DESENVOLVIMENTO DE UMA CHOPEIRA ELÉTRICA

UNIVERSIDADE LA SALLE

DESENVOLVIMENTO DE UMA CHOPEIRA ELÉTRICA

Diego julio napivoski

Orientador: Cláudio Freitas

Resumo

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma chopeira elétrica de pequeno porte, peso reduzido e de baixo custo para atender a demanda de cervejeiros caseiros. O projeto consiste no cálculo de dimensionamento dos componentes básicos de um sistema de refrigeração levando em consideração a vazão especificada nas demais chopeiras presentes no mercado. Foram realizadas as especificações dos equipamentos necessários para o funcionamento do equipamento, assim como o princípio de funcionamento que neles atuam. Foram também explicitados os principais aspectos relacionados a refrigeração industrial, fazendo-se uma comparação com o ciclo ideal para se avaliar o rendimento dos ciclos. O sistema projetado foi calculado com um ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor com o R134a como fluido de trabalho. Para determinação das propriedades do fluido refrigerante foi utilizado o software Refprop. Testes foram realizados com diferentes condições de uso e temperatura, desta forma pode-se analisar o melhor ajuste de temperatura no controlador.

Palavras-chave: Chopeira elétrica. Sistema de refrigeração. Dimensionamento.

Abstract

This work aims to develop a small, light weight and low cost electric beer cooler to meet the demand of homemade brewers. The project consists of calculating the dimensioning of the basic components of a refrigeration system taking into account the flow specified in the other beer coolers on the market. The specifications of the equipment necessary for the operation of the equipment were carried out, as well as the operating principle that operates in them. The main aspects related to industrial refrigeration were also explained, making a comparison with the ideal cycle to evaluate the efficiency of the cycles. The designed system was calculated with a mechanical steam compression refrigeration cycle with R134a as the working fluid. To determine the properties of the refrigerant fluid, the Refprop software was used. Tests were carried out under different conditions of use and temperature, thus it is possible to analyze the best temperature setting in the controller.

Keywords: Electric beer cooler. Refrigeration system. Sizing.

Introdução

O mercado cervejeiro no Brasil está em alta, segundo dados do (MAPA), que é o órgão responsável pelas estatísticas do setor. O ano de 2020 teve uma alta de 14,4% em relação ao ano anterior, com a abertura de 174 novas cervejarias. Com isso o brasil chega a 1383 cervejarias registradas. Os altos índices de crescimento são justificados principalmente pelo novo perfil de consumidores que buscam produtos de melhor qualidade, e não mais produtos convencionais.

É difícil mensurar o número de produtores caseiros de cerveja, mas considerando o crescimento exponencial do setor, estima-se, segundo o (MAPA) que este número aumente nas mesmas proporções que cervejarias comerciais.

Baseado nestes números, identificou-se a oportunidade de desenvolver um projeto de uma chopeira elétrica de pequeno porte, com peso e custo reduzido para atender a demanda de cervejeiros caseiros, com uso doméstico e baixo consumo. Para isso buscou-se na literatura o funcionamento de um sistema de refrigeração capaz de atender os dados do projeto, refrigerando a cerveja à uma temperatura apropriada ao seu consumo.

Objetivo geral

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento experimental de uma chopeira elétrica para uso domiciliar, visando uma combinação de materiais leves, com as soluções de refrigeração disponíveis no mercado.

 Objetivos específicos

  • Dimensionamento do dispositivo de expansão a partir de componentes disponíveis no mercado, já dimensionados pelos fabricantes.
  • Dimensionar e selecionar o sistema de refrigeração para a chopeira.
  • Seleção de materiais leves para redução de peso.

Justificativa

Um dos problemas encontrados pelos cervejeiros caseiros é como servir a cerveja de forma apropriada, quando ela está armazenada em barris. As chopeiras elétricas disponíveis no mercado tem um alto custo, que muitas vezes não compensa o investimento para ser usada em poucas ocasiões.

Tendo em vista tais aspectos, surgiu a oportunidade de projetar de forma experimental um equipamento que atenda de forma satisfatória os objetivos destacados.

referencial teórico

Os testemunhos mais antigos da arte de fazer cerveja datam de 6000 anos e se referem aos Sumérios. Os grãos foram as primeiras culturas a serem domesticadas no processo de agricultura, por essa razão acredita-se que a cerveja tenha sido descoberta por acidente, onde algum pão contendo centeio e cevada tenha estragado e assim apresentado um sabor diferente e agradável, vinda da fermentação alcoólica. Até a Idade Média, a produção da cerveja era realizada por mulheres e era considerada um alimento básico, uma bebida com uma importante fonte de nutrientes, rica em carboidratos e proteínas, sendo ainda considerada uma bebida mais pura do que a água (BELTRAMELLI, 2012).

 Embora, por tradição, a produção fosse feminina, foi nos monastérios europeus que se teve um grande avanço na produção da cerveja. Eles utilizavam ervas para dar aroma, com louro, gengibre e lúpulo, sendo que até hoje são utilizados. Com destaque o lúpulo que hoje faz parte do processo produtivo da cerveja, concedendo amargor e ajudando na preservação da mesma. Para os monges a cerveja possuía grande importância nos seus jejuns estabelecidos pela religião. Os monges por serem os únicos que reproduziam os manuscritos da época, puderam conservar e aperfeiçoar suas receitas (MORADO, 2009).

Segundo dados do MAPA (2018), o chopp e a cerveja são a bebida mais consumida do mundo, o maior inconveniente é o fato de como refrigerar uma grande quantidade, principalmente quando se necessita de espaço refrigerado para barris que contêm volumes de 30 a 50 litros de bebidas.

