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Dimensionamento eletromecânica de uma máquina de gelo industrial
Tipologia: Trabalhos
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Escolher os componentes adequados para o sistema de refrigeração; Realizar os cálculos de dimensionamento; Representação esquemática 1.3 JUSTIFICATIVA Uma máquina de gelo pode vir a se tornar um negócio que visa a fabricação e comercialização de gelo. O gelo pode ser usado de diversas formas, sendo para conservação de alimentos, como ingrediente para realçar o paladar das bebidas, em fins terapêuticos, além de outros diversos usos, há muito tempo vem sendo usado para conservar alimentos, e o seu ponto de formação é usado como valor de referencia em termodinâmica. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 HISTÓRIA DA REFRIGERAÇÃO A refrigeração de que se fala nos dias está geralmente associada a mecanismos de tecnologia moderna, esquecendo que nos tempos pré-históricos as pessoas já armazenavam comida em cavernas com paredes úmidas, no sentido de conservá-la aproveitando o efeito de arrefecimento natural. Já os habitantes da ilha de Creta, no Mediterrâneo. O uso da refrigeração e do ar condicionado representou um dos mais importantes avanços da civilização moderna. A possibilidade de guardar e distribuir alimentos e de viver e trabalhar em climas adversos deu às atividades humanas perspectivas muito maiores do que aquelas anteriormente possíveis. A prática da refrigeração e do ar condicionado existe desde os dias do homem das cavernas. Por volta do ano 2000 a.C., tinham noção da importância das baixas temperaturas na preservação dos alimentos. O povo Minuano construiu adegas específicas, para alojar o gelo natural recolhido no inverno, que serviam para conservar os alimentos durante a estação quente. Um poeta chinês do século XI A/C. Descreve a coleta e armazenagem de gelo natural. O resfriamento por meio de gelo e neve é freqüentemente mencionado no decorrer da História. Mesmo em climas razoavelmente quentes, áreas naturais de armazenamento, como cavernas ou rachaduras do solo, possibilitam a conservação do gelo e da neve muito depois que a acumulação do inverno desaparece da superfície. Também existem evidências de que Alexandre, o Grande, no ano 300 a.C. serviu, com recurso a neve, bebidas frescas aos seus soldados de forma a manter a moral. Antigos soberanos, com a ajuda de trabalho escravo em grande escala, mandavam trazer enormes pilhas de neve das montanhas próximas para produzir brisas refrescantes na primavera e esfriar os refrescos. Como referido, desde tempos muito remotos até ao início do século XX, os povos
recolhiam o gelo natural durante o inverno e armazenavam-no em adegas e mais tarde em locais com condições que permitiam manter o gelo por um ano ou mais. Na Europa, durante a Idade Média, os nobres mandavam encher de neve buracos e trincheiras, durante o inverno, para que pudessem preparar bebidas frias e sobremesas geladas durante os meses de verão. Foram descritos muitos dispositivos engenhosos onde se usava a evaporação da água para esfriar o ar e tornar a vida mais amena. Em meados do século XIX, os Estados Unidos, por exemplo, tinha um importante comércio de gelo natural, centrado principalmente em torno do rio Hudson e Maine. Já na Europa, e ao mesmo tempo, era uma constante a procura de blocos de gelo natural oriundo da Noruega. A água foi o primeiro refrigerante, com uma longa história que se estende até os tempos modernos. Com a passagem dos anos, foram melhorando os métodos de armazenagem e manuseio, mas em todas as partes do mundo o gelo natural continua sendo usado. Desde o ano 1805 até ao final do século XIX, muitas eram as embarcações que transportavam gelo natural desde a América do Norte até muitos países de climas quentes, tais como Antilhas, Europa e até mesmo a Índia e Austrália. É constatado que em 1872, 225000 toneladas de gelo natural