Refrigerador Carnot e Ciclos de Refrigeração

Refrigerador Carnot

O princípio de funcionamento dos circuitos de refrigeração também é o ciclo de Carnot, mas operando em sentido inverso ao dos motores de combustão interna. Assim, à custa de trabalho externo, o fluido refrigerante extrai calor de uma fonte fria para cedê-lo a uma fonte quente. Um sistema de refrigeração que opera segundo este ciclo ideal é composto pelos seguintes elementos: um condensador (reservatório quente, T₁ ou T_c), um evaporador (fonte fria, T₂ ou T_f), um compressor (que aumenta a pressão e a temperatura do fluido) e um expansor ou turbina de expansão (onde a pressão e a temperatura do fluido diminuem). As quatro fases do ciclo de Carnot invertido são:

• Compressão adiabática (1-2): O compressor, acionado por um motor (que fornece trabalho externo), aumenta a pressão (de P₁ para P₂) e a temperatura (de T_f para T_c) do fluido refrigerante de forma adiabática.
• Rejeição de calor isotérmica no condensador (2-3): O fluido refrigerante atinge o condensador, onde se liquefaz, cedendo calor (Q₁) à fonte quente. Este processo ocorre à temperatura constante T_c.
• Expansão adiabática (3-4): No expansor, o fluido refrigerante expande-se adiabaticamente, diminuindo sua pressão e temperatura (de T_c para T_f), preparando-o para a evaporação.
• Absorção de calor isotérmica no evaporador (4-1): O fluido refrigerante chega ao evaporador, onde absorve calor (Q₂) da fonte fria, vaporizando-se isotermicamente à temperatura T_f e pressão constante.

Os ciclos de refrigeração reais diferem do ciclo de Carnot ideal em dois aspectos principais: primeiro, os processos reais são irreversíveis, desviando-se do comportamento ideal. Segundo, na compressão, a entrada de uma mistura líquido-vapor no compressor pode apresentar dificuldades operacionais. Por isso, em muitos sistemas reais, apenas vapor é comprimido, o que requer que a evaporação no evaporador seja completa, resultando em vapor saturado ou superaquecido na entrada do compressor. Além disso, considera-se a expansão do líquido saturado que sai do condensador. O trabalho recuperado numa turbina de expansão teórica é, na prática, significativamente menor do que o trabalho consumido pelo compressor. Por essa razão, frequentemente opta-se por substituir a turbina por um dispositivo de expansão mais simples e econômico, como uma válvula de expansão (por exemplo, válvula de laminação), que reduz a pressão do fluido por estrangulamento. Assim, obtém-se um ciclo modificado, mais próximo do funcionamento dos sistemas de refrigeração reais.

Tipos de Sistemas de Refrigeração

Existem essencialmente dois tipos principais de sistemas de refrigeração:

• Sistemas de compressão de vapor: Nesses sistemas, o fluido refrigerante alterna entre as fases líquida e vapor (vaporiza e condensa) nos diferentes componentes do ciclo.
• Sistemas a gás: Nesses sistemas, o fluido refrigerante permanece sempre no estado gasoso durante todo o ciclo.

Ciclos Típicos: Compressão de Vapor e a Gás

No sistema de refrigeração por compressão de vapor, os processos típicos são:

• Compressão (1-2): O refrigerante, geralmente como vapor saturado ou levemente superaquecido, entra no compressor e é comprimido adiabaticamente (idealmente) até uma pressão e temperatura mais elevadas (vapor superaquecido). Esta é a fase onde trabalho externo é fornecido ao sistema.
• Condensação (2-3): O vapor superaquecido de alta pressão entra no condensador, onde rejeita calor para o meio externo (fonte quente). Ele primeiro resfria até a saturação e depois condensa, transformando-se em líquido saturado (ou sub-resfriado), idealmente à pressão constante.
• Expansão (3-4): O líquido refrigerante de alta pressão passa por uma válvula de expansão, onde sofre uma queda brusca de pressão (processo de estrangulamento, aproximadamente isentálpico), resultando numa mistura de líquido e vapor a baixa temperatura e baixa pressão.
• Evaporação (4-1): A mistura líquido-vapor de baixa temperatura entra no evaporador, onde absorve calor da fonte fria (ambiente a ser refrigerado). O líquido evapora completamente, transformando-se em vapor saturado ou levemente superaquecido à baixa pressão, retornando às condições de entrada do compressor para iniciar um novo ciclo.

No sistema de refrigeração a gás (como o ciclo Brayton invertido), os processos típicos são:

• Expansão adiabática (por exemplo, 3-4 no ciclo Brayton invertido): O gás de alta pressão expande-se adiabaticamente numa turbina, produzindo trabalho e diminuindo sua temperatura.
• Absorção de calor (4-1): O gás frio passa por um trocador de calor (evaporador), absorvendo calor da fonte fria e aumentando sua temperatura à pressão constante.
• Compressão adiabática (1-2): O gás é comprimido adiabaticamente no compressor, o que requer trabalho externo, aumentando sua pressão e temperatura.
• Rejeição de calor (2-3): O gás quente de alta pressão passa por outro trocador de calor (resfriador), liberando calor para o meio externo (fonte quente) à pressão constante, retornando às condições iniciais para um novo ciclo.

Aplicações dos Sistemas de Refrigeração

Os equipamentos de refrigeração possuem diversas aplicações, incluindo:

• Câmaras frigoríficas para armazenamento e conservação de alimentos.
• Transporte refrigerado (caminhões, vagões, contêineres) de mercadorias perecíveis.
• Sistemas de ar condicionado residencial, comercial e veicular.
• Processos industriais que exigem controle de temperatura (ex: liquefação de gases, indústria química).

Em todas essas aplicações, o espaço ou produto a ser resfriado atua como a fonte fria (de onde o calor é extraído), enquanto o ambiente externo (ar, água) geralmente serve como a fonte quente (para onde o calor é rejeitado).