 Consumo de chopp no Brasil

O Brasil é o terceiro maior fabricante de cerveja do mundo, com produção anual de 13,3 bilhões de litros, onde a china fica no topo do ranking com 46 bilhões e Estados Unidos com 22,1 bilhões conforme a Figura 1. Isso impacta diretamente no PIB, onde o setor teve 77 bilhões em faturamento em 2016, consolidando cerca de 1000 estabelecimentos legalmente instalados (SINDICERV, 2019).

Figura 1 — Produção por país
Produção por paísCERVBRASIL (2016)

Segundo Hughes (2014), um dos motivos da bebida ser a mais consumida no mundo se deve ao seu sabor e refrescância vindas do malte e do lúpulo. Manter essas qualidades não é uma tarefa fácil, pois os produtores caseiros geralmente não possuem equipamentos necessários para manter a bebida refrigerada e posteriormente servir com qualidade e na temperatura ideal, visto que ao serem servidas em garrafas, logo esquentam e seu sabor acaba caindo de qualidade. Cervejas Pilsens e Lagers tem com temperatura ideal para consumo 2°C a 4°C, isso se deve ao fato de serem bebidas leves e com um teor alcoólico de no máximo 5,5%. Isso tem sido um problema para muitos produtores, já que o investimento em chopeiras ofertadas no mercado cervejeiro acaba sendo caro. Muitos deles acabam utilizando conceitos básicos de termodinâmica para criar as chamadas gambiarras para refrigerar cerveja, como por exemplo, serpentinas imersas em gelo e álcool dentro de uma caixa de isopor.

TERMODINÂMICA E CONCEITOS BÁSICOS

O nome termodinâmica vem das palavras gregas thérme (calor) e dýnamis

(força), que descrevem bem os primeiros esforços de converter calor em força. Hoje esse nome é amplamente interpretado para incluir todos os aspectos da energia e suas transformações, entre eles a geração da energia elétrica, a refrigeração e as relações que existem entre as propriedades da matéria. Çengel, Yunus A. (2013).


Segundo Russel e Adebiyi (1993) a termodinâmica surgiu de um dos ramos da física nos séculos XVIII E XIX. Entre os cientistas destacados que iniciaram o desdobramento desta ciência estão: Lord Kelvin (1824-1907), Rudolph J. Clausius (1822-1888), e Sadi Carnot (1796-1832). Baseado no período Histórico, da evolução das máquinas térmicas e da termodinâmica, pode-se afirmar que é uma ciência relativamente nova.

Ainda segundo Russel e Adebiyi (1993), termodinâmica é a ciência que trata das alterações em propriedades de sistemas e transformações de energia.

Van Wilen et al. (1998), são mais específicos referindo se a calor e trabalho, e não puramente como energia. Segundo sua literatura, a Termodinâmica trata do trabalho, calor e das substâncias relacionadas ao sistema. O início dos estudos da termodinâmica, assim como outras ciências, foi a partir da observação experimental. E sendo formalizadas pelas leis básicas, conhecidas por primeira e segunda lei da termodinâmica.

Calor e Trabalho

O trabalho é normalmente definido como uma força agindo em um determinado deslocamento, onde este deslocamento é na direção da força.


w=xxfdx(1)\displaystyle w=\int_x^x f \, dx \tag{1}

Calor é definido como a energia térmica que passa de um corpo com maior temperatura para outro com menor temperatura. Basicamente quanto maior a temperatura, maior será a quantidade de energia em seu interior. Van Wilen et al. (1998).

Temperatura e escalas de temperaturas

Temperatura é definida como o estado térmico de uma substância, e também sua disposição de trocar energia com o meio e outras substâncias. Essa troca é sempre de uma substância com temperatura maior, cedendo calor a outra com temperatura mais baixa, Stoecker (1985).

No sistema internacional, SI, a escala utilizada para mensurar temperatura é o Celsius. Esta escala é baseada no ponto de vaporização da água e no ponto de fusão do gelo, respectivamente 100°C e 0°C, ambas em equilíbrio (WylenBorgnakkeSonntag, 2008).

No meio científico é normalmente utilizada a escala absoluta, chamada Kelvin, denominada K. A relação entre a escala Kelvin e Celsius é:


Tabs[K]=T[°C]+273,15(2)\displaystyle Tabs[K]=T[°C] + 273,15 \tag{2}

As escalas foram construídas com parâmetros diferentes, porém registram a mesma temperatura por meio de valores distintos. Pode-se analisar como exemplo o ponto de fusão da água, onde os valores 0°C e 273,15K representam o mesmo estado de agitação molecular, representando a mesma temperatura, mas em escalas termométricas diferentes (Stoecker, 1998).

Pressão

De acordo com Çengel (2013), a pressão pode ser definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área. O termo pressão só é utilizado quando se trata de um gás ou um líquido. Se tratando de um sólido o termo usado é a tensão normal, que é o equivalente da pressão nos sólidos. A unidade de medida utilizada na pressão é a força por unidade de área, ela tem unidade de newtons por metro quadrado (N/m2), denominada de pascal (Pa). Ou seja,1Pa = 1 N/m2.

Entalpia

Segundo Van Wylen (1998) entalpia é grandeza física que mede a máxima energia em um sistema termodinâmico em forma de calor. 


h=u+p.v(3)\displaystyle h=u+p.v \tag{3}

Onde:

U = Energia Interna

P = Pressão

V = Volume

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica, também definida como a lei da conservação de energia aplicada a sistemas termodinâmicos. A energia pode se apresentar na natureza de diversas formas, não pode ser criada ou destruída, mas pode ser transferida ou transformada, desde que o número final de energia seja o mesmo do inicial (ÇengelBoles, 2012).