foram enviadas para esses locais, tendo sido nessa época que a refrigeração mecânica se desenvolveu consideravelmente, sendo concebidos a maioria dos tipos de compressores e ciclos frigoríficos que se conhecem hoje. Com a invenção do microscópio no século XVIII, verificou-se a existência de micro- organismos (micróbios, bactérias, enzimas). Em 1810, Sir Jonh Lesley fabricou com sucesso a primeira máquina de fazer gelo por um princípio similar ao indicado anteriormente. Mas um marco na história deste desenvolvimento aconteceu em 1834 quando a Jacob Perkins, um americano que foi o primeiro a descrever o ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor tal como o conhecemos hoje, é concedido o número 6662 da patente britânica referente a uma máquina de compressão de vapor. Em 1862, em uma exibição internacional em Londres, o equipamento de Harrison, fabricado por Daniel Siebe, foi apresentado à sociedade da época. Outro inventor, James Harrison, um escocês que emigrou para a Austrália em 1837 é acreditado com a invenção de sucesso de uma máquina de operação manual no inicio do ano 1850, também, em 1856, Alexander Twinning conseguiu produzir uma tonelada de gelo por dia em Cleveland, Ohio. Embora tenha sido Carl Von Linde que contribuiu com a aplicação da teoria termodinâmica nos sistemas de refrigeração, muitos outros cientistas, britânicos, alemães,
No processo de refrigeração mais comum, uma substancia designada por fluido refrigerante é sujeita a uma sequência de fases, das quais resulta uma diminuição na temperatura deste fluido refrigerante de forma a retirar calor de fluidos ou corpos que necessitam de ser arrefecidos. Seguidamente são apresentados os diversos métodos a aplicar aos fluidos frigorigéneos de forma a baixar a temperatura a valores desejados. 2.2 HISTÓRIA DOS FLUIDOS REFRIGERANTES Os primeiros projetistas de equipamentos de refrigeração, como Jacob Perkins em 1834, no século XIX, utilizaram éter etílico como primeiro fluido refrigerante comercial. Porém, concluíram que este fluido não era o mais indicado para esta finalidade, devido aos perigos associados e à necessidade do uso de compressores grandes. Surgiram então outros fluidos refrigerante melhores, como o amoníaco (R717), dióxido de carbono (R744), cloreto de etila (R160), isobutano (R600a), cloreto de metila (R40), Cloreto de metileno (R30) e dióxido de enxofre (R764). Mas, apenas três destes tornaram-se muito populares. O amoníaco e o dióxido de enxofre para frigoríficos e outras pequenas unidades e o dióxido de carbono, preferencialmente, para uso na refrigeração de navios. Com o passar dos tempos, outros fluidos refrigerante foram testados. Ao longo dos anos são desenvolvidos estudos e amostras, como se descreve abaixo. Estes estão relacionados com sistema de refrigeração por absorção que utilizam a mistura de água-amonia (H2O-NH3), cloreto de cálcio-amonia (CaCI2-NH3) como fluidos operante. 2.3 IMPACTOS AMBIENTAIS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES Para aplicações estacionárias como ar condicionado central, refrigeração comercial (supermercados) e industrial, o impacto ambiental do refrigerante a ser utilizado deve ser analisado utilizando o critério de Desempenho Climático de Ciclo de Viena (“Life-Cycle Climate Performance”-LCCP). O impacto ambiental dos refrigerantes sobre a camada de ozônio ou aquecimento global depende da sua concentração na estratosfera. Os níveis futuros de CFCs e HCFCs serão controlados pela atual versão do Protocolo de Montreal (Montreal, 1997). O impacto climático mais aceitável é atingido através de uma combinação ótima de refrigerante, projeto do equipamento, controle e manutenção. Melhor eficiência energética pode ser atingida com alto custo utilizando modificações adicionais nos componentes do ciclo, etc. Pelo Protocolo de Kyoto, as emissões individuais dos gases efeito estufa serão agregadas como
