobloco Frigorífico.

O sistema Plug-In ou monobloco frigorífico vai um pouco além do conceito de

ar condicionado de janela (ACJ) para aplicação em câmaras frigoríficas. Seus

componentes são agrupados em um único chassis, encaixados na parede da

câmara e sendo plugado na tomada.

3.4 Acessórios.

Os últimos componentes para a montagem de uma câmara fria são essenciais

para a organização, deslocamento dentro da mesma e afastamento de insetos,

esses componentes podem ser Cortinas (Figura 14), Pallets (Figura 15),

Estantes (Figura 16), Estrado, entre outros.

Figura 14. Cortinas amarela antiinsetos.

Fonte: http://www.totalflexcomercial.com.br/produtos.asp?produto=10

Figura 15. Pallets organizacionais.


Figura 16. Estantes inox.


4. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO

4.1 Carga Térmica.

Para a definição das características do sistema de refrigeração, a primeira análise a ser efetuada é o cálculo de carga térmica. Este cálculo deve ser efetuado com o máximo de precisão possível, levando em consideração todos os detalhes informados na especificação técnica.

O cálculo de carga térmica é efetuado para um período de 24 h. Entretanto, devemos considerar um período de 16 a 20 horas de operação dos equipamentos, de forma a possibilitar o degelo, as eventuais manutenções, e também possíveis sobrecargas de capacidade.

Carga térmica [kcal/h] = Carga térmica em 24 h n

n = número de horas de operação por dia (16 a 20 h)

Carga térmica de refrigeração é a quantidade de calor sensível e latente que deve ser retirada de um ambiente, de modo a serem mantidas as condições de temperatura e umidade estabelecidas para ele. Geralmente, esta carga térmica está expressa em kcal/h. Esta carga térmica pode ser introduzida no ambiente envolvendo basicamente quatro fontes de calor.

- Transmissão de calor através das paredes, piso e teto; - Infiltração de calor do ar no interior da câmara pelas aberturas de portas; - Carga representada pelo produto; - Outras fontes de calor como motores, pessoas, iluminação, empilhadeiras, etc.

4.1.1 Transmissão de calor por paredes, tetos e piso.

É importante um cuidado especial na escolha da espessura do isolamento térmico, de forma que a superfície do lado quente, não atinja um valor baixo, onde poderá ocorrer uma condensação de vapor de água.

Na escolha do material empregado como isolante térmico para a construção da câmara frigorífica, devem-se considerar vários fatores, tais como sua resistência a insetos e microorganismos, riscos de propagar fogo, poeira ou vapores indesejáveis, partículas que possam irritar a pele, retenção de odores, resistência à decomposição e resistência à absorção de água. Os isolamentos mais empregados são os de fixação de placas de isolamento em alvenaria com posterior acabamento da superfície, ou a utilização de painéis construídos de uma placa interna do isolante na espessura desejada e prensada entre placas metálicas tratadas contra corrosão. Em alguns casos, como quando uma câmara é mantida a uma temperatura relativamente alta (acima do ponto de congelamento), não é necessário isolar o piso, o acréscimo do fluxo de calor através do piso não é tão alto para exigir um ajuste mais significativo nos

equipamentos de refrigeração. Em todos os outros casos, o piso deve ser isolado de forma a evitar perdas de energia.Para câmaras de congelados, devem ser tomadas precauções para evitar o congelamento do piso.

A propriedade de um material em diminuir o fluxo de calor é indicada por sua condutividade térmica ou, de forma inversa, sua resistência térmica. A tabela 1 relaciona algumas dessas propriedades, entre as quais está a densidade, que quanto maior, maior será a resistência mecânica à compressão e maior resistência térmica.

Tabela 1.

Fonte: Neves Filho (1994).

O calor atravessa as paredes, o teto e o piso dos ambientes refrigerados, ocasionando diferença entre a temperatura da câmara e o ar externo mais quente. A quantidade de calor depende da diferença de temperatura, do tipo de isolamento, da superfície externa das paredes e do efeito de irradiação solar.

