DEFINIÇÕES E CLASSIFICAÇÕES

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SISTEMAS TÉRMICOS E
ENERGÉTICOS
AULA 3
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Ana Carolina Tedeschi Gomes Abrantes
CONVERSA INICIAL
Operações que envolvem os fundamentos da refrigeração são encontradas em praticamente todas
as atividades industriais, tanto no processo produtivo quanto no ambiente administrativo. Alguns
processos operam a temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água, sendo impossível utilizá-
la como fluido refrigerante. Abre-se aí a oportunidade de aplicação de outros fluidos no processo de
refrigeração industrial. A refrigeração também aborda a atividade de climatização de ambiente para
conforto térmico e aumento de produtividade humana. Seu conhecimento não se faz importante
somente para a sua aplicação industrial, mas também para o emprego comercial e residencial.
Espero que você conclua esta aula compreendendo a aplicação deste conteúdo no seu dia a dia, seja
na vida pessoal como na profissional. Vamos embarcar neste mundo gelado?
CONTEXTUALIZANDO
O processo de refrigeração e climatização tem sido registrado no decorrer do desenvolvimento da
civilização humana, iniciando-se com o uso de gelo e neve em áreas que são naturalmente frias, como
cavernas. Com isso, era possível armazenar alimentos e transportá-los, além de armazenar o gelo para o
período de verão. Também foram construídas casas específicas para o armazenamento de gelo, cujas
paredes tinham aproximadamente 1 m de espessura, uma vez que não havia isolamentos térmicos. Com
o tempo, o homem começou a desenvolver dispositivos para climatizar o ar ambiente, baseados na
evaporação da água, tornando possível o seu trabalho em regiões de temperatura elevada. A aplicação
da água como fluido refrigerante é realizada até os dias de hoje.
Entre os séculos XVIII e XIX, diversos estudos foram realizados com o objetivo de produzir frio a
partir de processos artificiais. Willian Cullen, em 1755, obteve gelo a partir da evaporação do éter. A
patente britânica nº 6662 foi a primeira descrição completa de um equipamento de refrigeração,
desenvolvido por Jacob Perkins, em 1834. Esse equipamento introduziu a utilização do funcionamento
em ciclos e utilizava éter como fluido refrigerante (Figura 1).
Figura 1: Equipamento descrito por Jacob Perkins
Fonte: Arora (2010).
Em 1862, Daniel Siebe construiu o primeiro equipamento real de refrigeração (Figura 2), com base
nas patentes britânicas 747 e 2362, desenvolvidas por James Harrison. Esse equipamento aplicava o
princípio de refrigeração por compressão mecânica e também utilizava éter como fluido refrigerante.
Figura 2: Equipamento construído por Daniel Siebe
Fonte: <www.centroargo.com.br>.
No início do século XX apareceram as primeiras geladeiras, que eram verdadeiras caixas de gelo,
sendo preenchidas por gelo fabricado artificialmente. Tais geladeiras necessitavam de constante
reposição de gelo. Em 1918, surgiu o primeiro refrigerador automático graças à descoberta da
eletricidade por Thomas Edson, sendo fabricado por Kelvinator Company, nos Estados Unidos.
Os fluidos refrigerantes utilizados apresentavam toxicidade e inflamabilidade, ocasionando até
mortes. Em 1928, houve o surgimento dos gases refrigerantes fluorados (CFCs), estudados
primeiramente por Thomas Midgley, os quais foram usados por 70 anos na refrigeração doméstica e
comercial. Em 1974, os CFCs foram associados à redução da camada de ozônio da estratosfera pelos
professores Sherwood Rowland e Mário Molina. Essa teoria foi comprovada com a descoberta de um
buraco na cama de ozônio sobre a Antártida em 1985 e reconhecida com o prêmio Nobel em 1995.
Frente a esse cenário, os CFCs foram substituídos por gases constituídos por carbono, hidrogênio e
flúor, os chamados HFCs. Embora não sejam tóxicos e inflamáveis, apresentam baixa compatibilidade
química com óleos minerais e são susceptíveis a contaminantes. Mesmo com essas limitações, foram
aceitos pelo mercado, mas por um curto espaço de tempo, uma vez que atuam no efeito estufa. A partir
daí, passou-se a utilizar fluidos refrigerantes naturais como isobutano, propano, ciclopentano e dióxido
de carbono. Os hidrocarbonetos, particularmente, são inflamáveis e requerem cuidados na sua aplicação.
