Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês Carnot. Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).

O rendimento da máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (Mas o rendimento nunca chega a 100%). O rendimento da máquina em percentagem é igual a:

${\displaystyle \left(1-{\frac {T_{f}}{T_{q}}}\right)\times 100\%}$

Onde:

${\displaystyle T_{f}}$ = Temperatura da fonte fria(em Kelvin)

${\displaystyle T_{q}}$ = Temperatura da fonte quente (em Kelvin)

A utilidade da máquina de Carnot é descobrir se uma máquina térmica tem bom rendimento, para assim ver se seu custo é viável para a indústria.

A possibilidade de interconversão entre calor e trabalho possui restrições para as máquinas térmicas. O Segundo Princípio da Termodinâmica, elaborado em 1824 por Sadi Carnot, é enunciado da seguinte forma:

" Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. 

Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)"

Funcionamento da máquina de Carnot

Figura 1 - Calor ${\displaystyle Q_{a}}$ convertido em trabalho

mostraremos a energia e a temperatura em ${\displaystyle Q}$ e ${\displaystyle T}$respectivamente, que durante cada ciclo do motor, a substância de trabalho absorve a energia ${\displaystyle Q_{a}}$ sob a forma de calor de um reservatório térmico mantido a temperatura constante ${\displaystyle T_{a}}$ e libera a energia ${\displaystyle Q_{b}}$ sob a forma de calor para um segundo reservatório térmico mantido a uma temperatura inferior, também constante ${\displaystyle T_{b}}$.

Exemplo: Em uma locomotiva a vapor, a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor. 

Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é convertida em trabalho mecânico. 

A outra parte dessa energia, chamada energia dissipada, é jogada para a atmosfera, que, nesse caso, possui o papel de fonte fria.

O rendimento de uma máquina térmica é dado pelo quociente do trabalho pela energia útil, onde o trabalho é definido pela diferença entre a energia útil e a energia dissipada. 

A equação do rendimento pode ser reescrita como a diferença entre a unidade e o quociente da energia dissipada pela energia útil.

Rendimento da Maquina (${\displaystyle r}$)

${\displaystyle r={\frac {W}{Q_{1}}}}$

Rendimento da Maquina em % (${\displaystyle r}$)

${\displaystyle r=(1-{\frac {Q_{2}}{Q_{1}}})\ X100\%}$

Trabalho (${\displaystyle W}$)

${\displaystyle W={Q_{1}}-{Q_{2}}}$

onde:

${\displaystyle {r}}$ é o rendimento;

${\displaystyle {Q_{1}}}$ é a energia útil;

${\displaystyle {W}}$ é o trabalho;

${\displaystyle {Q_{2}}}$ é a energia dissipada;

Processos do Ciclo e trabalho realizado

O Ciclo de Carnot demonstra que o maior rendimento possível para uma máquina térmica é o de uma máquina que realizasse um ciclo de duas transformações adiabáticas e duas transformações isotérmicas, alternadas entre si, de acordo com o esquema:

1) Processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido do, ou para o reservatório de alta temperatura;

2) Processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho de um reservatório a alta temperatura diminui até o outro;

3) Processo isotérmico reversível, cujo calor é transferido do, ou para o reservatório de menor temperatura;

4) Processo adiabático reversível, em que a temperatura do fluido de trabalho vai aumentando desde o reservatório (a baixa temperatura) até o outro

Figura 2 - Diagrama Pressão x Volume para o Ciclo de Carnot

mostra um diagrama p-V (pressão e Volume) do ciclo de Carnot. 

Como indicado pelas setas, o ciclo é percorrido no sentido horário. Imaginemos que a substância de trabalho é um gás, confinado em um cilindro isolado com um pistão pesado móvel. 

O cilindro pode ser colocado à vontade sobre qualquer um dos dois reservatórios térmicos,  ou seja, uma placa isolante. se colocarmos o cilindro em contato com o reservatório em alta temperatura com temperatura Ta, o calor |Qa| se transfere para a substância de trabalho partindo deste reservatório quando o gás sofre uma expansão isotérmica do volume Va para o volume Vb. Analogamente, com a substância de trabalho em contato com o reservatório em baixa temperatura com temperatura Tb, o calor |Qb| se transfere da substância de trabalho para o reservatório em baixa temperatura quando o gás sofre uma compressão isotérmica do volume Vc para o volume Vd.

