frame|right|Esquema de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor. O ciclo de refrigeração ou ciclo frigorífico é um ciclo termodinâmico que constitui o modelo matemático que define o funcionamento das máquinas frigoríficas e das bombas de calor.

A diferença entre uma bomba de calor e uma máquina frigorífica normal consiste em esta última apenas poder ser usada para arrefecimento enquanto que a primeira pode ser usada tanto para arrefecimento como para aquecimento. No seu processo de aquecimento, a bomba de calor também utiliza um ciclo de refrigeração. Para tal, a bomba de calor tem a possibilidade de escolher qual das serpentinas é que deve funcionar como condensador, funcionando a outra como evaporador. Nos climas mais frios, é comum a utilização, em residências, de bombas de calor que apenas permitem o aquecimento - tornando-as mais simples e baratas - uma vez que o arrefecimento raramente é necessário.

Tipos de ciclos de refrigeração Existem quatro tipos de ciclos de refrigeração: Ciclo de compressão de vapor; Ciclo de absorção de vapor; Ciclo de gás; Ciclo Stirling.

Ciclo de compressão de vapor

O ciclo de compressão de vapor ou ciclo de Kelvin foi idealizado por Lord Kelvin e é o mais utilizado, tanto em frigoríficos domésticos como em grandes sistemas de refrigeração industrial.

Neste ciclo, um refrigerante em circulação (como o freon) entra no compressor sob a forma de vapor. O vapor é comprimido - a uma entropia constante - e sai superaquecido do compressor. O vapor superaquecido desloca-se então através do condensador que primeiro o arrefece - 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 abruptamente - causando a sua evaporação parcial e a autorefrigeração de, normalmente, menos de metade do líquido. Daí, resulta 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 completamente, arrefecendo o ar que a atravessa, o qual é impulsionado através da serpentina por um ventilador. 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 tidos em conta outros efeitos reais como a queda de pressão dentro do sistema devida ao atrito, uma ligeira irreversibilidade termodinâmica durante a compressão e o comportamento do fluido refrigerante ser o de um gás não ideal.

Ciclo de absorção de vapor

Nos primeiros anos do século XX, tornou-se popular a utilização de sistemas de ciclo de absorção de vapor através do emprego de água e amónia. No entanto, estes sistemas perderam muita da sua importância, após o desenvolvimento do ciclo de compressão de vapor, devido ao seu baixo coeficiente de desempenho que é cerca de um quinto deste último. Hoje em dia, o ciclo de absorção é apenas usado onde existe desperdício de calor disponível ou onde o calor pode ser obtido por paineis solares.

O ciclo de absorção é semelhante ao ciclo de compressão, excepto no que diz respeito ao método de subir a pressão do vapor refrigerante. No sistema de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido adequado, uma bomba que faz subir a pressão do líquido e por um gerador que, com adição de calor, afasta o vapor refrigerante do líquido a alta pressão. É necessário algum trabalho pela bomba mas, para uma dada quantidade de refrigerante, é muito menor que aquele necessário para o compressor no ciclo de compressão. Num refrigerador de absorção, é usada uma adequada combinação de refrigerante e de absorvente. As combinações mais comuns são a de amónia como refrigerante e água como absorvente ou a de água como refrigerante e brometo de lítio como absorvente.

Ciclo de gás O ciclo de gás consiste num ciclo de refrigeração que utiliza um gás que é comprimido e expandido, mas que não muda de fase. O fluido mais utilizado é o ar. Como não existe condensação e evaporação num ciclo de gás, os componentes correspondentes ao condensador e ao evaporador num ciclo de compressão de vapor são os permutadores de calor de gás quente para gás frio.

O ciclo de gás é menos eficiente que o ciclo de compressão de vapor, uma vez que trabalha com base num ciclo Brayton inverso em vez de sobre um ciclo Rankine inverso. Como tal, o fluido não recebe nem rejeita calor a um temperatura constante. No ciclo de gás, o efeito de refrigeração é igual ao produto do calor específico do gás e à subida de temperatura do gás no lado de baixa temperatura. Assim, para a mesma carga de arrefecimento, um ciclo de refrigeração a gás irá necessitar de um grande caudal mássico e será volumoso.

Devido à sua menor eficiência e maior volume, os refrigeradores de ciclo de ar não são frequentemente aplicados em refrigeração terrestre. Contudo, a máquina de ciclo de ar é bastante comum em aviões comerciais a jato, uma vez que existe ar comprimido disponível, obtido nos módulos de compressão dos reatores. As unidades de arrefecimento e ventilação destes aviões a jato também servem para pressurizar a cabina.

Ciclo Stirling

O ciclo Stirling é realizado mediante o início e a manutenção de condições estáveis de uma oscilação cíclica do fluido utilizado, de modo que, numa região definida do dispositivo que gera o ciclo, o fluido esteja em expansão e em seguida, resfriado e em outra região esteja em compressão e em seguida aquecido. A parte aquecida produz calor e a parte arrefecida extrai o calor do ambiente exterior, provocando assim o efeito frigorífico.

O ciclo é assim designado, uma vez que é realizado com um funcionamento invertido, como máquina frigorífica, do motor Stirling, que passa a ser assim designado como "máquina frigorífica Stirling".

O ciclo frigorífico Stirling, embora atualmente pouco conhecido e pouco utilizado, tem a caraterística importante de não obrigar a qualquer alteração do estado do fluido do ciclo. Ao contrário, os restantes ciclos são obrigados e limitados a operar sob gamas precisas de temperaturas e tais limites são estabelecidos pelo tipo de fluido utilizado, ocorrendo o funcionamento óptimo a temperaturas próximas das da evaporação do fluido. O ciclo de Stirling é igualmente eficiente a todas as temperaturas e utiliza sempre o mesmo fluido, não sendo este portanto particularmente vinculativo, desde que seja gasoso com as temperaturas de operação. Quando as temperaturas de operação são muito baixas, podem ser utilizados como fluidos o hélio ou o hidrogénio. O ciclo pode ser assim utilizado a temperaturas mínimas e pode ser utilizado para produzir fluidos externos (gases liquefeitos) à temperatura de quase zero absoluto. O ciclo Stirling é assim o único adequado para temperaturas muito baixas. ...

Referências PERRY, R.H., GREEN, D.W., Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th Edition ed.), McGraw Hill, Inc., 1984.

DINCER, Ibrahim, Refrigeration Systems and Applications, John Wiley and Sons, 2003. WHITMAN, Bill, Refrigeration and Air conditioning Technology, Delmar, 2008.

Ver também Ciclo termodinâmico Refrigeração Bomba de calor Máquina frigorífica

Categoria:Aquecimento, ventilação e ar condicionado Categoria:Termodinâmica