E2E1=QW(4)\displaystyle E2 - E1 = Q-W \tag{4}

Onde:

E2 = Entalpia final

E1 = entalpia inicial

Q = calor perdido

W = trabalho

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica diz que processos ocorrem em determinadas direções (processos irreversíveis). Num sentido mais amplo, a segunda lei indica que todos os processos conhecidos ocorrem num certo sentido e não no oposto. Uma xícara de café nunca esfria em virtude da transferência de calor para o meio, porém calor não será transferido do meio, que apresenta temperatura mais baixa do que a do café, para a xícara. Observações cotidianas como essas são evidências da validade da segunda lei da termodinâmica.

Russel e Adebiyi (1993), utilizam o postulado de Kelvin-Planck para a segunda lei da termodinâmica, como mostrado na figura 2.1:

"É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e produza nenhum outro efeito além do levantamento de um peso e troca de calor com um reservatório térmico".

Van Wylen (1998) apresenta também o postulado de Clausius:

"É impossível construir um dispositivo que opere segundo um ciclo, e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente" (figura 2).


Figura 2 — Enunciados da segunda lei da termodinâmica
Enunciados da segunda lei da termodinâmicaWylen, Borgnakke e Sonntag (2008)



Ciclo de refrigeração

O princípio básico da refrigeração funciona da forma que qualquer substância ao evaporar rouba calor. Isso se deve ao fato de que, para uma substância passar do estado líquido para o estado de vapor é necessário fornecer-lhe calor durante um certo tempo, até atingir a temperatura de evaporação da substância PANESI, (2005).

Os primeiros registros do uso de temperaturas baixas como meio de conservação de alimento foi o gelo. Era usado também em larga escala como agente refrigerante para manter a temperatura nos processos industriais. A unidade de medida TR, ou tonelada de refrigeração, foi criada em função da utilização do gelo. O TR é a quantidade de calor necessária para fundir uma tonelada de gelo a 0°C em 24 horas. Um exemplo, é quando se diz que um sistema tem capacidade de 20 TR, isso quer dizer que ele equivale a fusão de 20 toneladas de gelo a 0°C a cada 24 horas (COSTA, 2016).

A motivação para o desenvolvimento de uma máquina de gelo foi em decorrência da falta de confiabilidade do armazenamento, perdas e da distribuição do gelo natural, que dependia da agilidade da logística e também dos invernos rigorosos de países situados no hemisfério norte, assim, por volta de 1856, segundo a cronologia da ASHRAE (2018) , foi desenvolvida a primeira máquina de gelo, dando início assim a grande evolução dos sistemas de refrigeração.

Diversos ciclos de refrigeração utilizam o efeito da refrigeração evaporativa, onde um fluxo de refrigerante líquido transita dentro de uma serpentina, em um sistema fechado para trocar calor no evaporador. Para se manter em um ciclo fechado o refrigerante deve finalizar seu ciclo, voltando ao ponto de partida, na forma líquida. Para que isto seja possível, o refrigerante é comprimido a alta pressão, podendo assim, ser condensado novamente com água ou ar ambiente, diminuindo sua pressão e assim evaporar trocando o calor desejado (STOECKER, 1998).

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é o ciclo reversível mais conhecido, desenvolvido em 1824 pelo engenheiro francês Sadi Carnot. O ciclo de Carnot conforme a Figura 3 é composto por quatro processos reversíveis – dois isotérmicos, dois adiabáticos – e pode ser executado por um sistema fechado ou por um sistema com escoamento em regime permanente (ÇENGEL; BOLES, 2012).

Figura 3 — Esquema e diagrama T-s do ciclo de Carnot
Esquema e diagrama T-s do ciclo de CarnotÇengel e Boles (2012, p. 613)

Segundo Cengel (2012), o ciclo de refrigeração de Carnot é reversível e tem sua eficiência térmica máxima para determinados limites de temperatura e serve de comparação para os ciclos reais. Os processos que ocorrem no ciclo são:

  • Expansão isotérmica reversível: onde ocorre o recebimento de calor da fonte de aquecimento.
  • Expansão adiabática reversível: não ocorre troca de calor com as fontes térmicas.
  • Compressão isotérmica reversível: ocorre a cessão de calor para a fonte de resfriamento.
  • Compressão adiabática reversível: não ocorre troca calor com as fontes térmicas.

Ciclo padrão de refrigeração

Neste ciclo o motor é substituído por uma válvula de expansão e o processo de estrangulamento do escoamento nesse dispositivo é irreversível, enquanto a expansão no ciclo Carnot é reversível. A diferença se dá para que o compressor trabalhe apenas com vapor e não com uma mistura de líquido e vapor. Evitar a compressão úmida é interessante pois nesse caso ocorrem alguns problemas.

O primeiro é a diluição do óleo de lubrificação pela presença do refrigerante líquido (caso dos compressores alternativos), esta diluição reduz a eficiência de lubrificação do óleo. O segundo problema ocasionado pela presença de líquido na compressão está relacionado com a possibilidade de ocorrência de danos nas válvulas, resultantes da ação de erosão promovida pelo líquido. Uma outra dificuldade da compressão úmida está relacionada ao controle da vazão da mistura de modo que o estado do refrigerante seja exatamente o definido em projeto, estado 1 (BergmanLavine, 2019).

No processo de expansão é mais simples que se tenha um processo irreversível com uma válvula de expansão ou tubo capilar, do que possuir um dispositivo de expansão que receba líquido saturado e descarregue uma mistura líquido vapor de forma reversível, dessa maneira, a expansão deixa de ser isentrópica. No ciclo de refrigeração a vapor ela passa a ser isentálpica.

