O resfriamento de processo remove calor de equipamentos de produção, materiais ou operações de manufatura para manter as temperaturas exigidas pelo processo. Ele ajuda a controlar a qualidade do produto, proteger os equipamentos e manter a estabilidade da produção. Os sistemas de resfriamento podem utilizar ar, líquidos em circulação, refrigerantes ou gelo.
A temperatura exigida, a taxa de resfriamento e as condições de contato determinam o sistema adequado. Este artigo explica como funcionam os sistemas mais comuns, onde o gelo oferece vantagens práticas e quais condições operacionais orientam a seleção do sistema.
Como Funciona o Resfriamento de Processo?
O resfriamento de processo transfere calor de um processo mais quente para um meio mais frio, que carrega esse calor para longe.
Em um sistema típico de água gelada:
- A água flui através de um trocador de calor, jaqueta de equipamento ou canal de resfriamento e absorve calor.
- A água aquecida retorna ao refrigerador (chiller).
- O refrigerador transfere o calor da água para seu circuito de refrigeração.
- Um condensador libera esse calor para o ar externo ou para um sistema separado de água de resfriamento. A água resfriada retorna à produção.
Um resfriador a seco (dry cooler) segue uma rota diferente, liberando o calor do fluido diretamente para o ar ambiente. O gelo absorve calor ao derreter, podendo assim fornecer resfriamento em um momento e local diferentes daqueles em que foi produzido.
Principais Métodos de Resfriamento de Processo e Topologias de Sistema
Um sistema de resfriamento necessita de um meio para circular seu fluido refrigerante e de equipamentos para absorver e rejeitar calor. Essas partes desempenham funções distintas; portanto, compare não apenas sua disposição, mas também suas funções específicas.
Sistemas Hidrônicos de Circuito Aberto e Circuito Fechado
Sistemas hidrônicos transportam calor em água ou em uma mistura à base de água. Em um sistema aberto de circulação, como uma torre de resfriamento aberta, a água entra em contato com o ar externo. A evaporação concentra minerais e contaminantes atmosféricos podem entrar na água, gerando a necessidade de tratamento da água.
Um circuito fechado de processo mantém seu fluido isolado do ar externo, ajudando a controlar a qualidade do fluido que atinge os equipamentos. O circuito de processo e o circuito de rejeição de calor podem utilizar arranjos diferentes. Em uma torre de resfriamento de circuito fechado, o fluido de processo permanece dentro de um serpentinho, enquanto a água de pulverização externa ao serpentinho evapora. O circuito de processo permanece fechado, mas o lado de rejeição de calor ainda perde água por evaporação.
Tecnologias Comuns de Resfriamento e Suas Funções
Várias dessas tecnologias podem operar em conjunto em uma única instalação.
| Tecnologia | Função Principal | Condições Operacionais Úteis | Restrição Principal |
| Resfriador a seco | Libera o calor do fluido para o ar externo | A temperatura do fluido exigida deve estar suficientemente acima da temperatura do ar externo | O desempenho segue a temperatura ambiente |
| Torre de resfriamento | Resfria a água circulante por evaporação | Adequado para resfriamento de água de processo ou rejeição de calor do condensador | Temperatura de bulbo úmido e gestão da água |
| Resfriador | Utiliza refrigeração para resfriar água ou uma mistura de água e glicol anticongelante | Temperaturas controladas do fluido, inclusive abaixo das condições ambientais | Capacidade e potência variam com as temperaturas de operação |
| Expansão direta | Evapora o refrigerante na superfície de resfriamento | Equipamento projetado para resfriamento direto por refrigerante | Distribuição e controle de refrigerante |
| Sistema baseado em gelo | Absorve calor pela fusão do gelo | Resfriamento por contato, fornecimento de água gelada ou resfriamento armazenado | Fornecimento, manuseio e capacidade de fusão do gelo |
| Sistema criogênico | Utiliza substâncias extremamente frias, como nitrogênio líquido | Tarefas especializadas de baixa temperatura ou resfriamento rápido | Fornecimento consumível e controles específicos para a aplicação |
Tanto resfriadores refrigerados a ar quanto resfriadores refrigerados a água podem fornecer água gelada para um processo. Seus nomes descrevem como seus condensadores rejeitam calor.
O Papel do Gelo no Resfriamento de Processos
O gelo pode resfriar um material diretamente, resfriar a água circulante ou armazenar resfriamento para uso posterior. O processo deve ser compatível com a temperatura de fusão do gelo, com a forma como ele entra em contato com o material e com o cronograma de seu fornecimento.