equivalentes em CO2. Muitos desenvolvidos devem reduzir suas emissões equivalentes em CO2 em 5-8% abaixo dos níveis de 1990 para CO2, CH4, N2O, e níveis de 1995 para HFCs, PFCs, SF6 durante o período de 2008-2012. O desempenho climático de tecnologias competidoras pode ser comparado calculando- se a contribuição direta das emissões de produtos químicos e a contribuição indireta da energia necessária para produzir o refrigerante e operar o equipamento. Hidrocarbonetos, que são também utilizados para substituição de CFC, não são incluídos no Protocolo de Kyoto. Emissões de produtos químicos incluem emissões durante o processo de produção do refrigerante, durante a operação do equipamento e no momento da disposição. As emissões de produtos químicos envolvem as emissões de refrigerantes. Desta forma, a contribuição acumulada de determinado gás ao processo de aquecimento global continuará aumentando até que tenha sido eliminado na totalidade da atmosfera. Alguns dos efeitos associados são: mudanças climáticas, maior concentração de CO2, desequilíbrio nos ecossistemas locais, efeito estufa. 3 REFRIGERAÇÃO 3.1 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A VAPOR O ciclo de compressão de vapor ou ciclo de Kelvin é o mais utilizado, tanto em frigoríficos domésticos como em grandes sistemas de refrigeração industrial. Neste ciclo, um fluido refrigerante em circulação entra no compressor sob a forma de vapor saturado. O vapor saturado é comprimido a uma entropia constante e sai superaquecido do compressor. O vapor superaquecido desloca-se então através do condensador que primeiro o resfria, removendo o superaquecimento, e depois condensa-o, transformando-o em líquido através da remoção do calor adicional, a uma pressão e temperatura constantes. O líquido refrigerante passa então por uma válvula de expansão, onde a sua pressão decai rigorosamente, causando a sua evaporação parcial e a autorefrigeração de, normalmente, menos de metade do líquido. O resultado é uma mistura de líquido e vapor a uma temperatura e pressão inferiores. A mistura líquido-vapor fria desloca-se então através da serpentina do evaporador e evapora-se totalmente, resfriando o ar que a atravessa, o qual é impulsionado através da serpentina. O vapor refrigerante resultante volta então ao compressor para completar o ciclo termodinâmico. A descrição acima indicada, baseia-se num ciclo de compressão de vapor ideal, o qual nunca ocorre na realidade. Na prática, teriam que ser levados em conta outros efeitos reais como
Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da substância: Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M) Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (M-N) Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O) Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (O-L) Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas. 3.2 COMPONENTES BÁSICOS DE UM CICLO DE REFRIGERAÇÃO Tubulação de sucção: Que conduz o vapor a baixa pressão do evaporador para a admissão do compressor; Tubulação de descarga: Fornece vapor da exaustão do compressor ao condensador; Tubulação de líquido: Conduz o refrigerante até o evaporador; Válvula de expansão: Reduz a pressão do líquido refrigerante para que este evapore ao trocar calor no evaporador; Fluido refrigerante: Fluido que absorve calor de uma substância do ambiente a ser resfriado. 3.2.1 Evaporador Tem a função de garantir uma superfície de transmissão de calor, através da qual possa haver transferência de calor entre o fluido de processo e o refrigerante em evaporação; O evaporador é considerado qualquer superfície de transmissão de calor na qual o líquido volátil é vaporizado com o objetivo de remover calor de um espaço ou produto refrigerado. Em outras palavras, é um componente de refrigeração no qual o refrigerante é evaporado para produzir o efeito de resfriamento de um fluido. Existem vários tipos e formas de evaporadores devido às diversas aplicações nas quais são utilizados.
