ARTIGO ORIGINAL
SANTOS, Aléxia Botelho dos [1], MENDES, Ana Paula [2], SANTOS, Joycielle Naira dos [3], PEREIRA, Kamyla Sthephne Oliveira [4], SANTOS, Larissa Maria Silva [5], PEREIRA, Raiane Roberta Bueno [6], SANTOS, Alexsander Saves dos [7]
SANTOS, Aléxia Botelho dos. Et al. Estudo e dimensionamento de um sistema de refrigeração portátil. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano. 06, Ed. 09, Vol. 01, pp. 93-113. Setembro 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/refrigeracao-portatil, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/refrigeracao-portatil
RESUMO
A refrigeração é uma Operação Unitária responsável pela diminuição, de forma artificial, da temperatura de um sólido ou fluído até o ponto de congelamento. O presente trabalho teve como objetivo desenvolver um refrigerador por compressão a vapor tipo portátil, leve e de baixo custo, para o resfriamento de bebidas armazenadas em latas e garrafas. A metodologia adotada foi uma pesquisa experimental, em que é apresentado todo o desenvolvimento do equipamento desde a seleção dos materiais, dimensionamento, montagem, testes de funcionamento e avaliação de desempenho em termos da capacidade de refrigeração. O projeto comprovou sua eficiência, uma vez que apresentou uma queda de temperatura de 27,1 ºC em 150 minutos, sendo que o fluído em temperatura ambiente de 26 ºC, atingiu ao término do processo a temperatura de -1,1 ºC, em um tempo relativamente baixo. Ademais, o trabalho promoveu dados adeptos com a literatura, gerando assim, resultados satisfatórios.
Palavras-chave: Refrigeração, Compressor, Evaporador, Temperatura.
1. INTRODUÇÃO
A refrigeração é uma Operação Unitária responsável pela diminuição, de forma artificial, da temperatura de um sólido ou fluído até o ponto de congelamento. Para Borgnakke e Sonntag (2002) a refrigeração pode ser definida como o processo que transfere calor de forma contínua de um ambiente refrigerado para um ambiente com temperatura mais baixa que o meio. É muito utilizada para diversos fins, como armazenamento e conservação de alimentos, climatizar ambientes, entre outros.
Nunes (2015) relata que na segunda metade do século XVIII, William Cullen (1794 – 1878) em 1755, diminuiu a pressão do éter para facilitar a evaporação e assim acelerar o processo de retirada de calor de uma quantidade pequena de água, notando que a temperatura baixou suficientemente para congelar a água e produzir gelo artificial. Anos depois, em 1834 Jacob Perkins (1766 – 1849) patenteou o primeiro equipamento com ciclo de refrigeração por compressão a vapor, porém, somente após 20 anos, o primeiro refrigerador foi construído. Os modelos atuais de refrigerador surgiram na segunda década do século XX e, desde então a refrigeração é imprescindível a todos.
O elemento pode constituir-se em três diferentes estados físicos, sendo estes, o estado líquido, gasoso e sólido. Entretanto, de acordo com a pressão e a temperatura, um específico tipo de elemento tem a possibilidade de se apresentar em qualquer outro estado físico. Em um sistema de refrigeração estão presentes duas transformações envolvendo a mudança de estado físico: a condensação e a vaporização. A vaporização é a passagem do estado líquido para o gasoso e ocorre dentro do evaporador e a condensação é a passagem do estado gasoso para o líquido e ocorre dentro do condensador (EVANGELISTA, 2010).
Por meio de uma configuração global ideal de trabalho, pode-se obter uma economia de energia em ciclos de compressão de vapor para cada equipamento do sistema e, em sequência, para todo o sistema (NUNES, 2015).
Segundo Ferraz (2008) refrigeradores são responsáveis pelo resfriamento de bebidas e alimentos, logo, existem inúmeros modelos no mercado com diferentes utilidades e temperaturas, podendo ser classificados nas categorias doméstica, comercial e industrial.
