História do Refrigerador
Antes da invenção dos refrigeradores, as pessoas utilizavam métodos tradicionais para conservar alimentos, como salgar, defumar e secar. Durante o inverno, cavavam buracos para armazenar alimentos no subsolo. Sabiam que os alimentos duravam mais tempo quando mantidos frios, mas não entendiam o motivo.
Caixas de gelo foram os primeiros dispositivos usados como refrigeradores entre 1860 e 1890. Eram feitas de madeira revestida com zinco e possuíam compartimentos para armazenar gelo. Infelizmente, o gelo durava apenas uma semana antes de precisar ser substituído por um entregador de gelo (sim, essa profissão existia!). Como não havia como fabricar gelo, os entregadores colhiam-no durante o inverno e o armazenavam em casas de gelo até ser necessário.
O primeiro refrigerador comercial foi introduzido em 1911. O design original utilizava amônia como refrigerante, mas tinha um odor desagradável se vazasse e era tóxica quando inalada. O desenvolvimento continuou nas décadas de 1920 e 1930 até que o design comum de geladeira doméstica se tornasse disponível no mercado; este design mais moderno usava vários tipos de gás freon.
Refrigerador Doméstico Moderno
Como Funcionam os Refrigeradores
Os refrigeradores resfriam o espaço de armazenamento para itens perecíveis a fim de retardar o crescimento de bactérias e evitar a deterioração. Eles alcançam esse efeito de resfriamento absorvendo calor em uma área e transferindo-o para outra. O processo forma um ciclo contínuo de evaporação e condensação, que são ambos processos de calor latente.
Calor Latente e Sensível
Lado Baixo e Lado Alto
Metade de um sistema de refrigeração reduz a pressão e a temperatura do refrigerante. Esta parte do sistema é frequentemente referida como lado baixo e foca no processo de evaporação (onde o líquido muda de estado para gás).
A outra metade de um sistema de refrigeração aumenta a pressão e a temperatura do refrigerante. Esta parte do sistema é frequentemente referida como lado alto e foca no processo de condensação (onde o gás muda de estado para líquido).
Um sistema de refrigeração é um sistema fechado e requer um refrigerante que mudará de estado/fase repetidamente, de maneira segura e eficiente. Todos os sistemas de refrigeração consistem em cinco componentes principais: uma válvula de expansão, um evaporador, um compressor, um condensador e um termostato.
Partes do Refrigerador
Componentes do Sistema de Refrigerador
Uma maneira lógica de analisar um sistema de refrigerador é começar no ponto onde o refrigerante está em estado líquido, então seguir o refrigerante através do sistema enquanto ele muda de estado, pressão e temperatura. Lembre-se de que o refrigerante irá evaporar e condensar durante o ciclo de refrigeração e que isso resulta no refrigerante absorvendo ou liberando calor (evaporação e condensação, respectivamente).
Sistema de Refrigeração
Válvula de Expansão ou Tubo Capilar
Uma válvula de expansão ou tubo capilar marca o início do lado baixo do sistema de refrigeração e é o ponto onde o refrigerante muda de estado de líquido para vapor. Pequenos sistemas de refrigeração usam tubos capilares, enquanto unidades maiores usam válvulas de expansão.
Tubos capilares são formados enrolando tubos de cobre várias vezes para formar um cilindro espiral; seu design é básico, então este artigo focará na válvula de expansão e seu funcionamento. Independentemente de qual design é usado, o propósito dos tubos capilares e das válvulas de expansão é o mesmo: redução de pressão e temperatura.
Uma válvula de expansão regula quanto refrigerante é descarregado para o evaporador. O refrigerante que passa pela válvula de expansão experimenta uma queda significativa de pressão e temperatura. Para conseguir isso, a válvula possui uma entrada, uma saída e os componentes internos da válvula (trim) instalados entre eles.
- A entrada admite refrigerante líquido quente e pressurizado do condensador.