Figura 3 - Reservatório 1

Figura 3 - Reservatório 2

Supomos que a transferência de calor para a substância de trabalho ou retirado de calor da substância de trabalho só podem acontecer durante os processos isotérmicos ab e cd  

Confirmamos que os processos isotérmicos bc e da que se juntam às duas isotermas nas Ta e Tb, são processos adiabáticos, ou seja, reversíveis, são processos nos quais não se transfere nenhuma energia sob a forma de calor. Para garantir que isto ocorra, durante os processos bc e da o cilindro é colocado sobre uma placa isotérmica quando o volume da substância de trabalho está variando.

O trabalho representado pela área sob a curva abc, mostra que a substância de trabalho está expandido, ou seja, realizado trabalho positivo quando ela eleva o pistão carregado. 

E o trabalho representado pela área sob a curva cda, mostra que a substância de trabalho está sendo comprimida, que significa estar realizado trabalho negativo sobre o ambiente ou, que é equivalente, o ambiente externo esta realizando trabalho sobre ela quando o pistão carregado desce.

Máquina de refrigeração

O Ciclo de Carnot em sentido anti-horário ilustra o funcionamento de uma máquina de refrigeração, em seu máximo rendimento.

Quociente de energia

No Ciclo de Carnot o quociente da energia dissipada pela temperatura da fonte fria é igual ao quociente da energia útil pela temperatura da fonte quente. 

Ou seja, os calores trocados pelas fontes quente e fria são proporcionais às temperaturas das fontes quente e fria. Logo, se tem que o quociente da energia dissipada pela energia útil é igual ao quociente da temperatura da fonte fria pela fonte quente. 

Assim, o rendimento fica igual à diferença de uma unidade com o quociente da temperatura da fonte fria pela da fonte quente.

${\displaystyle {\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}}$

onde:

${\displaystyle {T_{1}}}$ é a temperatura da fonte quente;

${\displaystyle {T_{2}}}$ é a temperatura da fonte fria;

${\displaystyle {Q_{1}}}$ é a energia útil;

${\displaystyle {Q_{2}}}$ é a energia dissipada;

O propósito de qualquer motor é transformar o máximo possível de energia extraída em trabalho. 

O motor de Carnot (ou seja, o motor de uma máquina térmica que opera no Ciclo de Carnot) necessariamente possui eficiência térmica menor que a unidade  ou seja, essa eficiência térmica é menor que 100%. Isto mostra que apenas parte da energia extraída em forma de calor de um reservatório de alta temperatura está disponível para realizar trabalho. 

O resto é liberado para o reservatório de baixa temperatura.

A máquina operante no Ciclo de Carnot independe da substância com que trabalhe. 

Ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é função exclusiva das temperaturas que formam os corpos quente e frio. 

Logo, duas máquinas térmicas diferentes que operem sob mesma temperatura (no Ciclo de Carnot) possuem rendimentos iguais.

Figura 4 - Calor Qa é convertido completamente em trabalho W

Observação: um rendimento igual a 100%  como idealizavam os inventores, é fisicamente impossível: para o rendimento máximo, todo calor que vem da fonte quente deveria ser convertido em trabalho. Isto só ocorreria se a temperatura da fonte fria fosse zero absoluto.

Gomes

          O segredo da refrigeração por absorção

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Grande parte do conteúdo do Portal da Refrigeração é voltada para os equipamentos de refrigeração que utilizam o ciclo de refrigeração por compressão (ou mecânica).
No entanto, essa forma de refrigeração não é única.
Existe a refrigeração "eletrônica" e a refrigeração por absorção que mencionaremos agora.

O ciclo de refrigeração por absorção é mais antigo que o ciclo por compressão.
Seus fundamentos são datados de 1777 e seu criador principal foi William Cullen.