TEMA 1 - DEFINIÇÕES E CLASSIFICAÇÕES
Afinal, do que se trata a refrigeração? Você conseguiria defini-la? Seria a mesma coisa que
resfriamento? Antes de iniciar seu estudo, precisamos esclarecer alguns conceitos.
Refrigeração é o processo de retirada de calor de um objeto ou ambiente com o objetivo de reduzir
a sua temperatura. Esse processo ocorre por meio da transferência de calor para outro meio. A redução
da temperatura de uma substância até a temperatura ambiente é chamada de arrefecimento, enquanto a
sua diminuição até sua temperatura de congelamento é denominada resfriamento. O congelamento
desta substância ocorre se a temperatura for reduzida abaixo da sua temperatura de congelamento.
A transferência de calor em um processo de refrigeração é auxiliada por um agente refrigerante, o
qual absorve calor do ambiente ou o refrigera diretamente, como o gelo, o CO2 e os refrigerantes
líquidos. Nos refrigeradores com gelo, ele é colocado na parte superior do equipamento, onde o ar é
resfriado. Pela convecção, consequente da diferença de densidade, o ar refrigera o restante do espaço
interno do refrigerador. Já os refrigerantes líquidos são utilizados pela sua capacidade de absorver calor
durante a sua vaporização. Os refrigerantes líquidos mais importantes são: amônia (R717),
tricloromonofluormetano (Freon-11 ou R-11), diclorodifluormetano (Freon-12 ou R-12),
monoclorodifluormetano (Freon-22 ou R-22) e tetracloretodecarbono (R-10).
Como o ambiente refrigerado é mantido a temperatura inferior ao do ambiente, faz-se necessário
instalar um isolamento térmico para evitar que o ambiente seja aquecido, acarretando em gasto
desnecessário de energia. Esse isolamento é constituído de uma substância sólida porosa preenchida
com ar, como a lã de rocha e o isopor.
Na teoria, qualquer fenômeno endotérmico pode ser aplicado para a produção do frio. Entre
processos endotérmicos usados na refrigeração, podemos citar:
i. a fusão de sólidos, como o gelo comum (0ºC) e o CO2 (gelo seco a –78,9ºC);
ii. a mistura de algumas substâncias (gelo comum, gelo seco) com água, formando misturas
criogênicas (–20 a –40ºC);
iii. a expansão de um gás com a produção de trabalho;
iv. fenômenos de adsorção;
v. os fenômenos termoelétricos.
Os processos i) e ii) são obtidos de forma descontínua, restringindo-se a pequenas aplicações
(doméstica, laboratorial, etc.). Os demais processos apresentam transformações reversíveis capazes de se
combinarem em ciclos, o que torna o processo contínuo. Por exemplo, a expansão de um gás combinada
com a sua compressão é utilizada nos refrigerados frigoríficos. Sendo um processo muito utilizado, a
vaporização de um líquido puro pode ser obtida por meios mecânicos (máquinas frigoríficas de
compressão de vapor), por meio de ejeção de vapor (máquinas frigoríficas de vapor d’água) e por meio
de aquecimento (instalações de absorção).
A refrigeração pode ser classificada em função da sua aplicação. A mais conhecida é a refrigeração
doméstica, pois abrange os refrigeradores de uso doméstico e freezers, que participam do nosso
cotidiano. O número de unidades destes equipamentos é bastante significativo, o que torna este tipo de
refrigeração importante na indústria de refrigeração. As unidades domésticas são do tipo
hermeticamente fechado e consomem cerca de algo entre 1/20 e 1/2 CV.
Ainda relacionada ao nosso dia a dia, a refrigeração comercial aborda o projeto, a instalação e a
manutenção de instalações utilizadas pelos estabelecimentos comerciais (Figura 3), tanto para
armazenamento quanto para exposição, beneficiamento e distribuição de produtos perecíveis.
Figura 3: Exemplos de refrigeradores comerciais
Fonte: <qualifrioba.com.br>.