Calor Sensível e Calor Latente no Resfriamento
A transferência de calor sensível altera a temperatura de um material sem mudar seu estado físico. A água gelada aquece ao absorver calor de um processo. Calor latente é o calor envolvido em uma mudança de estado. O gelo de água doce próximo a 0 °C absorve aproximadamente 334 kJ/kg ao derreter-se em água à mesma temperatura. Essa absorção adicional de calor é útil em processos que limitam a quantidade de água que pode ser adicionada.
A forma do gelo afeta o contato, o manuseio e o comportamento de fusão. Em condições comparáveis, alterar a forma não aumenta a quantidade de calor absorvida por uma massa igual de gelo em fusão. Outros sistemas de resfriamento também utilizam mudança de fase: os refrigerantes evaporam nos circuitos de refrigeração e a água evapora nas torres de resfriamento.
Resfriamento Direto por Contato com Gelo
No resfriamento por contato direto, o gelo toca o produto ou é misturado ao processo. Ele absorve calor ao aquecer e derreter. Peças finas provenientes de máquinas de gelo em flocospodem se espalhar ao redor de produtos irregulares ou ser dosadas em um misturador. Peças maiores podem exigir britagem ou mais tempo para mistura.
O processo deve aceitar a água adicionada, e o gelo deve atender aos seus requisitos de qualidade. Quando o gelo é um ingrediente, inclua-o na quantidade total de água permitida na receita. Se o contato direto for inadequado, um circuito separado de água gelada com gelo e um trocador de calor podem manter a água de refrigeração afastada do produto.
Refrigeração com Água Gelada por Gelo
O gelo em fusão pode resfriar água que circula por uma camisa ou trocador de calor. A água absorve o calor do processo e retorna para ser resfriada novamente, sem adicionar gelo sólido diretamente ao material. A temperatura de fornecimento depende da vazão de água, da mistura, do contato com o gelo e do calor recebido. Mesmo quando a mistura de gelo e água estiver próxima ao seu ponto de fusão, o produto pode permanecer mais quente.
Por exemplo, 100 kg de gelo de água doce a 0 °C absorvem cerca de 9,3 kWh de calor durante sua fusão. Utilizar esse resfriamento dentro de uma hora exige uma taxa média de refrigeração de 9,3 kW. O sistema de circulação e o trocador de calor devem ser capazes de fornecer essa taxa; ter apenas gelo armazenado em quantidade suficiente não é suficiente.
Armazenamento Térmico de Energia em Gelo
O armazenamento térmico de energia em gelo permite produzir gelo antecipadamente à demanda e fundi-lo quando o resfriamento for necessário. Isso pode reduzir a demanda elétrica de pico ou deslocar as compras de eletricidade para períodos de menor custo. Em sistemas com armazenamento parcial, o refrigerador e o gelo armazenado fornecem resfriamento em conjunto. Em projetos com armazenamento total, todo o resfriamento é fornecido exclusivamente pelo armazenamento durante o período programado de descarga.
Compare o consumo energético ao longo de todo o ciclo, incluindo carregamento, perdas no armazenamento, bombas e resfriamento útil fornecido. Uma conta de eletricidade menor não significa necessariamente que menos quilowatts-hora foram consumidos. Para a produção de gelo, a medição consumo de eletricidade por tonelada de geloajuda a distinguir o consumo real de energia do consumo de potência da máquina.
Aplicações Industriais Críticas da Refrigeração de Processo
Defina o resultado de refrigeração antes de escolher o equipamento. Uma temperatura do produto, uma condição de reação ou um limite de temperatura durante a mistura atribui ao sistema uma tarefa específica a ser cumprida.
Processamento de Alimentos e Bebidas
A refrigeração controla as temperaturas dos alimentos durante a produção e manipulação. A mistura pode aquecer massas ou misturas de carne, enquanto a fermentação gera calor que deve ser removido. O gelo é adequado para processos que aceitam contato direto ou água adicionada à receita. Quando o fluido refrigerante deve permanecer separado, equipamentos com camisa ou trocadores de calor fornecem refrigeração sem misturar os fluidos. O manuseio de frutos do mar exige consideração tanto das cargas de resfriamento e conservação de peixes. A primeira remove o calor do peixe; o gelo adicional absorve o calor que entra durante o armazenamento e o transporte.
Processamento Químico
O resfriamento remove o calor gerado pela reação para manter os processos químicos na temperatura necessária para uma produção consistente. Camisas térmicas e trocadores de calor podem manter o fluido refrigerante separado dos produtos químicos. A adição direta de gelo é adequada apenas quando a química do processo permite a adição de água e a diluição resultante. A capacidade de resfriamento deve ser dimensionada com base na taxa com que a reação libera calor, pois uma carga média diária isoladamente pode não atender a essa demanda.