Esse ciclo utiliza o calor como fonte de energia, ao contrário do ciclo por compressão, que utiliza a energia elétrica.
Esse ciclo não tem compressor.
Por calor entenda-se energia à uma determinada temperatura.
Água quente a 85ºC já é suficiente para alimentar o ciclo por absorção, e dele se obter temperaturas de 5ºC.
Uma resistência elétrica também pode ser utilizada nesse ciclo (muitos refrigeradores de pequeno porte usam o sistema de absorção com resistência elétrica).

No ciclo por absorção há necessidade de dois fluidos: o fluido refrigerante, que efetivamente remove calor do meio desejado por evaporação e o fluido absorvente, que deve absorver vapor do refrigerante em baixas temperaturas e ser menos volátil do que este, de forma a liberar vapor de refrigerante por aquecimento.
Esses fluídos misturam-se mas não se combinam de modo a poderem ser separados com a elevação da temperatura.

No evaporador há vapor de refrigerante de baixa pressão.
Este é absorvido por uma solução no absorvedor.
Caso, a temperatura desta solução se eleve a absorção de vapor poderia cessar.
Para evitar isto, o absorvedor é resfriado por água ou ar.

A solução no absorvedor é concentrada, pois contém grande quantidade de refrigerante.
No aquecedor, ocorre a adição de calor (fonte que forneça temperaturas elevadas), fazendo com que o refrigerante volte ao estado de vapor.
Este vapor está em elevadas temperatura e pressão e se move em direção ao condensador.

A solução líquida, que agora tem baixa concentração de refrigerante, retorna ao absorvedor por válvula redutora de pressão.
O objetivo desta válvula é manter a diferença de pressão entre o absorvedor e o aquecedor.
No condensador há passagem de ar, que resfria o vapor e condensa o refrigerante.
O refrigerante vai para o evaporador através de uma válvula de expansão e recebe calor.

O sistema Electrolux

Em 1922 dois estudantes de engenharia suecos, Baltzar Von Platem e Carl Gustav Munters, patentearam uma máquina e refrigeração de funcionamento contínuo, baixo custo, a qual foi tema de um trabalho de conclusão de curso.
Tal equipamento produzido inicialmente por seus criadores teve sua patente adquirida pela Electrolux, que a usou para projetar-se definitivamente no mercado de eletrodomésticos.

O sistema é o mais popular de todos os sistemas de refrigeração por absorção, por causa de seu uso em refrigeradores domésticos.
Seu funcionamento é baseado na lei das pressões parciais ou Lei de Dalton, segundo a qual em um recipiente contendo mais de um gás a pressão total é a soma da pressão parcial de cada gás.

No sistema Electrolux são empregados 3 fluidos: um refrigerante, geralmente amônia; um absorvente, geralmente água e um gás inerte, geralmente hidrogênio.
Existem 3 fluxos de fluidos: Fluxo de vapor, fluxo de soluções de água e amônia e fluxo de gás inerte.

No fluxo de vapor uma solução com alta concentração de amônia, ou solução rica, é aquecida liberando vapor de amônia o qual é retificado.
A retificação é feita em um tubo ascendente e sinuoso no qual a água contida no vapor condensa-se e retorna ao gerador de vapor.
Após a retificação o vapor de amônia é tornado líquido em um condensador. No condensador e retificador do sistema Electrolux existe somente amônia, ou seja, a pressão da amônia é igual à pressão do sistema.
O vapor de amônia não passa por uma válvula de expansão, mas sim por um sifão que impede o fluxo de gás inerte, existente no evaporador, ir para o condensador.
Evaporando a partir desse sifão o refrigerante expande-se no evaporador, no qual existe um gás inerte, geralmente hidrogênio.
Dessa forma a pressão da amônia no evaporador será dada pela diferença entre a pressão total e a pressão parcial do gás inerte.
Saindo do evaporador a amônia é absorvida por uma solução pobre em amônia, ainda a baixa pressão parcial formando a solução rica.

