REFRIGERAÇÃO: HISTÓRICO DOS PROCESSOS, CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES E APLICAÇÕES operações unitárias B

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ 
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
BIANCA BELLO BISSON 
 
 
 
 
 
 
REFRIGERAÇÃO: HISTÓRICO DOS PROCESSOS, 
CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES E 
APLICAÇÕES 
APS 1 DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS B 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
APUCARANA - PR 
2019 
 
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BIANCA BELLO BISSON 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFRIGERAÇÃO: HISTÓRICO DOS PROCESSOS, 
CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES E 
APLICAÇÕES 
 
Trabalho apresentado ao curso de 
Engenharia Química da Universidade 
Tecnológica Federal do Paraná, Câmpus 
Apucarana, como requisito parcial de 
obtenção de nota na disciplina de 
Operações Unitárias B. 
Profª Drª: Fernanda Lini Seixas 
 
 
 
 
APUCARANA - PR 
2019 
 
 
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SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO.................................................................................................4 
2. DESENVOLVIMENTO.....................................................................................5 
2.1 HISTÓRICO DOS PROCESSOS DE REFRIGERAÇÃO...............................5 
2.2 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES............................7 
2.3 APLICAÇÕES................................................................................................9 
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...............................................................9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
O processo de refrigeração é basicamente a transferência de calor de modo a 
manter uma região fria a uma temperatura inferior à de sua vizinhança. Geralmente, 
isso é feito usando um sistema de refrigeração à vapor. Dentre os equipamentos que 
produzem essa refrigeração estão os chamados refrigeradores, que operam 
segundo um ciclo frigorífico, onde o fluido de trabalho são os refrigerantes. (MORAN; 
SHAPIRO, 2009). 
O sistema atua retirando o calor presente dentro do refrigerador através da 
mudança de fase de fluido refrigerante (que alterna o seu estado entre líquido e 
vapor). 
O ciclo ideal de refrigeração, como mostrado na Figura 1, é composto por: 
Compressor, que é responsável por criar diferença de pressão no circuito, e assim, 
circular o fluido refrigerante pelo sistema; Condensador, responsável por retirar o 
calor do interior do refrigerador para o ambiente externo; Tubo Capilar (ou válvula de 
expansão): mantém a diferença de pressão junto com o compressor; Evaporador: 
absorve o calor interno do refrigerador; Filtro secador: retém partículas de impurezas 
ou umidade; (EMBRACO, 2016) 
Figura 1: Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor. 
 
Fonte: ÇENGEL; BOLES (2013). 
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O ciclo ideal apresentado na Figura 1 possui quatro processos (um 
isoentrópico, dois isobáricos e um isoentálpico). Em que vapor saturado a baixa 
pressão entra no compressor e sofre uma compressão adiabática reversível 1-2. 
Depois, calor rejeitado a pressão constante no processo 2-3 e o fluido de trabalho 
deixa o condensador como líquido saturado. O próximo processo é um 
estrangulamento adiabático, processo 3-4, e o fluido de trabalho é então vaporizado 
a pressão constante, processo 4-1, para completar o ciclo. Assim, há dois 
parâmetros que determinam o ciclo, o estado 3, líquido saturado, e o estado 1, vapor 
saturado. O compressor gera a alta pressão, e a temperatura baixa T4 = T1 é 
determinada pela transferência de calor entre o evaporador e o ambiente 
refrigerado. (ÇENGEL; BOLES, 2013) 
O ciclo ideal apresentado se afasta dos ciclos reais (como o de Carnot e o de 
Rankine) devido às perdas como: perdas na turbina, perdas na bomba, perdas nas 
tubulações e perdas no condensador. 
Esse ciclo e o ciclo Rankine é essencialmente o mesmo ciclo ao inverso, 
exceto pela válvula de expansão que substitui a bomba, para que a pressão do 
fluido de trabalho é rebaixada da pressão do condensador para a pressão do 
evaporador. Esse processo de estrangulamento é irreversível, enquanto que o 
processo de bombeamento do ciclo Rankine é reversível. 
Figura 3: Instalação simples motora que opera em um ciclo de Rankine. 
 
Fonte: ÇENGEL; BOLES (2013). 
 