3.2.2 Condensador Com o objetivo de garantir uma superfície de transmissão de calor, entre o vapor refrigerante aquecido para o agente da condensação; A condensação ocorre quando a temperatura do vapor é reduzida a valores inferiores ao de sua temperatura de saturação. Em equipamentos industriais o processo resulta usualmente do contato entre o vapor e uma superfície. A energia latente é liberada, calor é transferido para a superfície e forma-se o condensado (Incropera 1998). O condensador consiste de uma superfície de transmissão de calor. A função do condensador é rejeitar para o agente de condensação o calor trocado no evaporador e o trabalho consumido no compressor. O calor do vapor refrigerante aquecido passa através das paredes para o meio de condensação. 3.2.3 Compressor Para succionar o vapor do evaporador e elevar a pressão e temperatura deste a um ponto tal que ele possa ser condensado com o agente de condensação disponível, normalmente ar ambiente ou água de resfriamento; O compressor, Figura 3 , é outro componente essencial ao equipamento de refrigeração. Ele garante a circulação de refrigerante pelo sistema em um ciclo contínuo. Os compressores aumentam a pressão do refrigerante reduzindo o volume da câmera de compressão por meio de trabalho aplicado ao mecanismo do compressor. Pode-se citar como exemplos de compressores deste tipo os alternativos, rotativos e scroll. _Figura 3. Compressor Fonte: https://produto.mercadolivre.com.br/MLB- 1055807512 - compressor-tecumseh-14cv- 14cv-127v-r-134a-tph1380yds-JM
de oxigenação, porém alguns são realmente prejudiciais mesmo quando estão presentes em pequenas percentagens. TOXIDADE: R-11, R-12, R-22, R- 17 0, R-718, Não. R-30, R-40, R-717, R-764, Sim. A miscibilidade é a habilidade do refrigerante se misturar com o óleo tem vantagens como fácil lubrificação das partes dos sistemas e relativa facilidade do óleo voltar ao compressor e desvantagens como diluição do óleo no compressor, pobre transferência de calor e problemas de controle. MISCIBILIDADE DO ÓLEO:
R-11, R-12, R-22, R-30, R- 7 18, R-764, Não Inflamáveis. R-40 8,1 - 17,2 R-170 3,3 - 10,6 R-717 16,0 - 25, 3.3.1.2 CLASSES E NOMENCLATURA DOS REFRIGERANTES Os refrigerantes podem ser divididos em três classes, conforme sua maneira de absorção ou extração do calor das substâncias a serem refrigeradas. Portanto, são elas: Classe 1: Essa classe inclui os refrigerantes que resfriam materiais por absorção do calor latente. São exemplos dessa classe os CFC’s, HCFC’s e os HFC’s; Classe 2: Os refrigerantes dessa classe são os que resfriam substâncias pela absorção de seus calores sensíveis. São elas: ar, salmoura de cloreto de cálcio, salmoura de cloreto de sódio (sal comum) e álcool; Classe 3: Esse grupo consiste de soluções que contêm vapores absorvidos de agentes liquidificáveis ou meios refrigerantes. Essas soluções funcionam pela natureza de sua habilidade em conduzir os vapores liquidificáveis que produzem um efeito de resfriamento pela absorção do calor latente. Os refrigerantes da Classe 1 são empregados no tipo de compressão padrão dos sistemas de refrigeração. Os refrigerantes da classe 2 são empregados como agentes resfriadores imediatos entre a Classe 1 e a substância a ser refrigerada, e fazem o mesmo trabalho que a Classe 3. Esses últimos são empregados no tipo de absorção padrão dos sistemas de refrigeração Figura 4 - Nomenclatura dos hidrocarbonetos halogenados (substâncias simples). Adaptado de Deiters (1996)
em associação com alimentos e bebidas, a fim de conservá-los ou apenas refrigerá-los. Ressalta-se que apesar de a temperatura de formação do gelo e a de conservação serem negativas não significa que este não possa estar contaminado, isto é, a carga microbiológica pode estar presente, no entanto, não há desenvolvimento microbiano devido à baixa temperatura. Em períodos quentes, principalmente no verão, a comercialização e o consumo deste produto são maiores o que potencializa o risco de contaminação por bactérias. Estas, geralmente, são do Grupo Coliforme que se dividem em dois tipos: totais e fecais (também chamados de termotolerantes). A principal patologia associada a contaminação por coliformes fecais é a gastroenterite cujos sintomas são vômitos, diarreia, dores abdominais, entre outros. As toxinfecções alimentares podem ocorrer quando são desrespeitadas as regras de boas práticas de fabricação e segurança do alimento. Diante disso, as doenças de origem alimentar são reconhecidas pela OrganizaçãoMundial de Saúde como um grave problema de saúde pública, já que constituem uma causaimportante de morbidade e de mortalidade humanas. 