A Figura 4 apresenta o ciclo ideal para a refrigeração por compressão a vapor, segundo o ciclo 1-2-3-4-1. Nos diagramas Temperatura x entropia e pressão x entalpia da figura 5 é possível verificar o afastamento do ciclo de Carnot, 1’-2’-3’-4’-1’. (CARVALHO FILHO, 2018).

Figura 4 — Ciclo por compressão de vapor
Ciclo por compressão de vaporMacagnan (2015)

Figura 5 — Diagramas do Ciclo de Refrigeração Ideal
Diagramas do Ciclo de Refrigeração IdealMacagnan (2015)

Para compreender o ciclo é necessário considerar os quatro processos em separado. Considera-se que nas tubulações entre equipamentos não há alterações de natureza termodinâmica. A seguir, estão descritos os estados termodinâmicos do fluido de trabalho em cada processo.

Compressão (processo, 1-2): o vapor saturado a pressão e temperatura de vaporização entra no compressor para receber energia por meio de trabalho mecânico (T1 = Te ). Sai do equipamento a alta temperatura e na pressão de condensação (P2 = Pc ). A compressão é adiabática e reversível, consequentemente isentrópica (S1 = S2). Desconsidera-se o efeito do atrito e só há transferência de energia entre a compressor e vapor. Ao sair o refrigerante se encontra no estado de vapor superaquecido.

Condensação (processo, 2-3): no condensador o vapor perde calor para o meio condensante (água ou ar) e sai do condensador na forma líquida. A evolução durante todo o processo é isobárica (P3 = P2), havendo dois momentos distintos relacionados a evolução da temperatura, no primeiro o vapor superaquecido vai a temperatura do vapor saturado e depois o vapor é condensado isotermicamente, e o refrigerante vira líquido saturado na temperatura de condensação (T3 = Tc ).

Expansão (processo, 3-4): antes de expandir o refrigerante se encontra no reservatório líquido a pressão e temperatura de condensação. Ele segue pela linha até a válvula de expansão. O refrigerante sofre um estrangulamento adiabático irreversível e isoentálpico, (h3 = h4) ao passar pela válvula de expansão. Apesar de não ocorrer trocas de calor com o meio externo, parte do refrigerante vaporiza ao remover calor da massa líquida. Assim na saída do dispositivo se encontra uma mistura líquido vapor com temperatura e pressão de vaporização (T4 = Te ) e (P4 = Pe ).

Vaporização (processo, 4-1): a mistura de líquido e vapor entra no evaporador com pressão e temperatura de vaporização. Ao passar pela tubulação desse equipamento a massa líquida do fluido de trabalho recebe calor (carga térmica) do interior da câmara e passa a condição de vapor saturado. Esse processo é isobárico (P4 = P1) e isotérmico (T4 = T1) e na saída do evaporador só há vapor.

Ciclo real de refrigeração

O ciclo real de refrigeração se difere do ciclo ideal devido as perdas de carga, irreversibilidades que ocorrem durante o escoamento do fluido de trabalho. Também o que contribui para o afastamento do ciclo ideal é a transferência de calor entre os componentes do sistema (WYLEN; BORGNAKKE; SONNTAG, 2008).

Figura 6 — Ciclo real de refrigeração x ciclo padrão
Ciclo real de refrigeração x ciclo padrãoCosta (2016)

Nos ciclos reais algumas hipóteses traçadas para o ciclo ideal devem ser reavaliadas, principalmente, devido a presença de irreversibilidades. Cada irreversibilidade no sistema requer trabalho adicional no compressor.

Princípio de funcionamento da chopeira elétrica

Segundo Maxibeer (2019), existem dois tipos de chopeiras no mercado brasileiro, banco de gelo ou frio e expansão direta. O modelo escolhido para fabricação é o de banco de gelo, onde um sistema de refrigeração rebaixa a temperatura de uma mistura de água e álcool, na proporção de 50% cada. Conforme a Figura 7 essa mistura será mantida em constante movimento através de uma bomba de recirculação, mantendo a temperatura homogênea. Isso se faz necessário já que a tendência da água mais quente é subir, pois sua densidade é maior que a da água fria. Essa mistura é responsável pela troca térmica da serpentina que está imersa, gelando o chopp que circula em seu interior

Figura 7 — Diagrama operacional da chopeira
Diagrama operacional da chopeiraMaxbeer (2019)

Uma chopeira elétrica é formada por 3 sistemas, cada um com uma função específica. O sistema de refrigeração, sistema de extração e o sistema de serviço. O sistema de extração é composto pelo barril, cilindro de CO2 e válvula reguladora, é responsável por extrair o chopp do barril e leva-lo para o sistema de refrigeração. Neste estágio do sistema é onde fica localizada a unidade condensadora, juntamente com o reservatório e serpentinas, que refrigeram o chopp até a temperatura desejada. O último estágio é o de serviço, que é composto basicamente por mangueiras e a torneira, a qual é responsável por liberar a saída do liquido para os copos, (MAXBEER, 2019).

metodologia

A metodologia utilizada para o estudo, foram fases do projeto experimental, projeto conceitual e projeto detalhado, adaptada de Projeto de Desenvolvimento de Produto do Amaral (2006).

De acordo com Mello (2008), o fluxograma é configurado com entradas, processamentos e saídas. As entradas são as informações de planejamento do processo, enquanto que os processamentos são as operações realizadas no produto. O último e não menos importante são as saídas que são os resultados obtidos durante o processo e ainda segundo o autor, os fluxogramas possuem diversos benefícios, como:

uma técnica na qual utiliza-se símbolos específicos para cada fase de um processo e permite apresentá-lo de forma simples e clara, fazendo com que o mesmo se torne entendível e confiável. Na Figura 8 é possível observar inúmeros benefícios gerados pela utilização de um fluxograma, como: fácil conexão de cada etapa de um processo, rápido entendimento dos passos de cada atividade, visualização clara dos sistemas existentes.