O cálculo sempre deverá ser feito levando-se em consideração todas as paredes, teto e piso, conforme abaixo:

• Paredes = 2 x ( A x B )

• Paredes = 2 x ( C x B)

• Piso + Teto = 2 x ( A x C )

Equação da Transmissão de Calor nas paredes, teto e piso:

Q= A x Fator Tabela

Onde:

CQ= Quantidade de calor transferido

A = Área da superfície externa da parede (m²)

Fator Tabela = Coeficiente total de transmissão de calor (kcal/m²24h)

Tabela 2.

Determinando o Fator Tabela

• D.T. = Diferença de temperatura através da parede

• Tipo de isolamento (Isopor, poliuretano...)

• Espessura do isolamento (mm)

4.1.2 Infiltração de ar.

É a parcela correspondente ao calor do ar que atinge a câmara através de suas aberturas. Toda vez que a porta é aberta, o ar externo penetra no interior da câmara, representando uma carga térmica adicional. Evidentemente, a determinação exata deste volume é muito difícil, sendo valores aproximados para o número de trocas por dia, em função do tipo e volume da câmara.

Em câmaras frigoríficas com movimentação intensa e com baixa temperatura, este valor aumenta tremendamente. Neste caso é fundamental a utilização de um meio redutor desta infiltração, tais como uma cortina de ar ou de PVC (em alguns casos, é recomendável a utilização das duas soluções em conjunto). A infiltração de ar em demasia acarreta um bloqueio dos evaporadores, devido a formação de gelo em seu redor, o que reduz a capacidade do sistema de refrigeração, e conseqüentemente, aumenta o consumo de energia elétrica.

Equação da Carga de infiltração (abertura de portas)

Q2 = V x N(Fator Tabela 3) x Fator Tabela 4

Onde:

Q2 = Quantidade de calor infiltrado

V = Volume da câmara (m³)

N = número de abertura de portas (Fator Tabela 3)

Fator Tabela 4 = ganho de energia por m³ de câmara, em função de temperaturas e umidade relativa interna e externa (kcal/m³)

Tabela 3.

Tabela 4.

Para evitar infiltração de ar pela entrada da câmara é necessário a instalação de uma anti-câmara, emprego de uma cortina de ar apropriada ou portas do tipo impacto, reduzindo 80% ou cortina de ar com proteção de 60% a 80%.

Funcionamento

Para o bom funcionamento de uma máquina frigorífica é necessário se basear-se em três

princípios.

1. O calor transfere-se das zonas quentes para as zonas frias (ou menos quentes).

2. A pressão é proporcional à temperatura. Ou seja, aumentando a pressão,

aumenta-se a temperatura.

3. A evaporação de um líquido retira calor. Fenômeno análogo à sensação de

frescura sentida pela evaporação de álcool sobre a pele, ou pela transpiração.

Na figura 6, apresentamos um sistema frigorífico simplificado que é refrigerado através de troca de calor de um evaporador.

O evaporador é um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na câmara, movimentado pela ação do ventilador. No evaporador ocorre a evaporação do fluido refrigerante, idealmente um processo isobárico (na realidade, com pequena variação de pressão). Ainda no interior da câmara, próximo do evaporador, está o dispositivo de expansão (a válvula termostática). Este então é um dispositivo frigorífico de expansão direta: a expansão ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da câmara estão o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse é exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compressão de vapor.

No interior de cada refrigerador existe uma serpentina oculta (evaporizador) onde circula

um gás muito frio (-37 °C). O calor dos alimentos é transferido para este gás que vai

aquecendo à medida que percorre a serpentina. Para transferir esse calor para o exterior

usa-se um compressor que ao aumentar a pressão ao gás, aumenta-lhe a temperatura.