4 Estima-se que centenas de milhares de pessoas no mundo sejam vítimas de Doenças Transmitidas por Alimentos – DTAs. A importância da qualidade microbiológica do gelo é enfatizada quando suafinalidade é gelar bebidas, pois o gelo pode ser um potencial veículo de transmissão de doençasinfecciosas.Sua armazenagem e seu consumo nem sempre são adequados e isso pode ser consequência da má condição de higiene das pessoas que manipulam o material, das que transportam ou até mesmo de instrumentos utilizados durante a produção5. Logo, é preciso cuidado para que não haja contaminação do gelo. A rotulagem é outro fator importante. Ela deve conter informações claras acerca da composição do produto, origem, fabricante, endereço e data de validade, necessários para o consumidor em caso de dúvidas sobre a utilização e/ou consumo. Em 1997, o Programa de Análise de Produtos do Inmetro analisou doze marcas de gelo filtrado disponíveis no mercado. O resultado revelou um risco para o consumidor, pois quatro marcas foram reprovadas por conterem coliformes fecais. Em 2004, foi realizada uma reanálise em gelo, indicando irregularidades em relação à rotulagem. Tal prática impossibilita que o consumidor tenha à sua disposição informações necessárias sobre o produto que o capacite a tomar adequadas decisões de compra. Diante desse contexto, o Inmetro optou por analisar gelo, no que tange aos requisitos de microbiológicos e de rotulagem, buscando prestar esclarecimentos ao consumidor sobreo
referido produto. 3.5 NORMAS DE REFERÊNCIA Portaria n° 2.914, de 12 de dezembro de 2011, do Ministério da Saúde - Dispõe sobre os procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade; Resolução RDC nº 275, de 21 de outubro de 2002, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária - Dispõe sobre o Regulamento Técnico de Procedimentos Operacionais Padronizados aplicados aos Estabelecimentos Produtores/Industrializadores de Alimentos e a Lista de Verificação das Boas Práticas de Fabricação em Estabelecimentos Produtores/Industrializadores de Alimentos; Resolução RDC n° 259, de 20 de setembro de 2002, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária - Regulamento Técnico sobre Rotulagem de Alimentos Embalados; Resolução RDC nº 274, de 22 de setembro de 2005, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária Regulamento Técnico para Águas Envasadas e Gelo; Lei 8.078, de 11 de setembro de 1990, do Ministério da Justiça (Código de Proteção e Defesa do Consumidor). 4 LAYOUT DA MÁQUINA DE GELO Foi desenvolvido um layout para a máquina de gelo que consiga atender aos requisitos de dimensões para que seja possível alocar todos os componentes necessários para seu funcionamento, esse layout é apresentado na Figura 8. Figura 8. Layout Máquina de gelo Fonte: Autores.
Figura 11. Condução de calor radial unidimensional. Fonte: INCROPERA, F. P.; DEWITT Para encontrar o calor radial, foi utilizado as equações baseadas na Figura 11. Para encontrar o valor do Calor real foi considerado uma eficiência de 0,9 do evaporador, e o valor do calor real foi multiplicado pela quantidade de gelos por ciclo que é de
A partir do valor do Calor de entrada do evaporador foi dimensionado o ciclo de refrigeração por compressão.
Optou-se por utilizar um ciclo de refrigeração simples, capaz de atender a demanda do evaporador de 207 W. Os cálculos foram realizados no Software EES. Abaixo será apresentado o esquema do ciclo, Figura 12 e uma tabela com o valores de entrada, Quadro 1. Figura 12. Ciclo de refrigeração por compressão. Fonte:Autor desconhecido Quadro 1. Valores de entrada para o ciclo de refrigeração Fonte: Autores. A partir dos dados de entrada fo realizada os balanços de energia no condensador, compressor e condensador, e ainda calcular o COP. Resultanto em um compressor que seja capaz de realizar um trabalho total de 91,3 W ou 0,12 hp.