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O afastamento desse ciclo ideal do ciclo de Carnot, em que o fluido de 
trabalho permanece sempre dentro da região bifásica, consiste na conveniência de 
se ter um compressor que opere apenas com vapor e não com uma mistura de 
líquido e vapor, como seria necessário no ciclo de Carnot, além da substituição da 
turbina por um processo de estrangulamento. (MORAN; SHAPIRO, 2009) 
Figura 3: Ciclo de refrigeração à vapor de Carnot. 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: MORAN; SHAPIRO (2009). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. DESENVOLVIMENTO 
 
2.1 HISTÓRICO DOS PROCESSOS DE REFRIGERAÇÃO 
 
 
Os processos de refrigeração são bastante antigos e seu propósito vêm 
evoluindo com o tempo. A prática da refrigeração existe desde os dias do homem 
das cavernas. A possibilidade de guardar e distribuir alimentos e de viver em climas 
adversos deu às atividades humanas perspectivas muito maiores do que aquelas 
anteriormente possíveis. 
Acredita-se que os chineses foram os primeiros a utilizarem gelo para resfriar 
bebidas há mais de 4 mil anos. Eles colocavam jarros cheios de água fora de suas 
casas durante a noite e o vento seco do deserto resfriava a água pela evaporação da 
umidade. 
Desde o século XIX um certo processo de refrigeração já era utilizado para 
refrigeração no transporte de alimentos, por meio de armazenamento com isolamento 
térmico e gelo coletado, reduzindo perdas e apodrecimento dos alimentos. 
O primeiro método de produção artificial de frio foi demonstrado na 
Universidade de Glasgow, na Escócia, em 1748, pelo professor William Cullen (1794-
1872), que usou uma bomba para obter vácuo num recipiente contendo éter etílico. O 
éter entrou em ebulição, absorvendo o calor do ar em sua volta, produzindo certa 
quantidade de gelo. 
Em 1857, que Ferdinand Carré desenvolveu o primeiro sistema de refrigeração 
por compressão e em 1860 o sistema por absorção de gás de funcionamento contínuo 
usando amônia gasosa dissolvida em água. Conseguiu a produção artificial de gelo. 
Devido à toxicidade da amônia, o sistema não se adaptou para uso doméstico, mas 
foi usado para fabricar gelo para comercialização e uso na indústria, por dezenas de 
anos. 
 
 
 
 
http://1.bp.blogspot.com/-ilPkcmuA_zc/TclTQrJyX3I/AAAAAAAABFI/CWx1wJQRzd8/s1600/refrigera%25C3%25A7%25C3%25A3o+compressor+1930++2.jpg
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Durante por cerca de meio século os aperfeiçoamentos nos processos de 
fabricação de gelo artificial foram se acumulando, surgindo sistematicamente 
melhorias nos sistemas, com maiores rendimentos e melhores condições de trabalho. 
Em 1900, com a chegada da eletricidade e o desenvolvimento da refrigeração, 
os refrigeradores começaram a ser popularizados. 
Finalmente, em 1926, a General Electric desenvolveu a primeira máquina de 
refrigeração doméstica. E a partir daí a evolução foi crescente. 
 
 
 
2.2 CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES 
 
 
Há uma grande diversidade de fluidos refrigerantes utilizados nos sistemas de 
refrigeração baseados na compressão de vapor. A seleção geralmente se baseia 
em: desempenho (capacidade de aquecimento de maneira suficiente, econômica e 
confiável), segurança (evitando riscos como toxidade e inflamabilidade) e impacto 
ambiental (uso de fluidos que não agridam a camada estratosférica de ozônio). 
. Outro fator a ser considerado é a adequabilidade da relação do fluido entre 
pressão e temperatura no intervalo de uma certa aplicação. Por exemplo, o volume 
específico necessário do fluido pode depender do tipo de compressor a ser utilizado 
no sistema, dependendo da pressão do evaporador. 
Substâncias como a amônia e dióxido de enxofre foram importantes no início 
da implantação dos sistemas de refrigeração, antes de 1930, baseados no ciclo de 
compressão de vapor, porém ambas sãotóxicas e, portanto, perigosas. 
Por muitos anos, os principais refrigerantes foram os hidrocarbonetos 
halogenados. Por exemplo, o diclorodifluormetano (CCl2F2) é tratado genericamente 
como refrigerante-12 ou R-12. Esse grupo de substâncias, comumente conhecidas 
como clorofluorcarbonos ou CFC's, são quimicamente estáveis a temperatura 
ambiente, o que é necessário para que a substância seja um fluido de trabalho 
adequado, mas pode provocar efeitos devastadores no meio ambiente se o gás 
escapar para a atmosfera. Devido à estabilidade, o gás passa muitos anos 
difundindo na atmosfera até atingir a estratosfera onde a molécula é dissociada e, 
assim, libera o cloro que por sua vez, destrói a camada protetora de ozônio presente 
na estratosfera. Por esse motivo, é de importância fundamental eliminar 
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completamente a utilização dos refrigerantes R-1 e R-12 e desenvolver um 
substituto adequado. 
Outros tipos de fluidos de refrigeraçãos conhecidos por HFC's, 
fiidrofluorcarbonos, não apresentam cloro na composição de sua molécula e, dessa 
forma, não afetam a camada de ozônio, mas são gases de efeito estufa com 
potencial de aquecimento global milhares de vezes maiores que o do dióxido de 
carbono. O uso de R-12 já foi banido em muitos países e, em 2010, será eliminado 
em todos os países devido às determinações do Protocolo de Montreal (acordo inter-
nacional para proteção da camada de ozônio). 
A Tabela 1 a seguir, retirada do livro Princípios de Termodinâmica para 
Engenharia de Shapiro e Moran, apresenta alguns exemplos, a composição química 
e o potencial de aquecimento global de alguns refrigerantes selecionados. 
 