- O propósito da válvula é regular (estrangular) quanto refrigerante flui através da válvula. O volume de refrigerante que passa pela válvula depende do equilíbrio de pressão atuando sobre um diafragma dentro da válvula. Tipicamente, o gás de um bulbo sensor atuando sobre o diafragma empurra a válvula para abrir, enquanto a pressão do evaporador e uma mola de pressão ajustável na parte inferior da válvula atuam no lado inferior do diafragma e fazem a válvula fechar. O bulbo sensor forma um circuito de feedback, que autorregula o fluxo através da válvula com base na pressão do sistema após o evaporador. Note que as posições do bulbo sensor e da mola dentro da válvula podem ser invertidas.
- A saída libera um spray de refrigerante líquido-vapor frio, de baixa pressão e em ebulição no evaporador.
Válvula de Expansão Termostática
A maioria das unidades de refrigeradores usa um bulbo sensor cheio de gás para gerar um sinal sobre se é necessário mais ou menos resfriamento. Quando o bulbo sensor está mais quente do que a temperatura desejada, o gás dentro do bulbo se expande, o que faz a pressão atuar sobre o diafragma da válvula de expansão termostática, o que faz a válvula abrir e mais refrigerante fluir para o evaporador (assim alcançando mais resfriamento e uma temperatura mais baixa).
Uma vez que o evaporador tenha removido calor suficiente e reestabelecido a temperatura desejada, o gás dentro do tubo capilar se contrai, o que faz a válvula de expansão termostática se mover em direção à posição fechada.
Em resumo, a válvula de expansão recebe refrigerante líquido do condensador e então reduz sua pressão, o que causa uma queda resultante na temperatura. A pressão mais baixa faz com que o refrigerante ferva e se torne vapor. O refrigerante está em sua temperatura mais fria ao sair da válvula de expansão. Um bulbo sensor envia um sinal para a válvula de expansão termostática e este sinal é convertido em movimento linear do diafragma, o que resulta na válvula regulando o fluxo (estrangulando o fluxo).
Evaporador
O evaporador é o que torna o interior dos compartimentos do freezer e do refrigerador de uma geladeira frio. À medida que o frio, vapor de baixa pressão da válvula de expansão viaja através das bobinas do evaporador, as bobinas frias atraem e absorvem calor da área circundante. Um ventilador é instalado em refrigeradores maiores para passar ar pelas bobinas do evaporador e assim aumentar a taxa de transferência de calor entre as bobinas e a área circundante.
Compressor
O compressor é considerado o coração do ciclo de resfriamento de uma geladeira e o início do lado alto do sistema. É o contraponto da válvula de expansão, pois o refrigerante está em sua temperatura mais fria e pressão mais baixa quando sai da válvula de expansão, e em sua temperatura mais quente e pressão mais alta quando sai do compressor.
Os compressores vêm em designs alternativos (o mais comum), rotativos e centrífugos, mas independentemente de seu design, o propósito de um compressor é aumentar a pressão do refrigerante. Os compressores conseguem isso sugando/puxando o refrigerante do evaporador, aumentando a pressão do vapor e descarregando-o para um condensador. A compressão do vapor faz com que sua temperatura aumente. O fluxo através do sistema de refrigeração é causado pela diferença de pressão (ΔP) criada pelo compressor.
Condensador
Em pequenos refrigeradores, o condensador é geralmente uma série de tubos ou uma bobina, e o agente de resfriamento é o ar. Em plantas de resfriamento maiores, o condensador é geralmente um trocador de calor de casco e tubo, com o refrigerante fluindo através dos tubos (fluido do lado do tubo) e a água de resfriamento fluindo ao redor dos tubos (fluido do lado do casco); a água de resfriamento é o agente de resfriamento.
Chiller de Refrigeração Industrial Moderna
O propósito do condensador é resfriar (remover calor) do vapor quente do refrigerante para que ele mude de estado para líquido. Em geladeiras e freezers pequenos, o condensador é tipicamente instalado na parte traseira do gabinete. O comprimento e as configurações de curvatura do condensador são projetados para expelir calor enquanto garantem que o refrigerante tenha tempo suficiente para resfriar. Como os evaporadores, condensadores resfriados a ar podem utilizar um ventilador axial para aumentar a taxa de transferência de calor entre o ar e o refrigerante.
