Como funcionam as geladeiras

Em quase todas as cozinhas existe uma geladeira. 

De 15 em 15 minutos, aproximadamente, 

voce escuta o motorligando e é o que mantém os produtos resfriados. 

Sem a geladeira, teríamos que jogar fora todas as sobras de comida ao invés de guardar para uma outra refeição.

A geladeira é uma das grandes invenções da vida moderna. Até então, a única forma de conservar os alimentos era salgando-os, e bebidas geladas no verão eram um verdadeiro luxo.

Neste artigo, veremos como funciona o desempenho de sua geladeira. Veremos também sobre embalagens resfriadas, resfriadores eletrônicos e os refrigeradores de propano encontrados nas RVs.

O propósito da refrigeração

A razão fundamental para se possuir uma geladeira é manter a comida resfriada. Baixas temperaturas ajudam a manter a comida fresca por mais tempo. A idéia básica por trás da refrigeração é diminuir a velocidade da atividade das bactérias (que existem em todos os alimentos) fazendo com que elas demorem mais para estragar os alimentos.

Por exemplo, uma bactéria irá estragar o leite em duas ou três horas se o leite for deixado na cozinha à temperatura ambiente. Porém, reduzindo a temperatura do leite, ele ficará fresco por uma ou duas semanas - a baixa temperatura dentro dos refrigeradores desacelera muito a atividade das bactérias. Ao resfriar o leite, você pode parar totalmente a atividade das bactérias, e o leite pode durar bem mais.

Refrigeração e congelamento são duas das formas mais comuns de preservar alimentos usadas hoje em dia. Para obter mais informações sobre outras formas de preservação de alimentos, veja Como funciona a preservação dos alimentos.

Partes de uma geladeira

A idéia básica por trás de uma geladeira é muito simples: ela usa a evaporação de um líquido para absorver calor. Você sabe que quando coloca água em sua pele, normalmente você sente um frescor. Quando a água evapora, ela absorve calor, criando esta sensação de frio. Esfregar álcool sempre dá uma sensação de ainda mais frio pois este evapora em menores temperaturas. O líquido usado em uma geladeira evapora a uma temperatura mais baixas, e assim ele pode criar temperaturas geladas dentro do refrigerador. Se você colocar o fluido refrigerante (líquido da geladeira) em sua pele ele irá congelá-la enquanto evapora.

Existem cinco partes básicas em qualquer geladeira (ou sistema de ar condicionado):

• compressor

• tubos para a troca de calor: serpentina ou conjunto de tubos fixado na parte de fora da unidade

• válvula de expansão

• tubos para a troca de calor: serpentina ou conjunto de tubos fixado na parte de dentro da unidade

• fluido refrigerante: líquido que evapora dentro da unidade para criar temperaturas baixas

1. O compressor comprime o gás refrigerante. 

1. Isto eleva a pressão e temperatura do fluido refrigerante (laranja), de modo que as serpentinas externas de troca de calor da geladeira permitem que o fluido refrigerante dissipe o calor devido à pressurização;

1. À medida que esfria, o fluido refrigerante se condensa em forma líquida (roxo) e flui pela válvula de expansão;

1. Quando passa pela válvula de expansão, o líquido refrigerante se move da zona de alta pressão para a zona de baixa pressão, e se expande e evapora (azul claro);

1. As serpentinas dentro da geladeira permitem que o fluido refrigerante absorva calor, fazendo com que a parte interna da geladeira fique fria. Então, o ciclo se repete.

1. A temperatura do ar dentro do forno é de 204ºC. 

1. A água que evapora dentro do copo, permanece em 100ºC, produzindo muito vapor de 204ºC. 

1. Digamos que a criatura recolhe o vapor em uma grande sacola.

1. Assim que toda a água evapora, ele pressuriza a água dentro de um recipiente de aço. 

1. No processo de pressurização, a temperatura fica em torno de 426ºC e permanece como vapor. 

1. De modo que agora o recipiente de aço é "quente" para a criatura, pois contém vapor a 426ºC.

1. O recipiente de aço dissipa o excesso de calor para o ar do forno, e este finalmente volta a 204ºC. 

1. Neste processo, a alta pressão do vapor no recipiente se condensa em água pressurizada (exatamente como o butano no isqueiro - veja na box).

1. Neste ponto, a criatura libera a água do recipiente de aço pressurizado para um pote, e ela imediatamente começa a evaporar, sua temperatura cai para 100ºC.

