Refrigeração

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Refrigeração é a ação de resfriar determinado ambiente de forma controlada, tanto para viabilizar processos, processar e conservar produtos (refrigeração comercial e industrial) ou efetuar climatização para conforto térmico (veja ar-condicionado e ventilação).

Ciclos de refrigeração

Para diminuir a temperatura é necessário retirar energia térmica de determinado corpo ou meio. Através de um ciclo termodinâmico, calor é extraído do ambiente a ser refrigerado e é enviado para o ambiente externo.
A refrigeração não destrói o calor, que é uma forma de energia.
Ela apenas o move de um lugar não desejado para outro que não faz diferença.
Entre os ciclos de refrigeração, os principais são o ciclo de refrigeração padrão por compressão, o ciclo de refrigeração por absorção e o ciclo de refrigeração por magnetismo.

Ciclo de refrigeração por compressão de Vapor

Princípios

Esquema básico de um sistema de refrigeração.

Num ciclo de refrigeração, por compressão de vapor (refrigerador, ar-condicionado), existem basicamente cinco componentes:
Compressor, condensador, dispositivo de expansão, evaporador e fluido refrigerante.
O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão (restrição), onde é submetido a uma queda de pressão brusca, onde passa a ter dois estados: predominantemente líquido e, em menor quantidade, gasoso.
O fluido refrigerante, nesse ponto, é denominado de flash gás.
Logo, o fluido é conduzido para o evaporador, onde absorverá calor do ar do ambiente a ser climatizado, vaporizando-se.
Na saída do evaporador, na forma de gás, é succionado pelo compressor, que eleva sua pressão (e temperatura) para que possa ser conduzido através do condensador, onde cederá calor ao ambiente externo, condensando o fluido e completando o ciclo.
O ventilador força a circulação de ar, fazendo com que o ar a ser resfriado atravesse, de forma perpendicular, os tubos aletados da serpentina do evaporador.

Etapas de um Ciclo Ideal de Refrigeração

Evaporação

Representação no diagrama pxh

A evaporação é a etapa onde o fluido refrigerante entra na serpentina como uma mistura predominantemente líquida, e absorverá calor do ar forçado pelo ventilador que passa entre os tubos aletados.
Ao receber calor, o fluido refrigerante saturado vaporiza-se, absorvendo calor latente e calor sensível.
A capacidade de refrigeração, em W, pode ser expressada através da equação:

${\displaystyle \dot{Q_l}=\dot{m}\ast (h_1-h_4)}$

Compressão

Representação no diagrama pxh

A função do compressor é comprimir o fluido refrigerante, sempre no estado físico de vapor, elevando a pressão do fluido.
Em um ciclo ideal, a compressão é considerada adiabática reversível (isoentrópica), ou seja, desprezam-se as perdas.
Na prática perde-se calor ao ambiente nessa etapa, porém não é significativo em relação à potência de compressão necessária.
A potência de compressão, em W, pode ser expressada pela seguinte equação:

${\displaystyle \dot{W_c}=\dot{m}\ast (h_2-h_1)}$

Condensação

Representação no diagrama pxh

A condensação é a etapa onde ocorre a rejeição de calor do ciclo.
No condensador, o fluido na forma de gás saturado é condensado ao longo do trocador de calor, que em contato com o ar cede calor ao meio ambiente.
O calor rejeitado pelo condensador, em W, pode ser expresso pela equação:

${\displaystyle \dot{Q_h}=\dot{m}\ast (h_2-h_3)}$

Expansão

Representação no diagrama pxh

A expansão é a etapa onde ocorre uma perda de pressão brusca, porém controlada que vai reduzir a pressão do fluido, da pressão de condensação para a pressão de evaporação.
Em um ciclo ideal ela é considerada isoentálpica, despreza-se as variações de energia cinética e potencial.

${\displaystyle h_3=h_4}$

Coeficiente de performance

O coeficiente de performance, COP, é um parâmetro fundamental na análise de sistemas de refrigeração.
Mesmo sendo de um ciclo teórico, pode-se verificar os parâmetros que influenciam o desempenho do sistema.
 A capacidade de retirar calor sobre a potência consumida pelo compressor deve ser a maior possível.
Define-se COP com a seguinte relação:

${\displaystyle COP=\dot{Q_l}/\dot{W_C}}$

Variáveis

${\displaystyle \dot{m}}$ - Vazão mássica de refrigerante em kg/s
${\displaystyle \dot{Q_l}}$ - Calor retirado pelo evaporador em W.
${\displaystyle \dot{Q_h}}$ - Calor cedido pelo condensador em W.
${\displaystyle \dot{W}}$ - Trabalho realizado pelo compressor em W.
${\displaystyle h_1}$, ${\displaystyle h_2}$, ${\displaystyle h_3}$ e ${\displaystyle h_4}$ - Entalpia de estado J/kg.
${\displaystyle COP}$ - Coeficiente de performance.