Tabela 1: Dados de fluidos refrigerantes. 
 
Fonte: SHAPIRO, MORAN (2009). 
 
Como mostrado na Tabela, os refrigerantes não sintéticos, naturais, são os 
que tem menor potencial de aquecimento global, e por isso, tem sido mais utilizados 
cada dia mais em sistemas de grandes dimensões. 
É importante também que os refrigerantes usados em aparelhos domésticos 
sejam não tóxicos. Outras características desejáveis, além de não causar dano 
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ambiental, são a miscibilidade com o óleo do compressor, a rigidez dielétrica, a 
estabilidade química e o custo. Também, para dadas temperaturas de evaporação e 
condensação, os refrigerantes não proporcionam o mesmo coeficiente de 
desempenho para o ciclo ideal. É. naturalmente, desejável que se utilize o 
refrigerante que forneça o maior coeficiente de desempenho, desde que outros 
fatores o permitam. 
2.3 APLICAÇÕES 
 
O ciclo de compressão pode ser adaptado para aplicações especiais, como por 
exemplo: 
 
 
a.) Armazenamento de frio 
 
É uma abordagem de armazenamento de energia térmica que envolve água resfriada 
ou gelo, destinado ao conforto térmico de um espaço ocupado. Aplicações incluem 
centros comerciais/médicos, escritórios, faculdades e prédios em campi. O sistema 
de armazenamento é mostrado na Figura 4. 
 
Figura 4: Armazenamento de frio aplicado ao conforto térmico 
 
 
Fonte: SHAPIRO, MORAN (2009). 
 
 
b.) Ciclos em cascata 
 
É um arranjo do tipo ciclo combinado, onde se obtém refrigeração a uma temperatura 
relativamente baixa através de uma série de sistemas de compressão de vapor, em 
que cada um deles normalmente utiliza um refrigerante distinto. 
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Nesse sistema, o evaporador do ciclo de alta temperatura absorve calor do 
condensador do ciclo de baixa temperatura, o que requer uma diferença de 
temperatura entre os dois. 
 
Figura 5: Sistema de refrigeração em cascata de dois ciclos 
 
Fonte: ÇENGEL; BOLES (2013). 
 
 
c.) Compressão multiestágio com inter-resfriamento 
 
Neste caso, o trabalho de compressão é reduzido através de uma compressão de 
multiestágio com inter-resfriamento entre os estágios, que é alcançado por 
transferência de calor para as vizinhanças que se encontram a uma temperatura 
inferior. 
Essa configuração pode ser utilizada quando a temperatura entre os estágios 
do compressor é muito baixa para permitir o uso de um compressor de dois estágios 
com resfriamento intermediário, já que não há meio de resfriamento com 
temperatura tão baixa. O compressor operando com a temperatura mais baixa 
movimenta uma vazão menor de refrigerante a um volume específico bem alto, o 
que implica um alto valor para o trabalho específico consumido. Um regenerador 
pode ser utilizado para a liquefação de gases, resfriando os gases antes do 
processo de estrangulamento e a refrigeração é obtida com o vapor a baixa 
temperatura que escoa em direção ao compressor. 
 
 
 
 
 
 
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Figura 4: Ciclo de refrigeração em 2 estágios com inter-resfriamento por câmara de separação 
 
 
Fonte: SHAPIRO, MORAN (2009). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. REFERÊNCIAS 
 
 
ÇENGEL, Y.A.; BOLES, M.A. TERMODINÂMICA. New York: McGraw-Hill. 7 ed. 2013. 
 
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 
LTC, 6ªEd., 2009. 
 
INCROPERA F.; DEWITT D.; BERGMAN T.; LAVINE A. Fundamentos de 
Transferência de Calor e Massa, 6ª edição, LTC, 2008. 
 
EMBRACO. Como funciona um circuito de refrigeração? 2016. Disponível em: 
<https://www.youtube.com/watch?v=VHrfwDax3GA>. Acesso em: 20 abr. 2019.