Este gás aquecido segue para o condensador (a serpentina visível na parte traseira do

frigorífico), onde troca calor com o ar exterior, arrefecendo o gás e condensando-o. O

líquido refrigerador passa então por uma válvula de expansão ou garganta, que provoca

um abaixamento brusco na pressão e consequente evaporação instantânea e auto-

arrefecimento. Este gás frio entra no frigorífico e completa-se o ciclo termodinâmico.

Conforme descrito acima no item 2, o funcionamento está baseado no princípio dos gases

perfeitos (ou gás ideal) e na Lei de Boyle-Mariotte. Seguindo estas regras, se um gás for

comprimido (aumentando sua pressão), o mesmo irá aquecer. O efeito contrário ocorre

quando esta pressão diminui, isto é, o gás sofre uma queda de temperatura. A finalidade

do compressor é basicamente esta, comprimir o gás para aquecê-lo e empurrá-lo para a

serpentina onde ocorre a troca de calor. Quando chega à placa evaporadora, onde está a

válvula de expansão, ocorre uma queda brusca da pressão, acompanhada também de

uma queda na temperatura.

Alguns frigoríficos não utilizam energia elétrica mas energia térmica, queimando

querosene, diesel ou qualquer forma de geração de calor. Essas máquinas são

extremamente silenciosas pois nao tem partes móveis além dos líquidos e gases que

passam em seu interior. Muito comumente são utilizados em áreas onde energia elétrica

não é facilmente disponível como trailers e regiões rurais ou em situações onde o barulho

do compressor pudesse incomodar, como quartos de hospital ou hotéis de luxo. O ciclo

termodinâmico nesses casos é chamado de Refrigeração por absorção. Essas máquinas

são relativamente sensíveis à inclinação.

O princípio de funcionamento deste tipo de aparelho está relacionado à Lei de Dalton.

Segundo a lei de Dalton, a pressão de uma mistura de gases e/ou vapores que não

reagem quimicamente entre si é igual à soma das pressões parciais de cada, ou seja, das

pressões que cada um teria se ocupasse isoladamente o mesmo volume, na mesma

temperatura.

O ciclo por absorção usa amônia como gás refrigerante e hidrogênio e água como

substâncias auxiliares. A pressão total é teoricamente a mesma em todos os pontos do

circuito. O que muda são as pressões parciais. Em um trecho, a pressão parcial da amônia

é menor que a do hidrogênio e o contrário em outro trecho. Assim, ambos os gases

circulam pelo sistema. Tal diferença de pressões parciais é produzida pela água, que tem

grande afinidade pela amônia e quase nenhuma pelo hidrogênio.

Em funcionamento, o vaporizador recebe solução concentrada de amônia em água. O

vaporizador é aquecido por meio de uma chama alimentada por GLP ou querosene. Este

aquecimento vaporiza a solução e a amônia, por ser mais volátil, é separada da água no

separador. Assim, a água que sai do mesmo é uma solução diluída de amônia em água. O

vapor de amônia é liquefeito no condensador e, ao sair, se mistura com hidrogênio.

Portanto, a pressão da amônia diminui devido à presença de outro gás na mistura. A

mistura de amônia e hidrogênio passa pelo evaporador, produzindo o resfriamento. Em

seguida, se encontra com a água quase pura do separador e ambas passam pela

serpentina do absorvedor.

Conforme já dito, a água tem elevada afinidade com a amônia e quase não tem com o

hidrogênio. Assim, na saída do absorvedor, a amônia está dissolvida na água e o

hidrogênio está livre, retornando ao evaporador. A solução concentrada de amônia em

água retorna ao vaporizador, reiniciando o ciclo.

A existência de sifões nas saídas do condensador e do separador servem para impedir a

passagem do hidrogênio. Portanto, no lado do condensador/separador, a pressão total é

praticamente a pressão parcial da amônia. A diferença de pressões parciais entre as

partes mantém o fluxo do ciclo enquanto houver aquecimento. A eficiência destes sifões, e

o perfeito funcionamento deste tipo de equipamento está diretamente relacionada a um

bom nivelamento do mesmo no piso.

Documents

Câmara Frigorífica