Figura 8 — Fluxograma de desenvolvimento
Fluxograma de desenvolvimentoO autor (2021)

Principais componentes

Compressor

O compressor é um componente essencial em qualquer sistema de refrigeração. Ele é responsável pela circulação do refrigerante pelo sistema em um ciclo. A função primária do compressor é comprimir gás, elevando sua pressão para que o fluido circule no sistema. Os principais tipos de concepção de compressores são: dinâmico e volumétrico.

Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua, aumentam a pressão do vapor refrigerante através do momento angular do dispositivo rotativo para o vapor. O momento é convertido em aumento de pressão.

Os volumétricos ou de deslocamento positivo a elevação de pressão é efetuada através da redução do volume ocupado pelo gás por meio de trabalho aplicado ao mecanismo do compressor (ASHRAE 2018).

Condensador

O condensador é responsável por transformar o gás quente a alta pressão em líquido. O gás é proveniente do compressor, e a sua condensação ocorre quando a temperatura do vapor é reduzida até ficar abaixo da temperatura de saturação. Em resumo o condensador recupera o fluido refrigerante, colocando-o novamente em condições de dar continuidade ao ciclo (BERGMAN; LAVINE, 2019).

Dispositivo de expansão

O dispositivo de expansão tem a finalidade de reduzir e controlar o fluxo de refrigerante, mantendo a diferença de pressão entre os lados de alta e baixa pressão. Nesta etapa do sistema de refrigeração ocorre a diminuição da pressão, ocorrendo a mudança de fase líquida para vapor. Com isso, temos a diminuição da temperatura. Existem seis tipos de dispositivos de controle de fluxo: válvula de expansão automática, manual, termostática, tubo capilar, orifício e bóia (DOSSAT, 2004).

Evaporador

O evaporador é o componente de refrigeração onde ocorre a troca térmica entre o fluido refrigerante e o produto a ser resfriado. Segundo Dossat (2004) o evaporador pode ser qualquer superfície de transmissão de calor, fazendo com que a carga de calor seja transferida e absorvida de um produto ou espaço refrigerado.

Existem diversos modelos de evaporadores e podem ser divididos em dois grupos: evaporadores onde o refrigerante escoa por dentro dos tubos e evaporadores que escoam por fora dos tubos. Eles são dimensionados de acordo com a aplicação, isso se deve ao fato dos inúmeros tipos e formas de evaporadores (ASHRAE 2018).

Filtro secador

Filtros secadores são indicados para os sistemas que utilizam refrigerantes halogenados, que são compostos da combinação de átomos de Carbono, Flúor, Cloro e Hidrogênio. A localização deste componente no sistema de refrigeração deve ser na linha de líquido, pois ele tem a finalidade de filtrar partículas sólidas e eliminar a umidade residual do sistema (DOSSAT, 2004).

Fluido refrigerante

Nos sistemas de refrigeração, o refrigerante é o fluido que absorve calor de uma substância do ambiente a ser resfriado. Isso se dá de forma reversível, por mudança de fase de líquido para gasoso. As primeiras máquinas frigoríficas utilizavam fluidos refrigerantes naturais como amônia e CO2. Somente em 1929 que foi concebido o primeiro fluido sintético, o R12, um CFC (clorofluocarboneto) (WYLEN; BORGNAKKE; SONNTAG, 2008).

A utilização do R12 e demais fluidos sintéticos cresceram até os anos 80, onde estudos revelaram o potencial de destruição da camada de ozônio. Com isso, em 1987 foi assinado o protocolo de Montreal, que estabelecia um cronograma que visava a eliminação e redução de uso progressivo de substâncias nocivas a camada de ozônio. A partir desta data começou a diminuição da utilização dos CFCs e HCFCs. No Brasil a previsão da extinção de uso destes fluidos é no ano de 2040 (WYLEN; BORGNAKKE; SONNTAG, 2008).

Seleção dos componentes

Cálculo do Coeficiente de Performance

O COP para o ciclo de Carnot pode ser definido em função da temperatura de evaporação e condensação. (WylenBorgnakkeSonntag, 2008).


COP(Carnot)=TeTcTe=1TcTe1(5)\displaystyle COP(Carnot)=\dfrac{Te}{Tc-Te}=\dfrac{1}{\dfrac{Tc}{Te}-1} \tag{5}

Onde:

COP = Coeficiente de performance

 Te = Temperatura de evaporação

 Tc = Temperatura de condensação 

Seguindo com o cálculo, a temperatura do fluido refrigerante no condensador deve estar acima da temperatura do meio externo. Neste projeto será usado o ar como meio de condensação, portanto é indicado adicionar 10°C a temperatura externa. O local de uso da chopeira é a região do Vale dos Sinos onde a temperatura no verão chega facilmente em 35°C.


Tc=35+10=45°C=318,5K(6)\displaystyle Tc=35+10=45°C=318,5K \tag{6}

Aplicando as fórmulas descritas acima, utilizando o Te temperatura de evaporação em -25°C, que corresponde a 248,15 na escala Kelvin  o coeficiente de performance resultou em: COPCarnot = 3,545.