Os sistemas de refrigeração podem ser de compressão de vapor, absorção, refrigeração a ar e por efeitos termoelétricos. O sistema mais utilizado é o de compressão a vapor, enquanto os demais, apenas em condições específicas (NUNES, 2015).
Marques (2010) relata que o desempenho do ciclo de refrigeração por compressão a vapor depende, em particular, do fluído refrigerante, portanto, é importante a análise do coeficiente de desempenho do ciclo, através do Coeficiente de Performance (COP), onde é possível determinar qual fluído é mais viável para ser utilizado.
Determinados estudos apontam que para o melhoramento do desempenho dos sistemas de refrigeração é aplicado um o controle eletrônico nos equipamentos, como o comando eletrônico na velocidade do compressor e na abertura de válvula de expansão (NUNES, 2015). Assim, para que haja progresso no projeto e em seu controle contínuo, os avanços tecnológicos são essenciais para o melhor desempenho e confiabilidade dos sistemas de refrigeração (MCKINLEY; ALLEYNE, 2008).
Martínez (2009), termodinamicamente o ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor é composto por quatro processos, sendo um processo de compressão adiabática e reversível (compressor), desde o estado de vapor saturado até vapor superaquecido; um processo de rejeição de calor à pressão constante (condensador), reduzindo inicialmente a temperatura do refrigerante e condensando-o até um estado de líquido saturado; um processo de expansão irreversível, a entalpia constante (num dispositivo de expansão com redução de pressão) até atingir a pressão de evaporação; e finalmente, um processo de ganho de calor a pressão constante, resultando na evaporação do refrigerante até o estado de vapor saturado.
O fenômeno da refrigeração é resultante de transformações físicas sofridas por um fluido refrigerante durante seu percurso em um sistema fechado. Dentro de um sistema de refrigeração por compressão de vapor é composto basicamente por um compressor, condensador, um mecanismo de expansão (tubo capilar) e um evaporador (OLIVEIRA; REBELATTO; YAMASHITA, 2016).
Fluídos refrigerantes, são as substâncias empregadas como transmissores térmicos na realização dos ciclos de refrigeração. Por terem propriedades termodinâmicas, esses compostos são capazes de absorver calor, esfriando o ambiente de maneira controlada. A qualidade do fluído refrigerante é um fator fundamental para funcionamento e rendimento de sistemas de refrigeração (MORAIS, 2012).
Além de propriedades termodinâmicas, esses fluidos não devem ser tóxicos ou trazerem impactos ao meio ambiente. Rowland e Molina (1975) demostraram que o fluído refrigerante extensivamente utilizado nos sistemas de refrigeração, o CFC-12 (da família dos clorofluorcarbonos), possuía alto índice de destruição da camada de ozônio, o que fez com que fosse interrompido na década de 90, embora seus efeitos ainda sejam sentidos (SELLENT, 2011). O fluído mais usufruído em equipamentos de refrigeração no Brasil é o HFC-134A, pois independente da sua contribuição na degradação dentro da camada de ozônio ser quase inexistente, o efeito do aquecimento global continua considerável (OLIVEIRA; REBELATTO; YAMASHITA, 2016).
Nas palavras de Carmeis (2002) e Salvador (1999), o compressor é um componente mecânico mais complexo, movido por um motor elétrico, cuja função é puxar o refrigerante vaporizado do evaporador e o comprimir em um volume pequeno a uma alta temperatura, assim, fornece um diferencial de pressão de forma que o fluido refrigerante possa evaporar a uma temperatura inferior à temperatura de condensação e assim retirar calor de uma fonte fria e rejeitar esse calor para uma fonte quente.
Condensadores são os elementos do sistema de refrigeração que têm a função de transformar o gás quente, que é descarregado do compressor a alta pressão, em líquido. Para isso, rejeita o calor contido no fluido refrigerante para alguma fonte de resfriamento (FERRAZ, 2008).
O dispositivo de expansão tem a função de reduzir a pressão do refrigerante desde a pressão de condensação até a pressão de vaporização. Ao mesmo tempo, este dispositivo deve regular a vazão de refrigerante que chega ao evaporador, de modo a satisfazer a carga térmica aplicada ao mesmo (SEELENT, 2011).