Na área industrial (Figura 4), as instalações de refrigeraçãosão maiores que as comerciais e
requererem um operador de processo. Uma aplicação industrial pouco conhecida está relacionada à
indústria da construção, em que escavações podem ser facilitadas pelo congelamento do solo e o
resfriamento da massa de concreto, evitando a expansão e o aparecimento de tensões no concreto
devido ao aquecimento natural da cura.
Figura 4: Exemplo de aplicação da refrigeração na indústria alimentícia
Fonte: <www.engenhariaearquitetura.com.br/noticias/1128/Industria-de-alimentos.aspx>.
Os meios de transporte também utilizam a refrigeração para armazenamento e transporte de
produtos perecíveis. Na refrigeração marítima, por exemplo, é aplicada em barcos de pesca e nos navios
que transportam alimentos entre os continentes. No transporte rodoviário e ferroviário, verificamos os
caminhões e os vagões refrigerados transportando alimentos a todos os pontos do país.
Quando há processos criogênicos requeridos nas aplicações industriais e comerciais, a baixa
temperatura é alcançada com a utilização de gases liquefeitos que possuem temperaturas de liquefação
bem baixas. A liquefação desses gases é obtida em equipamentos em que o próprio gás ou refrigerantes
adicionais agem como refrigerante. Outra aplicação bastante importante da refrigeração é a climatização,
ou seja, o condicionamento do ar tanto para o conforto térmico das pessoas, com a utilização de ar
condicionado, quanto para atender condições de processos laboratoriais e industriais no controle da
temperatura e da umidade.
TEMA 2 - REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
Por serem máquinas térmicas, os equipamentos de refrigeração são fundamentados na 2.ª Lei da
Termodinâmica, a qual afirma que um fluxo de calor espontâneo somente realiza trabalho se houver
rejeição de parte deste calor para a fonte fria (de temperatura mais baixa). Da mesma forma, se houver
interesse em que ocorra fluxo de calor da fonte fria para a fonte quente (processo não espontâneo), a
realização de trabalho externo sobre o sistema se faz necessária. Como vimos anteriormente, esse
trabalho necessita ser realizado de forma contínua nos processos de refrigeração, operando em ciclos.
O ciclo ideal foi estudado por Carnot, baseando-se na reversibilidade dos processos. Com isso, este
ciclo possui o maior rendimento possível e nenhuma outra máquina térmica que opere nas mesmas
condições conseguirá rendimento maior. O rendimento de uma máquina térmica pode ser calculado
considerando os fluxos de calor da fonte fria (QF) e da fonte quente (QQ) por:
Para o ciclo de Carnot, esta equação pode ser representada também como:
Quando consideramos a eficiência de uma máquina térmica de refrigeração, a qual opera com o
ciclo inverso de uma máquina térmica comum (espontânea), a forma mais adequada é calcular o
coeficiente de performance (COP), também conhecido como coeficiente de eficiência (Β), desta máquina
térmica de refrigeração. Este parâmetro representa, para qualquer ciclo de refrigeração, a capacidade
que a máquina térmica tem de retirar calor da fonte fria em relação a potência consumida pelo
compressor.
A representação de potência na equação está sendo feita com um ponto sobre o tipo de energia
considerado.
Para o ciclo de refrigeração de Carnot, que considera todas as transformações termodinâmicas do
ciclo reversíveis, o coeficiente de performance calculado é considerado como o máximo teórico para um
ciclo que opera entre as temperaturas TF (fonte fria) e TQ (fonte quente).
Vale ressaltar que as temperaturas devem ser consideradas na escala Kelvin ou Rankine nos cálculos
de eficiência dos processos reversíveis (Carnot).
A representação de potência na equação está sendo feita com um ponto sobre o tipo de energia
considerado.
Para compreendermos como o ciclo de Carnot opera, é importante conhecermos primeiro o
diagrama de Mollier. O diagrama de Mollier, também conhecido por diagrama P-H, é um diagrama
termodinâmico em que a abcissa e a ordenada são a entalpia e a pressão, respectivamente. Esse
diagrama é o mais adequado para representar os ciclos de refrigeração. Observando a Figura 5,
podemos verificar que a curva divide três regiões distintas: a de liquido sub-resfriado (a esquerda), a de
vapor superaquecido (a direita) e a de equilíbrio líquido-vapor (ao centro). A linha da curva à direita
representa o vapor saturado e a linha à esquerda o líquido saturado. A intersecção destas linhas na parte
superior é o ponto crítico.
