Princípios e Processos de Refrigeração em Armazenamento a Frio

Este artigo explica os princípios de refrigeração de sistemas de armazenamento a frio com o auxílio de diagramas e análise de processos. A razão pela qual os princípios de refrigeração são enfatizados repetidamente é que somente compreendendo a lógica subjacente é possível conectar com precisão os problemas operacionais às suas causas em situações reais, permitindo que as falhas sejam analisadas mais a fundo e correspondam a soluções precisas. Este artigo utiliza linguagem simples sempre que possível para explicar o processo.

Seja um sistema de armazenamento refrigerado ou um ar-condicionado, nenhum deles realmente "produz frio". Em vez disso, a refrigeração é essencialmente uma transferência de calor. Ela é alcançada por meio da conversão e circulação contínuas do fluido refrigerante entre os estados líquido e gasoso, realizando assim a troca de calor. O ciclo completo consiste em quatro estágios: compressão, condensação, expansão e evaporação, formando um circuito fechado contínuo. Durante a circulação, o fluido refrigerante absorve e libera calor continuamente, interagindo com os quatro componentes principais e dispositivos auxiliares para transferir calor.

No entanto, durante esse processo, quando o refrigerante está em estado líquido? Quando se transforma em gás? Quando está sob alta pressão e quando está sob baixa pressão? Quais são os princípios por trás dessas mudanças?

Processo de Compressão

O compressor comprime gás refrigerante de baixa temperatura e baixa pressão em vapor de alta temperatura e alta pressão.

Em seguida, vamos começar pelo "coração" do sistema de refrigeração: o compressor. Como o nome sugere, a função principal do compressor é a compressão. No entanto, o objeto a ser comprimido deve ser sempre um gás. Isso porque os líquidos são praticamente incompressíveis. Se o fluido refrigerante entrar no compressor, pode ocorrer o fenômeno de golpe de aríete.

Imagine um líquido sendo comprimido à força dentro da câmara do compressor – ele age como um martelo golpeando os componentes internos. Se essa condição persistir, o compressor falhará rapidamente e sofrerá danos permanentes. Portanto, um separador gás-líquido é geralmente instalado antes do compressor. Ele age como um goleiro, separando qualquer fluido refrigerante que não tenha evaporado completamente e permitindo que apenas o gás entre no compressor.

Após o gás entrar no compressor, seu volume diminui rapidamente enquanto a pressão e a temperatura aumentam acentuadamente, transformando-se eventualmente em gás de alta temperatura e alta pressão que é descarregado do compressor. Esse processo é comumente chamado de descarga.

A temperatura de descarga é um parâmetro crítico, pois reflete diretamente a condição de funcionamento do compressor e o estado do sistema de refrigeração. Portanto, as unidades de refrigeração geralmente são equipadas com dispositivos de exibição da temperatura de descarga.

Ao mesmo tempo, o manômetro de alta pressão é conectado diretamente à tubulação de descarga para monitorar os valores de pressão em tempo real. O lado de alta pressão do controlador de alta e baixa pressão também é conectado aqui. Assim que a pressão de descarga ultrapassar o limite de segurança, o sistema de proteção contra alta pressão é acionado, desligando automaticamente o compressor para evitar danos ao equipamento.

Além disso, quando o gás em alta temperatura e alta pressão sai do compressor, ele também carrega parte do óleo do compressor. Nesse ponto, o separador de óleo desempenha um papel importante. Ele separa o óleo e o devolve ao compressor, mantendo a lubrificação e garantindo o funcionamento normal.

Diagrama de exemplo de compressor

Processo de condensação

O vapor em alta temperatura flui através do condensador, libera calor para o exterior e se condensa em líquido de alta pressão.

O condensador funciona como uma estação de resfriamento para gases de alta temperatura. Após ser comprimido pelo compressor, o gás refrigerante em alta temperatura e pressão entra no condensador como seu próximo destino. Aqui, ele sofre uma importante transformação: passa do estado gasoso para o líquido.