O evaporador é a parte do sistema de refrigeração onde o fluído refrigerante passa uma modificação de estado, deixando a fase líquida e passando para a fase gasosa. Após passar pela válvula de expansão, o fluido refrigerante é admitido no evaporador da forma líquida. Como a pressão do evaporador é baixa, o fluido refrigerante se evapora com uma temperatura baixa (JÚNIOR, 2003).
Partindo destes conceitos, o objetivo foi desenvolver um refrigerador por compressão à vapor tipo portátil, leve e de baixo custo, para o resfriamento de bebidas armazenadas em latas e garrafas, de forma agradável para o consumo humano.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O presente projeto foi realizado no período de julho a agosto de 2020 na Universidade Brasil, localizada na Estrada Projetada F-1 s/n Fazenda Santa Rita, no Município de Fernandópolis-SP. A pesquisa desenvolvida foi experimental e seguiu as etapas elencadas na Figura 1:
Figura 1 – Etapas de desenvolvimento do projeto
Fonte: Os autores, 2020.As aquisições dos materiais para o desenvolvimento do projeto de refrigeração foram de recursos próprios, estabelecidos e providenciados nas proporções adequadas para o funcionamento do protótipo (Tabela 1).
Tabela 1 – Custos dos materiais utilizados e aplicações externas
| Material | Quantidade | Valor Unitário (R$) | Valor Total (R$) |
| Abraçadeira 3,1 cm x 1,8 cm | 9 | 2,00 | 18,00 |
| Abraçadeira 4,2 cm x 1,8 cm | 8 | 2,75 | 22,00 |
| Abraçadeira 8 cm x 1,8 cm | 15 | 3,50 | 52,50 |
| Adesivo + Arte | 1 | 25,00 | 25,00 |
| Arruelas | 8 | 0,20 | 1,60 |
| Caixa térmica 50 litros | 1 | 100,00 | 100,00 |
| Chapa metálica 21,7 cm X 16,2 cm | 1 | 8,00 | 8,00 |
| Chapa metálica 16,1 cm x 8,1 cm | 1 | 7,00 | 7,00 |
| Chapa metálica 16,1 cm x 7,1 cm | 1 | 7,00 | 7,00 |
| Cilindro de gás refrigerante Eos R-409A 750g | 1 | 102,00 | 102,00 |
| Controlador digital MT-512E | 1 | 160,00 | 160,00 |
| Cooler | 1 | 58,90 | 58,90 |
| Dimmer rotativo 1000W | 1 | 18,00 | 18,00 |
| Filtro secador | 1 | 9,90 | 9,90 |
| Motor de bebedouro 1/8 | 1 | 100,00 | 100,00 |
| Parafuso 1” x 3/8” | 8 | 0,71 | 5,68 |
| Parafuso brocante 1,3 cm | 120 | 0,12 | 14,40 |
| Porcas | 8 | 0,25 | 2,00 |
| Silicone PU-30 420g | 1 | 13,80 | 13,80 |
| Tinta spray colorgin 350 ml | 1 | 20,00 | 20,00 |
| Tubo capilar 0,50” | 3 metros | 6,67 | 20,00 |
| Tubo de cobre 5/16 | 11 metros | 9,27 | 102,00 |
| Tubo de cobre 3/8 | 4 metros | 11,25 | 45,00 |
| Válvula schrader | 2 | 5,00 | 10,00 |
| Aplicações externas (gás refrigerante no sistema) | 1 | 300,00 | 300,00 |
| TOTAL | R$ 1.222,78 |
Fonte: os autores, 2020.