Figura 5: Desenho esquemático do diagrama P=H
Fonte: Stoecker (1998).
Nesse diagrama é possível representarmos os processos isotérmicos (temperatura constante),
isocóricos (volume constante) e isentrópicos (entropia constante), conforme representado na figura
abaixo.
Figura 6: Representação das linhas isotérmicas, isocóricas e isentrópicas no diagrama P-H
Fonte: Stoecker (1998).
Uma máquina frigorífica é constituída basicamente pelo compressor, um motor e por dois
permutadores de calor (Figura 7).
Figura 7: Circuito de Carnot
Fonte: Stoecker (1998).
Conforme o ciclo ideal proposto por Carnot, entre os pontos 1 e 2 da Figura 7 ocorre compressão
do fluido refrigerante, sem atrito e troca térmica, assim como na expansão desse fluido, representada
entre os pontos 3 e 4. Tais processos são termodinamicamente reversíveis por não apresentarem fricção;
adiabáticos por não realizarem transferência de calor; e isentrópicos, por também ocorrerem à
temperatura constante. Essas condições não são observadas na prática e, por isso, o ciclo de Carnot é
considerado como ideal e teórico.  Os dois outros processos que completam o ciclo de Carnot ocorrem a
temperatura constante: entre os pontos 2 e 3 há a rejeição de calor do fluido, enquanto entre os pontos
4 e 1 acontece a absorção de calor. Os fluxos de calor rejeitado (Qr) e absorvido (Qa) podem ser
calculados por:
T representa a temperatura e S a entropia das etapas identificadas pelo índice subscrito.
O balanço energético de uma máquina de Carnot é realizado por  e representado pelo
diagrama T-S da Figura 8, em que a área fechada pelo ciclo refere-se ao trabalho W recebido pelo
sistema.
Figura 8: Ciclo de Carnot em coordenadas T-S
Fonte: Stoecker (1998).
A representação do ciclo de Carnot no diagrama de Mollier está exemplificada na Figura 9. Os
pontos 1 e 4 estão na região de mistura, portanto o fluído refrigerante no evaporador é uma mistura de
líquido com vapor. Para sabermos qual é a fração de vapor γ nesses pontos, medimos no diagrama de
Mollier as distâncias m e n, conforme a Figura 10, e calculamos .
Figura 9: Ciclo de Carnot no diagrama P-H.
Fonte: Stoecker (1998).
Figura 10: Cálculo da γ no diagrama P-H.
Fonte: Stoecker (1998).
TEMA 3 - REFRIGERANTES
Como vimos, as máquinas de refrigeração que operam com compressão mecânica de vapor
necessitam trabalhar com fluidos refrigerantes que acabam sofrendo mudança de fase durante o
processo. Para ser considerado um bom fluido refrigerante, esse precisa:
condensar-se a médias pressões e evaporar-se em pressões acima da atmosférica;
ter baixo volume específico e elevado calor latente de vaporização;
ser quimicamente estável e inodoro;
não ser corrosivo, inflamável ou tóxico;
permitir a localização de vazamentos;
ser miscível a óleo lubrificante sem degradá-lo;
não danificar outros materiais da unidade;
não deve deteriorar os alimentos, contribuir para o aquecimento global ou atacar a camada de
ozônio.
Não há um fluido refrigerante que reúna todas estas propriedades, sendo necessário selecioná-lo de
acordo com os pontos críticos da instalação. Os fluidos refrigerantes podem ser classificados de acordo
com o processo de absorção ou extração do calor das substâncias a serem refrigeradas:
Classe 1: O processo de resfriamento ocorre por absorção do calor latente (CFCs, HCFCs, HFCs);
Classe 2: O processo de resfriamento ocorre pela absorção de calor sensível (ar, solução de cloreto
de cálcio ou de sódio, álcool);
Classe 3: São soluções que contêm vapores absorvidosde agentes liquidificáveis, produzindo o
resfriamento pela absorção do calor latente (amoníaco).