Esse processo é semelhante à forma como o vapor de água se condensa em água quando resfriado. Para ajudar o fluido refrigerante a resfriar e liquefazer rapidamente, o condensador é equipado com ventiladores. No entanto, os ventiladores não funcionam continuamente. Seu funcionamento é controlado com precisão de acordo com a pressão do sistema.

Isso ocorre porque, se os ventiladores ligarem muito cedo, o fluido refrigerante pode liquefazer antes que calor suficiente seja liberado, reduzindo a eficiência da refrigeração. Por outro lado, se os ventiladores ligarem muito tarde, a pressão do sistema pode ficar excessivamente alta.

Portanto, o sistema utiliza um controlador conectado à tubulação de descarga ou ao reservatório de líquido para detectar a pressão e controlar de forma inteligente o funcionamento do ventilador do condensador. Assim que o refrigerante completa com sucesso a liquefação, ele flui para o reservatório de líquido e aguarda a próxima etapa de seu percurso.

Após sair do reservatório de líquido, o refrigerante passa primeiro pelo filtro secador, que atua como um estágio de purificação, removendo impurezas, umidade e substâncias ácidas do refrigerante.

Alguns filtros secadores contendo carvão ativado são projetados especificamente para absorver parafina, pois o óleo refrigerante pode precipitar cera quando as temperaturas caem abaixo de -35°C. Sistemas de refrigeração de média e alta temperatura geralmente não exigem esse tipo de remoção de cera.

Após a purificação, o refrigerante entra no visor de nível.

O visor de nível é um componente fundamental para avaliar as condições do sistema de refrigeração. Os técnicos podem observar o visor para determinar se a tubulação está seca e também identificar se a carga de refrigerante é suficiente ou se entrou ar no sistema, verificando a presença de bolhas no refrigerante.

Nessa etapa, o fluido refrigerante ainda está em estado líquido sob alta pressão. Para evitar que o fluido refrigerante continue fluindo para o evaporador após o desligamento, uma válvula solenoide é instalada após o visor de nível para obter um controle preciso do fluxo.

Diagrama de exemplo de condensador

Processo de estrangulamento

O líquido sob alta pressão passa pela válvula de expansão, sua pressão cai instantaneamente e ele se transforma em uma mistura gás-líquido de baixa temperatura e baixa pressão.

Após passar pela válvula solenoide, o fluido refrigerante chega à válvula de expansão. A válvula de expansão atua como o centro de redução de pressão do sistema de refrigeração. Quando o fluido refrigerante líquido de alta pressão passa pela válvula de expansão, o orifício de estrangulamento reduz rapidamente a pressão, fazendo com que tanto a pressão quanto a temperatura do fluido refrigerante caiam significativamente. O fluido refrigerante então se transforma em uma mistura gás-líquido de baixa temperatura e baixa pressão.

O processo de estrangulamento em si não altera o conteúdo total de calor do refrigerante. No entanto, a queda repentina de pressão reduz a temperatura e cria uma mistura gás-líquido capaz de absorver calor do interior da câmara frigorífica.

Ao mesmo tempo, a válvula de expansão pode ajustar automaticamente o fluxo de refrigerante de acordo com a carga de refrigeração da câmara frigorífica, garantindo a eficiência da refrigeração e a estabilidade da temperatura.

Diagrama de exemplo de válvula de expansão

Processo de evaporação

O fluido refrigerante entra no evaporador, absorve o calor da câmara frigorífica, vaporiza novamente, resfria o ar e retorna ao compressor para completar o ciclo.

Em seguida, a mistura gás-líquido de baixa temperatura entra no evaporador, que é o resfriador de ar localizado dentro da câmara frigorífica.

O evaporador é o componente que realmente produz o efeito de refrigeração. Nele, o fluido refrigerante absorve o calor do interior da câmara frigorífica e gradualmente se transforma de líquido em gás a baixa temperatura e baixa pressão.

À medida que o calor é removido do ar armazenado, a temperatura do ar diminui, permitindo que a câmara frigorífica atinja a condição de baixa temperatura necessária.

Quando o fluido refrigerante sai do evaporador, ele se transformou completamente em gás saturado e retorna ao compressor para iniciar o próximo ciclo de refrigeração.

Diagrama de exemplo de evaporador