Para que o protótipo funcionasse, seguiu-se as etapas de funcionamento do sistema de Compressão Mecânica de Vapor (CMV), de acordo com explanações de Ferraz (2008), onde o fluido refrigerante adentra no evaporador à baixa pressão, na forma de líquido mais vapor, e retira energia do meio interno enquanto passa para o estado de vapor. Após, o vapor entra no compressor onde é comprimido e bombeado, tornando-se vapor superaquecido, onde desloca-se para o condensador, que tem a função de liberar a energia retirada do ambiente. Após liberar energia, o fluido passa do estado de vapor superaquecido para líquido (condensação), entrando no dispositivo de expansão, após, a pressão é reduzida, volta ao evaporador e o ciclo inicia novamente. A Figura 2 ilustra esse sistema.
Figura 2 – Representação de um sistema de refrigeração.
Para desenvolvimento do projeto de refrigeração, seguiram as etapas que estão destacadas no Quadro 1.
Quadro 1 – Desenvolvimento do protótipo.
Fonte: Os autores, 2020.
De acordo com o projeto de mini refrigerador desenvolvido por Seelent (2011), um refrigerador de bebidas com alto rendimento e potência de 960 W, consegue refrigerar de 28 °C para 0 °C, 24 garrafas de 600 ml em uma hora e vinte minutos. Partindo disso, fez-se os testes no protótipo para verificação da capacidade do compartimento conforme demonstrado na Tabela 2.
TABELA 2: Capacidade de cervejas do Mini Refrigerador Portátil.
| COMPARTIMETO FREZER (maior) | COMPARTIMENTO GELADEIRA (menor) | ||
| 12 | GARRAFAS 1L EM PÉ | + 10 GARRAFINHAS 300 mL | = 22 |
| 20 | GARRAFAS 600 Ml EM PÉ | + 10 GARRAFINHAS 300 mL | = 30 |
| 22 | GARRAFAS 500 Ml DEITADA | + 10 GARRAFINHAS 300 mL | = 42 |
| 50 | GARRAFAS 300 Ml DEITADA | + 10 GARRAFINHAS 300 Ml | = 60 |
Fonte: Os autores, 2020.
2.1 MÉDIA LOGARÍTMICA DAS DIFERENÇAS DE TEMPERATURAS
Com intuito de analisar a eficiência do protótipo realizou-se o primeiro teste. Colocou-se o fluido refrigerante em um circuito fechado, que entrou no compressor a temperatura de -15°C e saiu para o sistema de refrigeração a -12°C. No interior da caixa térmica, armazenou-se uma cerveja de 500 ml por 30 min que entrou a temperatura ambiente de 29°C e que após o tempo de resfriamento, saiu a 19 °C.
Utilizou-se a Equação 1 para o cálculo da MDT, considerando a operação em correntes opostas.
(1)
Onde, é a variação de temperatura máxima, calculada pela subtração entre a temperatura de entrada do fluído quente com a temperatura de saída do fluído frio e é a variação de temperatura mínima, calculada pela subtração da temperatura de saída ou descarga do fluído quente, com a temperatura de entrada do fluído frio.
2.2 CÁLCULO DA CAPACIDADE TÉRMICA DO REFRIGERADOR
Do ponto de vista matemático, a capacidade térmica (C) é definida como a razão entre o calor recebido (Q) pelo corpo e a variação de temperatura (ΔT) sofrida por ele. A expressão que se utiliza a fins de calcular essa relação é a Equação 2.
(2)
Onde:
C: capacidade térmica (kJ/kg°C);
Q: quantidade de calor (kJ);
ΔT: variação de temperatura (°C ou K).
O Quadro 2 apresenta as especificações da caixa refrigeradora e da garrafa de cerveja.
Quadro 2: Especificações da caixa refrigeradora e garrafa de cerveja.
| ESPECIFICAÇÕES | |
| CAIXA REFRIGERADORA | GARRAFA DE CERVEJA |
| Capacidade: 50 litros
Peso: 22 kg Espessura do isolante térmico 0,03m Tensão de alimentação: 127 V 60 Hz Dimensão interna da caixa térmica: Altura: 0,43m Largura: 0,40m Comprimento: 0,56m |
Massa cerveja: 300ml
Massa vidro: 240 g Calor específico do vidro: 0,67 kJ/kg°C Calor específico da cerveja: 4,27 kJ/kg°C (SEELENT,2011)
|
Fonte: Os autores, 2020.