No início do desenvolvimento da refrigeração, muitas substâncias foram utilizadas como fluidos
refrigerantes, porém sem aplicação em grande escala. Por volta de 1930, começaram a ser usados os
CFCs (clorofluorcarbonos), os quais foram considerados a melhor solução para a refrigeração devido às
suas características técnicas, baixa flamabilidade e toxicidade zero. Porém, pesquisadores mostraram que
essas substâncias prejudicavam a camada de ozônio da atmosfera e, então, outras alternativas foram
desenvolvidas: HCFCs (hidroclorofluorcarbonos), como o R22, HFCs (hidrofluorcarbonos), como o R134a,
misturas de HCFCs e HFCs (R401a, R401b, R409a) e misturas de HFCs (R404A, R407C, R410A, R508b).
Embora os HCFCs sejam bastante utilizados até hoje, como o R22, por exemplo, eles ainda mantêm
o problema de agredir a camada de ozônio. Em contrapartida, os HFCs não geram impacto sobre a
camada de ozônio, mas possuem alto potencial de aquecimento global.
A alternativa a esses compostos são os fluidos refrigerantes naturais, como os hidrocarbonetos
(R600a, R290 e R170), o dióxido de carbono (R744), a amônia (R717) e o ar (R729). Entre essas opções, os
hidrocarbonetos (HCs) têm sido bastante utilizados. O R600a (isobutano) é indicado para equipamentos
domésticos e aplicações comerciais de pequeno porte, substituindo o R134a. O R290 (propano) é uma
opção para a aplicação comercial leve, substituindo o R134a, o R404A e, parcialmente, o R22. Estes HCs
promovem melhoria de eficiência na refrigeração e suas cargas são 40% a 60% menores do que as de
R134a e R404A.
Alguns fluidos refrigerantes e suas aplicações encontram-se na tabela abaixo:
Tabela 1: Exemplos de fluido refrigerante e suas aplicações
Fonte: <http://www.clubedarefrigeracao.com.br>.
Comparando os fluidos refrigerantes mais utilizados, a escolha entre a amônia e os fluidos
halogenados depende do tipo de aplicação. A amônia é tóxica e, portanto, deve ser aplicada em locais
pouco povoados e em instalações industriais supervisionadas por operadores especializados. O preço da
amônia é menor, cerca de 10 a 40 vezes. A amônia apresenta temperaturas de descarga mais altas, sendo
necessário resfriar os cabeçotes dos compressores alternativos com água. Como a amônia não é miscível
com o óleo das instalações, este fica depositado em regiões de baixa velocidade, precisando ser
removido. Já os fluidos refrigerantes halogenados são solúveis com o óleo, sendo este separado por
evaporação. Os sistemas de amônia podem admitir pequenas quantidades de água, enquanto que esta
pode congelar nas válvulas de expansão e de controle de nível quando aplicados os fluidos halogenados.
Devido ao seu cheiro, qualquer vazamento de amônia pode ser detectado facilmente.
TEMA 4 - SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO
Os sistemas de refrigeração são constituídos basicamente pelo compressor, pelo dispositivo de
expansão e por dois trocadores de calor (condensador e evaporador).
Antes de abordarmos esses componentes, é necessário que compreendamos o conceito de
Tonelada de Refrigeração (TR). A TR é uma unidade utilizada com frequência para a capacidade frigorífica
(potência) da instalação e foi concebida baseando-se na energia necessária para liquefazer uma tonelada
de gelo em 24 horas:
1 TR = 12000 BTU/h = 3,5 kW
COMPRESSORES
A função do compressor é elevar a pressão do fluido refrigerante, promovendo sua circulação no
sistema. Os tipos de compressores mais utilizados são: alternativo, centrífugo, de parafusos, palhetas e
Scroll. O conhecimento da carga térmica da instalação é fundamental para a escolha do melhor modelo.
Os sistemas de refrigeração são divididos em:
pequena capacidade (< 2,5 TR);
média capacidade (entre 2,5 e 75 TR);
grande capacidade (> 75 TR).
Os compressores podem ser classificados em função das características do processo de compressão:
Máquinas de deslocamento positivo: elevam a pressão do vapor do fluido refrigerante reduzindo
seu volume em uma câmara de compressão, por meio da aplicação de uma força mecânica. Nessa
classificação, enquadram-se os compressores alternativos, de parafusos, de palhetas e Scroll.
Máquinas de fluxo: a elevação de pressão ocorre pela conversão da pressão dinâmica em pressão
estática, estando classificado nessa categoria o compressor centrífugo.