O fluxo de soluções água-amônia é movimentado por um termo sifão.
A solução rica em amônia vinda do absorvedor, a qual se encontra em temperatura próxima à ambiente, chega ao gerador passando por um trocador de calor em contra fluxo com uma solução com baixa concentração de amônia, ou solução pobre, aquecida, que retorna do gerador.
Nesse trocador de calor a solução rica é pré-aquecida e a solução pobre é pré-resfriada.
No gerador a solução rica é aquecida em um tubo capilar no qual o vapor é gerado.
A solução pobre, formada no gerador, sobe arrastada pelas bolhas de vapor de amônia um nível mais elevado que o topo do absorvedor.
O retorno da solução pobre ao absorvedor é feito por gravidade, passando pelo trocador acima citado, para ser pré-resfriada, enquanto o vapor separado no gerador segue a trajetória descrita para o primeiro fluxo.

O fluxo de gás inerte circula apenas no absorvedor e evaporador, únicos componentes que operam com baixa pressão parcial.
No evaporador, no qual há fluxo descendente, o gás inerte desce em razão do aumento de sua densidade devido ao resfriamento.
Chegando ao absorvedor o gás inerte é aquecido pelo processo exotérmico de absorção e sobe novamente ao topo do evaporador.

Os sistemas por absorção são fabricados para uso doméstico como refrigeradores de pequeno porte ou para potências relativamente elevadas (acima de 20 TRs), não estando o mercado provido de máquinas com potências intermediárias.

Os sistemas domésticos por absorção empregam, geralmente, o sistema Electrolux.
Esses sistemas apresentam funcionamento instável em temperaturas inferiores a 0o.C, por causa da elevada percentagem de gás inerte no evaporador e absorvedor.
Além disso, o coeficiente de performance desse tipo de sistema é baixo, tornando-o inviável para equipamentos maiores.

Mas a maior utilização do ciclo por absorção está na produção de água gelada, como resfriadores de líquido (chillers) que utilizam o calor proveniente da queima de um combustível ou calor recuperado de outras fontes, como chaminés de moto-geradores, rejeitos de processos industriais, entre outros.

Os resfriadores de líquido (chillers) que trabalham com o ciclo por absorção, ao contrário dos chillers utilizados na maioria das instalações, não têm compressor.
Esse ciclo tem como característica principal, o fato de que um fluido absorve o vapor do líquido refrigerante, sem contudo, com ele reagir, ou seja transformar-se numa outra substância.
Os líquidos absorvedor mais o refrigerante, após terem realizado o trabalho individual de cada um, ou seja, um absorver ( líquido absorvedor) e o outro se evaporar (refrigerante) têm, numa segunda etapa, que se separar um do outro, dando continuidade assim ao processo.
Para a separação deles basta aumentar a temperatura da mistura, ou seja, adicionar calor aos dois. Com o aumento da temperatura, o refrigerante se "solta" do líquido absorvedor e caminha para outra fase: a de condensação; por sua vez, o líquido absorvedor, livre do refrigerante, está pronto para absorver mais refrigerante.

Assim podemos dizer que, no chillers por absorção, quanto mais calor se coloca nele mais frio ele produz.

Combustíveis e calor de rejeito como fontes de calor para a refrigeração por absorção

As fontes de calor que podem ser utilizadas estão divididas em dois grupos: combustíveis e calor de rejeito. 

No primeiro grupo, utiliza-se comumente, como combustível, o gás natural, GLP, álcool, diesel, etc, também utilizados na queima direta, ou ainda, resíduo de matéria vegetal como casca de arroz, aparas de madeira, etc., ou seja, qualquer coisa que queime numa caldeira para produzir vapor ou água quente poderá ser utilizada como fonte de energia para o chillers por absorção.

No segundo grupo, pode-se considerar qualquer forma de rejeito de calor de processo, porém com a ressalva de que o nível energético (temperatura) deve girar em torno de 85°C ou acima, para se ter resultados satisfatórios com o ciclo por absorção. 

Como exemplo, uma chaminé que jogue para a atmosfera gases quentes à 200ºC, pode ser fonte de energia para alimentar um chillers por absorção e assim produzir frio (água gelada) sem custo de energia.