A capacidade térmica é proporcional à massa dos corpos. Essa proporcionalidade é definida por uma grandeza denominada calor específico ©, que é determinado pela razão constante entre a capacidade térmica e a massa de uma substância, quanto maior a massa de um corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura (TEIXEIRA, 2021).
Logo após, de posse de um termômetro mediu-se a temperatura da caixa e da cerveja em função do tempo e assim calculou a variação da temperatura com a Equação 3.
(3)
Onde:
ΔT: variação de temperatura (°C)
Tf: temperatura final (°C)
Ti: temperatura inicial (°C)
Portanto, calculou-se a Energia Térmica da cerveja com a Equação 4.
(4)
Onde:
Q: energia térmica (Kj)
m: massa (kg)
c: calor específico (Kj/kg°C)
ΔT: variação de temperatura (°C)
2.3 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
Para estimar o consumo de energia elétrica mensal no período 24 horas por dia, utilizou-se Equação 5 e Equação 6.
(5)
C: consumo de energia elétrica (kWh)
P: potência consumida (W)
t: tempo de funcionamento (h)
Consumo mensal: 
(6)
C = consumo de energia elétrica (kWh)
h = horas de utilização do mini refrigerador
Tomando a Lei de Ohm, junto a fórmula da Figura 3, determinou-se o valor da potência elétrica dissipada pela Equação 7.
Figura 3: Representação da Lei de Ohm.
(7)
P: Potência (W)
U: Tensão (V)
I: Corrente elétrica (A)
3. RESULTADO E DISCUSSÃO
A Tabela 3 demostra os resultados obtidos através dos testes, do valor da MLDT e das temperaturas, tanto de entrada (E) e saída (S) dos fluídos quentes (TQ) e frios (TF) em °C. Após a realização dos testes 2 e 3 no tempo estimado de 15 minutos, a quantidade de cerveja continuou armazenada na caixa e observou que no primeiro teste ocorreu a formação de gelo na serpentina de cobre do evaporador. Já no segundo e terceiro testes, a formação de gelo continuou aumentando na área refrigerada.
Tabela 3 – Temperaturas e MLDT.
| Teste | TQ, E (°C) | TF, E (°C) | TQ, S (°C) | TF, S (°C) | MLDT |
| 1 | 29 | -15 | 19 | -12 | 37,12 |
| 2 | 19 | -15 | 15 | -12 | 30,36 |
| 3 | 27 | -15 | 19 | -12 | 36,22 |
Fonte: Os autores, 2020.
Conforme explanações de Silva e Thadeu (2012)
O fluxo de calor transferido entre os fluidos e o trocador de calor é diretamente proporcional à diferença de temperatura média entre os fluidos. No trocador de calor de correntes opostas à diferença de temperatura entre os fluidos não varia tanto, o que gera em uma diferença média maior, como consequência mantida as mesmas condições, logo o trocador de calor trabalhando em correntes opostas é mais eficiente.
Realizou-se um 4º teste, para descobrir a capacidade térmica da máquina, onde permite calcular a quantidade de energia trocada (cedida ou recebida) por um corpo. Esta troca de energia é proveniente da variação de temperatura do protótipo. O Quadro 3 mostra a variação da temperatura da caixa em função do tempo.
Quadro 3: Variação de temperatura da caixa.
| T (min) | T °C |
| 0 | 22,5 |
| 15 | 18 |
| 30 | 10,9 |
| 45 | 6,8 |
| 60 | 4,1 |
| 75 | 3,1 |
| 90 | 2,4 |
| 105 | 1,6 |
| 120 | 1,2 |
| 135 | 0,5 |
| 150 | -1,1 |
Fonte: Os autores, 2020.
Analisando os resultados do Quadro 3, foi possível elaborar o gráfico da Figura 4 para identificar a curva das variações de temperatura. Observa-se que quanto maior o tempo de refrigeração menor a temperatura, confirmando a eficiência do equipamento.