1. O compressor comprime o gás de amônia. 

1. O gás comprimido esquenta quando é pressurizado (laranja).

1. As serpentinas na parte traseira deixam que o gás de amônia quente dissipe seu calor. 

1. O gás de amônia se condensa em amônia líquida (azul escuro) a alta pressão.

1. A amônia líquida a alta pressão flui através da válvula de expansão.

1. A amônia líquida imediatamente ferve e evapora (azul claro) e sua temperatura cai para -32ºC. 

1. Isto faz com que a parte interna fique fria.

1. Este gás de amônia frio é sugado por um compressor, e o ciclo se repete.

• gerador: gerando gás de amônia

• separador: separando o gás de amônia da água

• condensador: onde o gás de amônia quente é gelado e condensado para criar amônia líquida

• vaporizador: onde a amônia líquida evapora para criar baixas temperaturas dentro da geladeira 

• absorvedor: que absorve a gás de amônia na água

1. O calor é aplicado ao gerador. 

1. O calor vem de uma fonte como gás, propano ou querosene.

1. No gerador está a solução de amônia e água. 

1. O calor eleva a temperatura da solução até o ponto de ebulição da amônia.

1. A solução em ebulição flui para o separador. 

1. No separador, a água é separada do gás de amônia.

1. O gás de amônia sobe para o condensador. 

1. O condensador é composto por serpentinas de metal e aletas que permitem que o gás de amônia dissipe o calor e se condense como líquido.

1. A amônia líquida vai para o evaporador, onde se mistura ao gás de hidrogênio e evapora, produzindo baixas temperaturas.

1. Os gases de amônia e hidrogênio correm para o absorvente. 

1. Aqui, a água que foi coletada no separador é misturada com os gases de amônia e hidrogênio.

1. A amônia forma uma solução com a água e o hidrogênio é liberado, fluindo novamente para o evaporador. 

1. A solução de amônia e água corre em direção ao gerador para repetir o ciclo.

Muitas instalações industriais usam amônia pura como refrigerante. 

Amônia pura evapora a -32º C (27º F).

O mecanismo básico de uma geladeira funciona assim:

Esse é praticamente um padrão - e um tanto insatisfatório - de explicação de como funciona uma geladeira. 

Então, vejamos vários exemplos para entendermos o que realmente acontece.

Entendendo a refrigeração

Para entender o que acontece dentro de uma geladeira, é preciso saber um pouco mais sobre fluidos refrigerantes. 

Aqui estão dois experimentos que ajudarão a entender o que acontece.

Isto é exatamente o que acontece quando os humanos lidam com nitrogênio líquido. 

O segundo experimento é extremamente interessante se você pensar da seguinte forma: imagine uma criatura que viva muito feliz em um forno a 204ºC. 

Essa criatura acha que 204ºC é ótimo - a temperatura perfeita (assim como os humanos acham que 21ºC é ótimo). 

Se a criatura está em um forno a 204ºC, e se há um copo de água fervendo a 100ºC, o que esta criatura irá sentir a respeito da água? 

Ela irá sentir que esta água é realmente fria. 

Afinal, a água fervente é 104ºC mais fria do que os 204ºC que esta criatura acha confortável. 

Esta é a grande diferença.

Nós sentimos que 21ºC é confortável. 

O nitrogênio líquido ferve a -195ºC. 

Então se você tem um pote de nitrogênio líquido em cima da mesa da sua cozinha, sua temperatura será de -195ºC, e irá evaporar - para você, é claro, será incrivelmente frio.

Geladeiras modernas usam um ciclo de regeneração para reutilizar o mesmo fluido refrigerante repetidamente. 

Você pode ter uma idéia de como isto funciona imaginando novamente nossa criatura e seu copo de água. 

Ele pode criar um ciclo de renovação seguindo os seguintes passos:

Repetindo estas quatro etapas, a criatura agora tem uma forma de reutilizar a mesma água repetidamente para gerar refrigeração.

Agora vejamos como essas quatro etapas se aplicam a nossa geladeira.

A geladeira em sua cozinha usa um ciclo que é similar ao descrito na seção acima. 
Porém, nela o ciclo é contínuo. 
No exemplo a seguir, assumiremos que o refrigerante usado é amônia pura, que ferve a -32ºC. 
Isto é o que acontece para manter a geladeira fria:

1. Você pode pensar que a válvula de expansão é um pequeno buraco. Em um lado do buraco está a amônia líquida a alta pressão. 
2. O outro lado do buraco é uma área de baixa pressão (pois o compressor está sugando o gás desse lado).

A propósito, se você já desligou seu carro em um dia quente quando estava com o ar condicionado ligado, deve ter ouvido um assobio sob o capô. 
Este barulho é o som do líquido refrigerante a alta pressão que flui pela válvula de expansão.

O gás de amônia puro é muito tóxico para as pessoas e corre risco de vazar do refrigerador, de modo que os refrigeradores domésticos não devem usar amônia pura. 
Você já deve ter ouvido falar de refrigerantes conhecidos como CFCs(clorofluorocarbonetos), originalmente desenvolvidos pela Du Pont nos anos 30 como um substituto não tóxico para a amônia. O CFC-12 (diclorodifluorometano) tem aproximadamente o mesmo ponto de ebulição da amônia. 
Porém, o CFC-12 não é tóxico para seres humanos, de modo que é seguro para ser usado em sua cozinha. 
Muitos refrigeradores industriais grandes ainda usam amônia.