Em relação ao projeto do compressor, esse se divide em:
Hermético: tanto o compressor e o motor de acionamento são alocados dentro de uma carcaça,
com entrada e saída para as conexões elétricas. O compressor opera somente com refrigerantes
halogenados, cujo vapor resfria o enrolamento do motor por contato direto. São aplicados em
refrigeradores domésticos e condicionadores de ar com potências de 30kW, aproximadamente.
Semi-hermético: diferencia-se do hermético por permitirem a remoção do cabeçote, possibilitando
o acesso aos pistões e às válvulas.
Aberto: o compressor é acionado por um motor externo por meio de um eixo que atravessa a
carcaça. É adequado para operar com amônia e fluidos halogenados.
A seleção do compressor envolve alguns aspectos, como:
condições de operação;
capacidade requerida;
curva de carga (variação e controle de capacidade).
Em sistemas de pequena capacidade (motores elétricos de até 5 kW), como pequenas câmaras frias
e pequenos chillers, a escolha pode se basear no esquema da Figura 11.
Figura 11: Indicativo para a seleção de compressores de pequena capacidade
Fonte: Eletrobras (2005).
Para sistemas de maior capacidade, os compressores utilizados são os alternativos e os parafusos,
tanto os abertos quanto os semi-herméticos. Os centrífugos também podem ser utilizados em casos
específicos. A opção mais eficiente baseia-se também no consumo dos equipamentos (dados dos
fabricantes).
CONDENSADORES
O condensador tem a função de liquefazer o fluido refrigerante, retirando seu calor latente. O vapor
entra no condensador superaquecido e a fração de líquido e de vapor no escoamento varia ao longo do
condensador até sair completamente no estado líquido. Diversos tipos de condensadores podem ser
utilizados conforme as características do sistema de refrigeração.
Os condensadores resfriados a ar são utilizados em unidades condensadoras de pequena ou média
capacidade. Grandes condensadores a ar também podem ser aplicados quando a utilização de sistemas
resfriados a água não é econômica, devido ao alto custo ou à indisponibilidade da água. As capacidades
por unidade variam de 1 a 100 TR (7 a 352 kW), podendo atingir capacidades totais superiores com
montagem de compressores em paralelo.
Condensadores resfriados a água bem condicionados operam de forma mais eficiente que os
condensadores resfriados a ar, principalmente em períodos de elevada temperatura ambiente. Esses
condensadores costumam utilizar água proveniente de uma torre de resfriamento, sendo os mais
utilizados:
duplo tubo;
casco - serpentina;
casco - tubo;
placa.
Os condensadores evaporativos são constituídos por uma torre de resfriamento de tiragem
mecânica, no interior da qual é instalada uma série de tubos, por onde escoa o fluído refrigerante. Água
é pulverizada no topo da torre, sobre a tubulação de refrigerante, escoando em direção à bacia do
condensador, enquanto ar atmosférico é seccionado por um exaustor de baixo para cima. Ao mesmo
tempo em que o fluido refrigerante se condensa pelo contato da água com os tubos, esta é resfriada por
evaporação para ser utilizada novamente.
EVAPORADORES
O evaporador é um dos quatro componentes principais de um sistema de refrigeração, tendo a
finalidade de retirar calor do meio a ser resfriado. Dessa forma, os evaporadores podem ser classificados
de acordo com a substância a ser resfriada:
Evaporador para ar: o fluido refrigerante resfria o ar que escoa pela superfície externa do
equipamento ao vaporizar no interior de tubos. O ar resfriado é aplicado, então, em câmaras de
resfriamento, balcõesfrigoríficos e salas climatizadas, por exemplo.
Evaporador para líquidos: o líquido é resfriado até uma determinada temperatura e bombeado
para outros equipamentos, como serpentinas de câmaras frigoríficas, para o resfriamento de outro
meio. Os tipos de evaporadores para líquidos mais utilizados são: casco e tubo, casco e serpentina,
cascata (Baudelot) e placas.
Evaporador de contato: é um caso particular do evaporador tipo placa, utilizado para o
congelamento de produtos (sólidos, pastosos ou líquidos), como serpentinas de prateleiras em
congeladores.