Figura 4: Gráfico das variações de temperatura.
A Figura 5 apresenta a temperatura inicial e final da cerveja, sendo 27,5 °C e 5,7 °C, respectivamente.
Figura 5: Temperatura da cerveja.
Calculou-se a variação da temperatura da cerveja e da caixa, 
e 
respectivamente.
Após, determinou-se a energia térmica total da cerveja e da caixa refrigeradora, sendo igual 
Assim, efetuou-se o cálculo da capacidade térmica da caixa e da cerveja, obtendo um valor de 
O resultado -1,45 kJ/kg°C da capacidade térmica indica que o material perdeu calor e diminuiu a energia do sistema, ou seja, a energia térmica está saindo do corpo. Isso ocorre quando um corpo recebe ou perde calor e a temperatura aumenta ou diminui, ocorrendo assim a mudança de estado e agregação das moléculas, do estado sólido para líquido, líquido para vapor, ou vice-versa (SCHULZ, 2009). Segundo Bekon (2019) como a capacidade máxima do refrigerador é de 60 garrafas de 300ml, a carga máxima de calor no interior da caixa será 2053,2 kJ. O protótipo atingiu o valor esperado de -1,1°C abaixo de 0 °C visto que não necessariamente poderemos ter a carga máxima.
Com o auxílio de um Alicate Amperímetro Digital mediu-se a tensão média e a corrente elétrica, resultando em 127 V e 1,07 A, respectivamente e encontrou o valor da potência dissipada em .
Como a taxa por kWh é aproximadamente R$ 0,33, estimou-se o gasto de energia elétrica do mini refrigerador por mês em
Quadro 4: Informações de eficiência energética.
Figura 6: Valores do kWh das companhias elétricas.
Portanto, o consumo mensal do mini refrigerador foi de R$ 32,29 durante 30 dias, e conforme o Quadro 4, observa-se que o valor do protótipo é relativamente próximo ao freezer horizontal/vertical, que de acordo com a Figura 6, a taxa administrativa das companhias elétricas é variável. Segundo Kronbauer (2013) no qual possui um refrigerador de capacidade 3 litros compostos de pastilhas termoelétricas que operam utilizando o efeito Peltier, gastou-se 5,88 kWh por mês utilizando a caixa 4h por dia. Portanto, verificou-se que o projeto gastou menos energia e possui uma capacidade maior.
4. CONCLUSÃO
O desenvolvimento deste trabalho abrange conhecimentos práticos e teóricos do processo de refrigeração, que possibilita essa flexibilidade de transporte devido ao seu tamanho, podendo ser reproduzido facilmente e com baixo custo de fabricação.
Elaborou-se um modelo de refrigeração portátil por compressão a vapor com refrigerante ecológico (R-409) para o resfriamento de bebidas e alimentos, composto basicamente por um evaporador onde o fluido adentra a baixa pressão, compressor onde o gás é comprimido e bombeado e condensador evaporativo atmosférico.
Através dos cálculos referente ao método (MLDT) e testes de funcionamento, o protótipo apresentou uma queda de temperatura de 27,1 ºC em 150 minutos sendo que o fluído em temperatura ambiente de 26 ºC, atingiu ao término do processo a temperatura de -1,1 ºC, resultado satisfatório comparado com a literatura.
À vista disso, o protótipo suportou a capacidade de até 60 garrafas de 300 ml, promovendo uma economia energética considerável, já que depende de uma fonte elétrica para realizar trabalho.
Diante disso o projeto comprovou sua eficiência que validou dados adeptos com a literatura, gerando resultados satisfatórios para essa versão do protótipo.
REFERÊNCIAS
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[1] Acadêmico em Engenharia Química.
[2] Acadêmico em Engenharia Química.
[3] Acadêmico em Engenharia Química.
[4] Acadêmico em Engenharia Química.
[5] Acadêmico em Engenharia Química.
[6] Acadêmico em Engenharia Química.
[7] Orientador.
Enviado: Junho, 2021.
Aprovado: Setembro, 2021.