Sob o ponto de vista energético, em certos cenários a utilização desta tecnologia pode ser mais interessante que a utilização de sistemas de refrigeração por compressão. 

Nas Regiões Norte e Nordeste do Brasil, por exemplo, onde a necessidade de refrigeração para conservação da produção agrícola, principalmente de frutas e hortaliças, é mais evidente, a utilização de sistemas de refrigeração por absorção é uma alternativa a ser considerada. 

A utilização da energia solar como fonte de calor e para geração de energia elétrica é uma alternativa nestas regiões e, portanto, uma forma de se viabilizar a utilização de sistemas de refrigeração por absorção, tanto para condicionamento de ar, como para tratamento pós-colheita e industrialização de produtos agrícolas. 

Onde houver energia térmica disponível e de baixo custo, seja ela advinda da queima direta da biomassa, de biogás, de gases de escape de motores à combustão interna, solar ou de vapor residual de processos, a tecnologia de refrigeração por absorção pode ser empregada.

A geração de energia a partir da biomassa já é uma realidade em importantes setores onde significativo percentual da demanda de energia elétrica das plantas industriais  no sucroalcooleiro e o de papel/celulose — são supridos pelo bagaço e resíduos florestais, respectivamente. 

Os resíduos agrícolas, madeira, cana-de-açúcar, o biogás (produzido pela biodegradação anaeróbica existente no lixo e dejetos orgânicos), lenha e carvão vegetal, alguns óleos vegetais (amendoim, soja, dendê) são exemplos de biomassa.

São vários os processos de conversão da biomassa em energia; os mais simples consistem na combustão direta em fornos, caldeiras, etc. 

Porém, geralmente são ineficientes ou de aplicação restrita. 

Assim, o esforço em desenvolvimento científico e tecnológico, são direcionados para processos mais eficientes ou que permitam outras aplicações em substituição aos recursos fósseis, além da viabilização do aproveitamento da biomassa considerada residual - oriunda do lixo urbano e das atividades industriais e agroflorestais.

No caso da biomassa, ela pode ser utilizada como combustível em caldeiras ou aquecedores e, dessa forma, produzir o calor necessário para alimentar um chillers por absorção, que por sua vez produzirá água gelada para processo industrial ou ar-condicionado.

Existem fábricas de alimentos, por exemplo, que têm resíduos de casca de arroz, amendoim, etc, que são rejeitos vegetais, mas que podem ser queimados gerando calor na forma de vapor ou água quente e assim, utilizados como fonte de energia, na produção de frio a custo praticamente zero”.

Já a utilização do gás natural é mais vantajosa quando não se tem resíduos para serem queimados, ou não há possibilidade de recuperação de calor de outros processos. 

“O gás natural é bastante vantajoso, principalmente quando se tem os chillers funcionando no horário de ponta da energia elétrica”.

Implantação e custo de um chillers por absorção

Existem centenas de chillers por absorção instalados em grande parte dos estados brasileiros. 

Os chillers por absorção podem ser utilizados em todos os tipos de empreendimento. 

As vantagens são a economia que se faz tanto com gastos de energia como de manutenção, pois os chillers por absorção, por não terem grandes componentes móveis, têm manutenção mais barata do que os chillers por compressão”.
O custo de instalação do chillers por absorção, no caso os que utilizam brometo de lítio como líquido absorvedor, é hoje 10 a 15% mais caro do que os chillers convencionais por compressão e, em muitos casos essa diferença é amortizada de um a três anos, após a instalação, pela economia que se obtém nos custos de energia e manutenção somados.

Existem diversas instalações nas mais diversas aplicações, como queima de combustível (gás natural, GLP - gás liquefeito de petróleo - eucalipto, etc.), ou ainda com recuperação de calor nas mais diversas formas e fontes.

Para o profissional da refrigeração que trabalha com chillers vale a pena se aperfeiçoar nos que utilizam o sistema de absorção pois eles devem aumentar sua participação no Brasil, na medida em que as empresas procuram mais eficiência em suas operações.

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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.