Nos anos 70 descobriu-se que os gases CFC em uso eram prejudiciais à camada de ozônio, de modo que nos anos 90, todos os novos refrigeradores e ar condicionados passaram a usar refrigerantes menos prejudiciais à camada de ozônio.

Refrigeradores a gás e propano
Se você tem um trailler ou usa uma geladeira onde a energia elétrica não é disponível, provavelmente a sua geladeira é movida a gás ou propano. 
Esses refrigeradores são interessantes pois não têm partes móveis e usam gás ou propano como sua fonte primária de energia. 
Além disso, usam calor em forma de chama de propano, para produzir o frio dentro do refrigerador.

Uma geladeira a gás usa amônia como meio de resfriamento, e este usa água, amônia e gás de hidrogênio para criar um ciclo contínuo para a amônia. 
O refrigerador tem cinco partes principais:

O ciclo trabalha desta forma:

Este site (em inglês) oferece uma descrição extremamente detalhada do processo.

Geladeiras elétricas
Você já deve ter visto que os novos resfriadores de seu carro não usam gelo, ao invés disto, eles são ligados no acendedor de cigarros de seu carro. 
Estes resfriadores dependem de um processo conhecido como efeito Peltier, ou efeito termoelétrico, para produzir baixas temperaturas eletronicamente.

Você pode criar o efeito Peltier com uma bateria, duas peças de fio de cobre e uma peça de bismuto ou fio de ferro. Apenas conecte os fios de cobre aos dois pólos de uma bateria, e então conecte o bismuto ou fio de ferro entre as duas peças de fio de cobre. 
O bismuto/ferro e cobre devem se tocar - e é esta junção que causa o efeito Peltier.

A junção onde a corrente flui do cobre para o bismuto esquenta, e a junção onde a corrente flui do bismuto para o cobre irá ficar fria. 
A temperatura máxima cai de cerca de 4ºC em relação à temperatura ambiente onde a junção quente está localizada.

Para criar um resfriador Peltier, a junção quente é colocada na parte de fora da geladeira e a junção fria é colocada na parte de dentro. Normalmente, você cria um módulo contendo muitas junções para amplificar este efeito. 
Veja os detalhes sobre o efeito Peltier nos links no final deste artigo.

Embalagens resfriadas
Falando sobre refrigeração e resfriamento, você já deve ter usado uma destas "embalagens de resfriamento instantâneo" que parecem um saco plástico cheio de líquido. 
Você o aperta, sacode e ele fica extremamente frio. 
O que acontece aqui?

O líquido dentro da embalagem resfriada é água. 

Na água no outro saco plástico ou tubo contém o fertilizante nitrato de amônia. 

Quando você aperta a embalagem resfriada, esse ato quebra o tubo fazendo com que a água se misture com o fertilizante. 

A mistura cria uma reação endotérmica - que absorve calor. 

A temperatura da solução cai para cerca de 1ºC dentro de 10 a 15 minutos.

Gomes

Refrigeração Eletrônica

Existem no mercado diversos modelos de bebedouros, que são qualificados como “eletrônicos”. 

O uso desse termo dá a impressão de que se trata de um equipamento moderno e com características vantajosas para os usuários. 

Mas o que acontece é justamente o contrário.

Os chamados “bebedouros eletrônicos” usam pastilhas termoelétricas do tipo Peltier em lugar do compressor. Essas pastilhas são capazes de refrigerar, mas são adequadas para equipamentos nos quais a necessidade de refrigeração é muito pequena, como os microprocessadores. 

Em bebedouros, o uso dessas pastilhas é uma solução que não possibilita o mesmo desempenho que um equipamento tradicional, como o compressor.

O primeiro aspecto a ser considerado é que bebedouros com compressor consomem muito menos energia elétrica. 

Uma avaliação rigorosa feita pelo instituto Proteste em setembro de 2010, com seis modelos de bebedouros eletrônicos, mostrou que todos tinham nível de consumo elétrico altíssimo, além de terem desempenho fraco na função de gelar a água.

O fato é que o processo de refrigeração baseado na compressão de vapor proporciona uma performance muito superior para essa aplicação. 

Ou seja, com o compressor, o bebedouro deixa a água mais gelada e a resfria mais rapidamente.

A robustez e a resistência do compressor às oscilações de tensão da rede são outros fatores que devem ser considerados na comparação. 

Para completar, os compressores apresentam mais uma vantagem importante no que diz respeito ao projeto do bebedouro: com eles, não é preciso incluir componentes como microventilador, fonte, transformador e placa eletrônica, que são parte obrigatória de qualquer sistema à base do processo Peltier.

Até no aspecto da saúde, os modelos com compressor levam vantagem, pois não existe a possibilidade que contaminem a água. 

O mesmo não pode ser dito das pastilhas termoelétricas, que, em alguns casos, ficam dentro do reservatório de água, para ganho de espaço.