Seleção do Compressor

O compressor segundo dados do fabricante de chopeiras Eltz, para vazão de trinta L/h deve ter a potência de 1/4HP. Baseado nessas informações, foi definido o compressor Embraco EGAS 80HLR, com as seguintes especificações:

- Capacidade de refrigeração: 735,65 BTU/h (-25°C)

- Temperatura de evaporação: Entre -10°C e -35°C

- Especificação do óleo: Ester com carga de 230ml

- Fluido refrigerante: R134a

- Vazão mássica:  3,66 kg/h

- Voltagem: 220V 60Hz

Figura 9 — Compressor
CompressorEmbraco (2021)

Seleção do Condensador

Os condensadores utilizados em sistemas de refrigeração de pequeno porte são com ventilação forçada de ar, a partir de um micro ventilador. Na grande maioria dos condensadores a ar, são do tipo tubos e aletas, onde o refrigerante escoa no interior dos tubos e o ar escoa através das aletas (ASHRAE 2018).

Utilizando os dados do software Refprop conforme a tabela 1 pode-se calcular a quantidade de calor que o condensador deve transferir a temperatura de 45°C.

Utilizando a fórmula do calor rejeitado no condensador e os valores das entalpias obtidos na tabela termodinâmica do R134a:


Qc=m(h2h3)(7)\displaystyle Qc=m(h2-h3) \tag{7}

Onde:

Qc = Calor rejeitado (kW)

m = Vazão mássica (Kg/s)

h2 = Entalpia específica (KJ/Kg)

h3 = Entalpia específica (KJ/Kg)

Tabela 1 — Dados tabela R134a
PONTO T(°C) P(Kpa)h(KJ/Kg) 
 1 -25 106,4 383,45
 2 60 1125,1 426,63
 3 45 1125,1 263,94
 4 -25 106,4 263,94
O autor (2021)

Os pontos 2 e 3 são respectivamente os pontos de entrada e saída do evaporador.


Qc=m(h2h3)=0,00100826(426,63263,94)=0,164038kW(8)\displaystyle Qc=m(h2-h3) = 0,00100826(426,63-263,94) = 0,164038 kW \tag{8}

Transformando kW para kcal/h, obtém-se o valor de 141 kcal/h. O condensador escolhido foi o CDA 2775 da marca Elgin, que possui 2 filas com 12 tubos e 8 aletas por polegada, específico para compressores 1/4HP. Sua capacidade de rejeição é de 298 kcal/h, atendendo o projeto, conforme modelo da Figura 10.

Figura 10 — Condensador Elgin
Condensador ElginElgin (2021)

Seleção do evaporador

Segundo dados obtidos com o fabricante (Maxbeer, 2019) o evaporador é dimensionado em função da vazão em litros por hora. No trabalho em questão foi dimensionado para 30L/h, onde são necessários 10 metros de serpentina de alumínio com diâmetro de 3/8" para o resfriamento do chopp. A serpentina do fluido refrigerante, também segundo dados do fabricante, é de aproximadamente 8 metros. O reservatório onde fica alojada as serpentinas de fluido refrigerante e a de chopp, é adimensional, desde que a mistura de água e glicol deixem as serpentinas completamente submersas, efetuando assim a troca térmica.

Figura 11 — Evaporador
EvaporadorO autor (2021)

Dimensionamento do tubo capilar

Segundo Hermes (2010) O tubo capilar pode ser  dimensionado de forma algébrica, através da determinação da vazão mássica dada pela equação:


m˙={π2d22d3cD5dμfdL[pcpfvf+pfpea+ba2ln(ape+bapf+b)]}1/(2d)(9)\displaystyle \dot{m}=\left\{\frac{\pi^{2-d} 2^{2 d-3}}{c} \frac{D^{5-d}}{\mu_{f}^{d} L}\left[\frac{p_{c}-p_{f}}{v_{f}}+\frac{p_{f}-p_{e}}{a}+\frac{b}{a^{2}} \ln \left(\frac{a p_{e}+b}{a p_{f}+b}\right)\right]\right\}^{1 /(2-d)} \tag{9}

Onde:

pc = Pressão de condensação

pf = Pressão no flashpoint  

p= Pressão de evaporação

vf = Volume específico no flash-point

D = Diâmetro interno do tubo capilar

µf = Viscosidade dinâmica no flash-point

L = Comprimento do tubo capilar

Pressão no flashpoint é o ponto onde o refrigerante encontra-se saturado no processo de expansão isoentálpica, Os valores dos coeficientes a e b são encontrados através das equações Eq. 10 e 11, enquanto k é definido pela equação 12. Os valores dos coeficientes c e d são 0,14 e 0,15, respectivamente. 


a=vf(1k)(10)\displaystyle a=vf(1-k) \tag{10}


b=vf.pf.k(11)\displaystyle b=vf.pf.k \tag{11}


K=1,63.105pf0,72(12)\displaystyle K=1,63.10^5pf^-0,72 \tag{12}

Aplicando as fórmulas acima mencionadas em uma planilha do Excel conforme descrita na Tabela 2,onde consegue-se alterar o diâmetro e o comprimento do capilar até chegar em diâmetros compatíveis com o mercado, tem-se:

Tabela 2 — Cálculo do capilar no excel
VARIÁVELVALORESUNIDADE
V_f (Volume específico do R134a à 45°C) 0,00088885Pa
p_f (Pressão à 45°C 1159922,7Pa
p_ev (Pressão à 25°C) 106399,7Pa
p_cd (Pressão na temperatura de 45°C) 1159922,7Pa
n_f (Viscosidade na temperatura de 45°C)0,00015139 Pa/s
D_c (Diâmetro interno do capilar) 0,0005m
L (Comprimento do capilar) 0,4 m
 4,61175066Ad
a 0,0032103Ad
b 4754,70244Ad
c (Fator de atrito) 0,14Ad
d (Fator de atrito) 0,15Ad
   
w (Vazão mássica) 0,00100826Kg/s
w (Vazão mássica do fabricante)  0,00101667Kg/s
O autor (2021)

Os dados do refrigerante R134a foram obtidos utilizando o software Refprop, onde aplicados na tabela acima descrita, obteve-se um tubo capilar com diâmetro interno de 0,5mm e 400mm de comprimento conforme figura 12.