Quanto ao seu sistema de alimentação, os evaporadores podem ser classificados em secos e
inundados. No evaporador seco, também conhecido como de expansão direta, o fluido refrigerante entra
no evaporador de forma intermitente através de uma válvula de expansão (termostática), sendo
vaporizado e superaquecido ao receber calor em seu escoamento dentro dos tubos. Este tipo de
evaporador é utilizado com fluidos halogenados em instalações de pequena capacidade.
No evaporador inundado, o líquido é admitido por uma válvula de expansão (tipo boia), escoando
nos tubos da serpentina e removendo calor do meio. Uma parte do refrigerante evapora ao receber calor
no evaporador, sendo necessário separar as duas fases na saída do equipamento. O vapor saturado é
seccionado pelo compressor, enquanto que o líquido retorna para o evaporador. Esse tipo de
evaporador é muito usado em sistemas que utilizam amônia como refrigerante. Sua aplicação com
fluidos halogenados é limitada pela dificuldade de retorno do óleo ao cárter do compressor. Seu custo
inicial é mais elevado do que os demais e também consome grandes quantidades de fluido refrigerante.
DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO
O dispositivo de expansão tem a função de despressurizar o fluido refrigerante da pressão de
condensação até a de vaporização, além de regular a vazão do fluido que chega ao evaporador. As
válvulas de expansão termostática (VET) são as mais utilizadas nos sistemas de refrigeração de expansão
direta, pois ajustam o fluxo de fluido que entra no evaporador, conservando certo grau de
superaquecimento do vapor na saída.
As válvulas de expansão eletrônicas promovem um melhor controle do fluxo de refrigerante,
economizando energia. Existem três tipos básicos: as acionadas por motores de passo; as de pulsos de
largura modulada; e as analógicas. Outro tipo de válvula de expansão é a do tipo boia, que mantém
constante o nível de líquido em um recipiente, no evaporador ou nos separadores de fases. Os dois tipos
existentes são: alta pressão e baixa pressão.
Para sistemas de baixa capacidade, como geladeiras e ar condicionado de janela, o dispositivo mais
utilizado para expansão do fluido refrigerante é o tubo capilar. O diâmetro interno do tubo varia entre
0,5 e 2,0 milímetros, com comprimento de 1,0 a 6,0 metros. Normalmente é construído de cobre para
fluidos halogenados.
TORRES DE RESFRIAMENTO
Quando a água é utilizada como fluido refrigerante, como em sistemas de refrigeração de ar
condicionados e processos industriais, ela é resfriada utilizando-se torres de resfriamento. Você pode
revisar as informações sobre este equipamento na rota 2.
TROCANDO IDEIAS
Após ter estudado esse conteúdo, tenho certeza que você poderá correlacioná-lo com alguma
situação do seu dia a dia. Divida sua experiência conosco no nosso fórum!
NA PRÁTICA  
Condicionamento de ar
A indústria de refrigeração investe no desenvolvimento de tecnologias para suprir a necessidade dos
usuários. Para isso, verifica os padrões de comportamento e as tendências em diversas áreas, como a
engenharia e arquitetura. Vamos conhecer os modelos de ar condicionado e a diferença entre eles.
1. Portátil: a mobilidade é a sua principal vantagem, evitando problemas de instalação e permitindo
a refrigeração de diversos ambientes. Os modelos possuem entre 9.000 e 13.000 BTUs.
Fonte: <http://www.shutterstock.com/pic-85830157/stock-photo-3d-image-of-portable-air-conditioner.html?
src=UrXnwQViDIZXIxL8ghrXWw-1-3>.
2. Janela: o primeiro a ser desenvolvido para o consumidor particular. Possui baixo investimento de
instalação e manutenção. Os modelos possuem entre 7.000 e 30.000 BTUs.
Fonte: <http://www.shutterstock.com/pic-186147407/stock-vector-appliance-built-in-window-air-conditioner-vector-
illustration.html?src=2qXfkjWeZdXv_6YFwZDXww-1-22>.
3. Split: são classificados em seis grupos:
a. Canto-teto: a instalação é feita nos cantos do ambiente. Os modelos possuem entre 9.000 e
12.000 BTUs.
Fonte: <http://www.webarcondicionado.com.br/split-canto-teto>.
b. Cassete: normalmente acoplado ao teto, pode ser camuflado no forro de gesso. Sua interface é
bem disfarçada e elegante. Os modelos possuem entre 18.000 e 60.000 BTUs.