O refrigerante líquido do condensador é descarregado para a(s) válvula(s) de expansão, fechando assim o ciclo do sistema de refrigerante.
Termostato
Um termostato é usado para medir a temperatura real dentro do espaço refrigerado e compará-la à temperatura desejada. Termostatos podem usar sinais mecânicos ou eletrônicos dependendo de quão complexo é o sistema de refrigerador.
O principal propósito de um termostato é garantir que a temperatura desejada seja mantida. Ele consegue isso enviando um sinal para o compressor para iniciar ou parar, se a temperatura estiver muito alta ou baixa, respectivamente.
Sistemas que dependem apenas de sinais eletrônicos, têm relés associados que iniciam e param o(s) compressor(es). Sistemas que utilizam sinais eletromecânicos, geralmente utilizam tiras bimetálicas para iniciar e parar o compressor.
Temperatura, Pressão e Ponto de Saturação
Para saber se um sistema de refrigeração está funcionando corretamente, leituras de temperatura e pressão são usadas como indicadores-chave do nível de saturação de um refrigerante.
O ponto de saturação também é conhecido como ponto de ebulição, é o ponto em que o líquido não pode armazenar mais energia térmica sem começar a mudar de estado. Muitas vezes há alguma confusão sobre o ponto de saturação, as seguintes definições devem ajudá-lo a entender melhor o tópico.
- A temperatura de saturação é a temperatura na qual o líquido ferve e muda de estado para vapor.
- A pressão de saturação é a pressão na qual o líquido ferve e muda de estado para vapor.
- Vapor é gás que contém algumas gotas de líquido, aquecimento adicional do vapor levará o vapor a se tornar um gás.
À medida que a pressão do sistema aumenta, também aumenta a temperatura de saturação, ou seja, o ponto em que o líquido começa a se transformar em vapor. Por exemplo, água doce/doce ferverá a uma temperatura abaixo de 100⁰C (212⁰F) se a pressão for inferior à pressão atmosférica (1 bar, 14,5 psi). Da mesma forma, se a pressão do sistema for aumentada para 100 bar (145 psi), a água doce só começará a ferver a uma temperatura muito superior a 100⁰C (212⁰F). Assim, ao controlar a pressão do sistema, é possível controlar a temperatura de saturação do refrigerante e, correspondentemente, seu estado em vários pontos dentro do sistema.
Ponto de Ebulição com Base na Pressão e Temperatura
As leituras de temperatura e pressão de saturação são especialmente importantes para o evaporador e o condensador porque o refrigerante deve se aproximar da temperatura de saturação para evaporar ou condensar.
As relações entre temperatura, pressão e temperatura de saturação são indicadas em gráficos de temperatura-pressão de refrigeração. Como cada tipo de refrigerante tem propriedades diferentes (diferente temperatura de saturação etc.), o gráfico correto deve ser escolhido para o refrigerante correto.
Detalhes do Modelo 3D
Este modelo 3D representa um típico refrigerador doméstico. A invenção dos refrigeradores mudou massivamente o curso do desenvolvimento humano. Agora é possível armazenar alimentos por meses antes do consumo e isso libertou a humanidade dos ciclos de escassez e abundância associados à mudança das estações. Além disso, agora é possível enviar alimentos por distâncias consideráveis antes do consumo; isso permitiu grandes concentrações populacionais em áreas que tradicionalmente não poderiam suportar uma população tão grande. O modelo 3D mostra:
- Compressor
- Evaporador
- Condensador
- Tubo de Expansão (Tubo Capilar)
Cada um dos principais componentes do refrigerador foi destacado para auxiliar na compreensão.
Referências
https://www.achrnews.com/articles/94025-refrigerant-pressures-states-and-conditions
https://www.fda.gov/consumers/consumer-updates/are-you-storing-food-safely
https://www.youtube.com/watch?v=RdTG3gjZGpI
https://www.swtc.edu/Ag_Power/air_conditioning/lecture/expansion_valve.html
https://www.hvacrschool.com/flash-gas/
https://tigermechanical.net/blog/how-a-refrigerator-compressor-works/
https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works