Figura 12 — Tubo capilar
Tubo capilarEletrofrigor (2021)

Estrutura

O material da estrutura do projeto foi selecionado de acordo com objetivo de redução de peso. Com isso o alumínio foi o material escolhido para construção porque possui 33% do peso do aço, o que o torna excelente para a aplicação. Um ponto importante a ser destacado é a vantagem do alumínio possuir uma proteção maior contra a oxidação. O peso obtido do catálogo do fabricante Maxibeer (2018) de uma chopeira elétrica com vazão de 30 litros é de 32kg.

Custos do projeto

A justificativa para este trabalho é o alto custo de um equipamento no mercado, que acaba não compensando o investimento. Como referência foi utilizado a fabricante Maxbeer com um custo de R$ 3400,00 para uma chopeira elétrica de 30 litros. O custo dos componentes utilizados na manufatura do projeto estão descritos na Tabela 3, com um valor total de R$ 1300,00.

Tabela 3 — Planilha de custos
ComponentesQuantidadeValor R$
Motor compressor Embraco 01 362,00
Condensador Elgin 01 90,00
Tubo capilar 01 20,00
Filtro secador 01 9,00
Tubo alumínio 3/8" 10mts 60,00
Tubo de cobre 3/8" 08mts150,00
Controlador de temperatura 01 130,00
Válvula schrader 01 11,00
Pés niveladores 04 16,00
Tubo quadrado alumínio de 1" 06mts140,00
Carga de gás R134a --- 50,00
Microventilador 01 60,00
Tubo alumínio do evaporador 01 80,00
Fios do esquema elétrico 05mts 40,00
Torneira de chopp 01154,00
TOTAL 1300,00 
O autor (2021)

Componentes

Restante dos componentes presentes no equipamento, como torneira, controlador de temperatura, fios e perfis de alumínio não são desconsiderados nos cálculos por se tratarem de componentes comerciais, sem nenhum tipo de função que altere o funcionamento do projeto.

Modelamento do projeto

O modelamento 3D do projeto foi realizado no software Inventor 2021 versão estudantil, junto com a utilização de bibliotecas de componentes de fornecedores. (figura 13).

Figura 13 — Modelo conceitual da chopeira
Modelo conceitual da chopeiraO autor (2021)

Fabricação e montagem

Seguindo o fluxograma já mencionado na Figura 8, a montagem é realizada com a soldagem do perfil de alumínio e seus respectivos furos e roscas, que serve de estrutura para o equipamento conforme a figura 14.

Figura 14 — Estrutura em alumínio
Estrutura em alumínioO autor (2021)

O segundo passo foi montar o compressor e o condensador, onde o compressor é fixado com parafusos e amortecedores de vibração para não transmitir ondas vibratórias para o restante do equipamento. O condensador é resfriado com a utilização de um micro ventilador que força a passagem de ar pelos tubos do condensador realizando uma troca térmica reduzindo a temperatura do gás refrigerante, conforme figura 15.

Figura 15 — Montagem do compressor e condensador
Montagem do compressor e condensadorO autor (2021)

O terceiro passo foi a montagem do evaporador demonstrado na Figura 16 que é formado pela serpentina de cobre que circula o gás refrigerante e a serpentina de alumínio que circula a cerveja que deve ser resfriada.

Figura 16 — Montagem do evaporador
Montagem do evaporadorO autor (2021)

A montagem do esquema elétrico foi realizado utilizando um controlador de temperatura. Nele estão ligados o sensor de temperatura, compressor e o micro ventilador, que são acionados quando a temperatura do set point se dispersa em 1°C, conforme mostrado na Figura 17.

Figura 17 — Montagem elétrica
Montagem elétricaO autor (2021)

Por último foi realizado o isolamento térmico do evaporador, utilizando uma manta elastomérica produzida com borracha de alta densidade, resistente a baixas temperaturas e com uma condutividade térmica de 0,025 kcal/m.h ºC. Esse material mostrado na Figura 18 garante uma excelente condição de isolamento. Para um melhor acabamento estético foi revestido com uma fita prata.

Figura 18 — Isolamento térmico
Isolamento térmicoO autor (2021)

RESULTADOS

Os resultados analisados foram baseados em testes práticos de estanqueidade, vazão e temperatura. A realização desses testes é de suma importância para validação do projeto, uma vez que os testes fornecem resultados confiáveis através das análises, e com isso, garantindo uma boa qualidade na fabricação da chopeira.

Teste de estanqueidade

Este teste visa garantir que todas as soldas estejam sem vazamentos, todas as conexões estejam com uma boa vedação e que resistam a pressão de trabalho da chopeira. A estanqueidade do sistema de refrigeração foi conduzido utilizando um manifold com ajuste em 140PSI durante um período de 2 horas. Passado o tempo determinado foi verificado que o manifold havia mantido a mesma pressão inicial, caracterizando a ausência de vazamentos. O teste de estanqueidade do sistema de extração foi conduzido utilizando um cilindro de CO2 com uma regulagem de 2,5 kgf/cm², um barril pressurizado com CO2 e água. Após a aplicação do teste conclui-se que a água percorreu todo o sistema sem vazamentos e resistindo a pressão delimitada.