Fonte: <http://www.shutterstock.com/pic-441598291/stock-photo-ceiling-mounted-cassette-type-air-conditioner.html?src=w-
CY9hPjXKmPu-PWY2nJ2w-1-1>.
c. Hi-wall: comumente chamado apenas de Split, é instalado na parte superior dos ambientes de
forma centralizada para melhor distribuição da ventilação. Os modelos possuem entre 7.000 e 30.000
BTUs.
Fonte: <http://www.shutterstock.com/pic-231832180/stock-photo-air-conditioner-blowing-cold-air.html?
src=2qXfkjWeZdXv_6YFwZDXww-1-1>.
d. Piso-teto: podem ser instalados na horizontal ou vertical, no piso ou no teto. Os modelos
possuem entre 18.000 e 80.000 BTUs.
Fonte: <http://www.arcondicionado.com.br/ar-condicionado-piso-teto>.
e. Quarto-lados: fica no centro do ambiente com o vaporizador exposto. Possui boa distribuição de
ar e necessita de um pé direito mais elevado. Os modelos possuem entre 30.000 e 60.000 BTUs.
Fonte: <http://www.webarcondicionado.com.br/split-quatro-lados>.
f. Windows: com o objetivo de substituir o tipo janela, este modelo não foi bem aceito e está
indisponível. Os modelos possuem 7.000 BTUs.
4. Dutado: permite uma boa distribuição de ar devido a um sistema de distribuição em dutos. Pode
ser projetado de acordo com a necessidade do ambiente, sendo indicado para conjuntos comerciais e
ambientes empresariais.
Fonte: <http://www.shutterstock.com/pic-187518515/stock-photo-large-metal-tube-for-the-air-conditioning-of-a-large-industrial-
complex.html?src=Lg__m5zMsW9bYOAU8EVuCA-1-53>.
5. Multi Split: aplicado quando se tem problema de espaço, possui apenas um condensador para
múltiplos pontos de climatização. Seu consumo energético é maior do que um conjunto de hi-wall
equivalente. Os modelos possuem entre 18.000 e 36.000 BTUs.
Outras aplicações
Para sua melhor compreensão e aprofundamento do tema, leia os artigos listados abaixo.
SBRAVATI, A.; FIGUEIREDO, J. R. Projeto de sistema para condicionamento de ar por absorção de
água-brometo de lítio utilizando energia solar e simulação de sua operação sob condições diversas.
Mercofrio 98. (Anexo 1)
SILVA, D. R. B.; NETO, A. I. Dimensionamento de sistema geotérmico para climatização de
residências em Curitiba. ENTAC 2010. (Anexo 2)
GASPAR, P. D.; PITARMA, R. A. Simulação de equipamento industrial de refrigeração: estudo de
caso. Métodos computacionais em engenharia, 2004, Lisboa. (Anexo 3)
SILVA, G. F.; CARNELOSSI, M. A. G.; JALALI, V. R. R. Refrigeração usando gás natural como fonte de
energia. Revista da Fapese de Pesquisa e Extensão, v. 1, p. 23-42, mar./jun. 2005. (Anexo 4)
SÍNTESE
Nesta rota aprendemos a respeito dos conceitos envolvidos na Refrigeração, assim como as suas
classificações. Verificamos o ciclo termodinâmico ideal, desenvolvido por Carnot, e sua aplicação nos
processos de refrigeração que envolvem fluidos refrigerantes. Estudamos também os principais
componentes de um sistema de refrigeração e as condições de utilização.
REFERÊNCIAS
ARORA, R. C. Refrigeration and air conditioning. India: PHI, 2010.
ABNT NBR 16401-1:2008. Instalações de ar condicionado – Sistemas centrais e unitários. Parte 1:
Projeto das instalações.
FROTA, A. B.; SCHIFFER, S. R. Manual de conforto térmico. 5. ed. São Paulo: Studio Nobel, 2001.
MESQUITA, A.L.S.Engenharia de ventilação. São Paulo, Edgard, Blucher, 1977.
ELETROBRAS. Eficiência Energética em Sistemas de Refrigeração Industrial e Comercial. Rio de
Janeiro, Eletrobrás, 2005.
STOECKER, W. F. Industrial refrigeration handbook. New York, McGraw-Hill, 1998.