Produção de concreto
O resfriamento dos ingredientes do concreto reduz a temperatura do concreto fresco. O gelo pode substituir parte da água de mistura e absorver calor ao derreter.
Sua quantidade deve estar dentro da cota total de água permitida por lote. A quantidade necessária varia conforme as temperaturas dos ingredientes, a umidade dos agregados, as condições de mistura e a temperatura exigida para o concreto. Uma temperatura inicial mais baixa auxilia no controle térmico, embora não possa prevenir todos os tipos de fissuração térmica.
Principais diferenças entre resfriamento industrial e resfriamento para conforto
O resfriamento industrial controla as temperaturas de produção, enquanto o resfriamento para conforto mantém as condições internas do ambiente para as pessoas. Portanto, suas cargas térmicas e requisitos operacionais são definidos de forma distinta.
O projeto de resfriamento para conforto considera o calor que entra no edifício, a ocupação, a temperatura e a umidade. O projeto de resfriamento industrial começa com o calor gerado pelos equipamentos ou materiais, seguido pela consideração das temperaturas-alvo, do cronograma de produção e da compatibilidade dos fluidos.
Um processo pode operar continuamente ou em lotes, com tolerância térmica estreita ou ampla. Operação contínua e nível fixo de precisão não são requisitos obrigatórios para todos os processos. Em uma cervejaria, por exemplo, o ar-condicionado atende escritórios e ambientes ocupados, enquanto um circuito separado resfria os tanques de fermentação.
Como escolher um sistema de resfriamento industrial
Um sistema de água circulante é uma opção inicial para resfriamento contínuo que mantém o fluido refrigerante separado do processo. Utilize um refrigerador (chiller) quando a rejeição de calor ao ambiente não for capaz de manter a temperatura de suprimento exigida. O gelo direto é adequado para processos que permitem contato, enquanto o armazenamento térmico pode compensar a diferença entre o cronograma de demanda de resfriamento e o cronograma de produção.
Requisitos de resfriamento e dimensionamento do sistema
Comece com a quantidade de calor que deve ser removida e o tempo disponível para sua remoção. Para um lote sem mudança de fase:
Calor removido (kJ) = massa (kg) × calor específico médio[kJ/(kg·K)]× queda de temperatura (K)
O calor específico mede a transferência de calor por unidade de massa por grau. Divida a quantidade de calor pelo tempo de resfriamento em segundos para obter a capacidade média de resfriamento em kW. Para resfriamento em regime permanente, utilize o fluxo mássico em kg/s no lugar da massa por lote. A seleção do equipamento também deve levar em conta a carga máxima simultânea e qualquer amortecimento disponível. Inclua o calor proveniente dos equipamentos, das reações químicas e do ambiente, quando relevante.
Para sistemas de gelo, calcule separadamente a produção diária e a entrega de pico. Um equipamento Mikeicemachine de gelo em flocos de 2 toneladasindica uma produção de 2.000 kg em 24 horas, com temperatura ambiente de 30 °C e temperatura de entrada da água de 20 °C. Esses valores não determinam sua produção em condições locais mais quentes nem a quantidade de gelo disponível durante um turno curto.
Estratégias Operacionais e Otimização do Sistema
Mantenha as superfícies de transferência de calor limpas e realize o tratamento da água para que o sistema atinja a temperatura e a vazão exigidas pelo processo. Ajuste a operação do compressor às cargas variáveis. Bombas ou ventiladores de velocidade variável podem ser utilizados sempre que o equipamento e os requisitos mínimos de vazão o permitirem.
Em condições climáticas adequadas, o resfriamento gratuito aproveita as condições ambientais para reduzir a operação do refrigerador. Ajuste os pontos de ajuste de temperatura dentro da faixa aceitável do processo e compare o consumo energético com a produção útil sob condições semelhantes para identificar alterações no desempenho.
Para um projeto baseado em gelo, forneça suas condições operacionais, incluindo o material, a vazão, as temperaturas inicial e final, o tempo de resfriamento e a localização do local. Esses detalhes ajudam a definir a capacidade necessária de produção de gelo, o armazenamento e a configuração de entrega.
Fontes externas
- Trane: Resfriamento de Processo
- Departamento de Energia dos EUA: Resfriamento de Processo e HVAC
- Baltimore Aircoil Company: Torres de Resfriamento de Circuito Fechado
- FAO: Natureza e Propriedades do Gelo
- Baltimore Aircoil Company: Armazenamento Térmico com Gelo
- FHWA: Controle da Temperatura do Concreto e Resfriamento dos Ingredientes