Figura 19 — Teste de estanqueidade
Teste de estanqueidadeO autor (2021)

Teste de vazão

O teste de vazão resume-se na avaliação do sistema de extração e de serviço, garantindo que o líquido saia do barril e seja retirado na torneira sem nenhuma interrupção. O teste foi conduzido utilizando os mesmos parâmetros do teste de estanqueidade, com a água percorrendo todo o sistema sem inconsistência ou interrupções.

Figura 20 — Teste de vazão
Teste de vazãoO autor (2021)

Teste de temperatura

Para se chegar a uma temperatura padrão do controlador de temperatura foram realizados diversos testes. Por se tratar de um regime transiente de refrigeração, os testes foram realizados utilizando como parâmetro 30 litros/hora.

O primeiro teste foi conduzido com o controlador de temperatura da mistura de água e álcool ajustado para 2,4°C, obtendo assim como resultado a cerveja saindo da torneira a uma temperatura de 4,5°C.

No quarto teste, o controlador foi ajustado para 0°C, onde obteve-se como resultado uma temperatura de 2,2°C, o que já caracteriza uma temperatura ideal de consumo de cerveja. Como teste final foi selecionada a temperatura de -2°C, conseguindo se atingir a temperatura de saída da cerveja em 1,5°C. Os resultados dos testes são mostrados tabela 3.

Tabela 4 — Testes de temperatura
Temperatura no controladorTemperatura de saída do líquido
 2,4°C 4,5°C
 1,5°C 3,8°C
0,5°C 2,9°C 
0°C  2,2°C
 -2°C 1,5°
O autor (2021)

Validação dos testes

Como forma de validação final, foram utilizados os três sistemas presentes na chopeira, sistema refrigeração, extração e de serviço. A pressão de trabalho foi ajustada a 2,5 kgf/cm², conforme testes anteriores, enquanto que a temperatura do controlador foi ajustada a -2°C. O sistema de refrigeração demorou cerca de 45 minutos para atingir a temperatura ajustada. Para comprovar a eficiência do sistema de refrigeração, utilizou-se a chopeira por um período de uma hora e retirando líquido a cada 5 minutos, dentro desse período o sistema se auto acionava sempre ao extrair o liquido da serpentina, e a temperatura do líquido variava entre 1,5°C a 2°C. Com isso conclui-se que o projeto atendeu os objetivos propostos no trabalho, pois manteve a cerveja em uma temperatura  considerada ideal para ser consumida durante todo o período do teste.

 conclusão

Nesse trabalho foi detalhado o projeto de uma chopeira elétrica compacta para resfriamento de chopp e cerveja artesanal, como alternativa para se disponibilizar uma maior quantidade de bebida. O sistema de refrigeração precisará resfriar e manter a temperatura com valores ente 1,5°C e 2°C. A temperatura do ambiente de Novo Hamburgo, local de aplicação do projeto, foi definida como 25°C. As temperaturas de evaporação e condensação são definidas pela relação entre as temperaturas do reservatórios e do fluido de trabalho no ciclo. A temperatura de condensação de 45°C e a de evaporação -15°C. O fluido refrigerante que será aplicado no ciclo será o R-  134a.

O desenvolvimento do presente estudo possibilitou uma análise de como é o funcionamento de sistemas de refrigeração e adquirir um conhecimento mais aprofundado sobre o processo de desenvolvimento de produto, tendo oportunidade de conhecer a literatura existente referente ao tema, bem como, as ferramentas adequadas para realização do desenvolvimento do projeto da chopeira elétrica da forma mais assertiva possível.

Objetivo principal do trabalho, projetar e fabricar uma chopeira elétrica, o mesmo foi totalmente atendido seguindo a literatura encontrada e a metodologia estabelecida, o que possibilitou a utilização das ferramentas adequadas no momento correto conforme cada fase do desenvolvimento da chopeira.

Em relação ao primeiro objetivo específico, dimensionar o dispositivo de expansão, foi atendido, visto que o comprimento e diâmetro correto foram aplicados e nos testes práticos  não ocorreu alimentação ineficiente ou golpes de líquido no compressor, caracterizando um bom funcionamento.

No que se refere ao segundo objetivo específico, dimensionar e selecionar o sistema de refrigeração foi atendido e verificado com a realização dos  testes de refrigeração, vazão e temperatura, foi possível entender claramente a importância dos mesmos para garantir um produto de qualidade e que atenda todas as expectativas definidas. Ainda, é possível concluir com os testes realizados, que a refrigeração ocorreu corretamente permitindo extrair a bebida em temperatura adequada para o consumo, bem como, conclui-se que o sistema de vazão está funcionando corretamente, sem nenhum vazamento ou inadequação. Sobre a temperatura, também concluiu-se que a mesma saiu na temperatura ideal para o consumo.

O terceiro objetivo específico, selecionar materiais leves para redução de custo, foi atingido com a escolha do alumínio que possui uma densidade 3 vezes menor que o aço, que é o material normalmente utilizado na manufatura de chopeiras. Para efeito de comparação as chopeiras da marca Maxbeer possui o peso de 32kg, enquanto que o projeto final ficou com o peso de 21,5kg, uma redução de 32%. Houve também uma significativa redução de custos, com um total de R$ 1300,00 o projeto teve uma redução equivalente a 38%. Enfim o resultado deste trabalho pode ser considerado satisfatório, visto que atende os objetivos propostos, sendo uma excelente alternativa para refrigerar o chopp.

Como proposta de melhoria o modelo desenvolvido pode ser aperfeiçoado com a inclusão dos cálculos de perdas de carga no trocador de calor e nas tubulações. Com isso o projeto pode ser otimizado para aumento da capacidade e redução de custos. Sugere-se também que este trabalho seja utilizado como ponto de partida para projetos personalizados de chopeiras e torres de resfriamento, um mercado que está em alta no Brasil.

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