Refrigeração é todo processo em que há remoção do calor, de modo que a temperatura fique menor que a do ambiente. Quando se remove calor até que a temperatura se iguale a do ambiente, o processo chama-se resfriamento. Ao deixarmos uma xícara de chá quente sobre a mesa, o chá sofre o processo de resfriamento, já uma geladeira faz o processo de refrigeração.
O interesse pela refrigeração ocorre desde a Pré-História, quando alimentos eram guardados próximos as paredes mais úmidas das cavernas, de forma a conservá-los. Em 300 a.C., Alexandre, o Grande, ofereceu bebida gelada (com neve) aos seus soldados, a fim de animá-los para as batalhas. Desde esta época até o século 20, aproximadamente, tanto nos Estados Unidos, como na Europa, o gelo era recolhido no inverno e armazenado em galpões, celeiros e armazéns, para uso posterior.
Em 1806, Frederic Tudor, o "rei do gelo", ficou conhecido assim pelas viagens comerciais, tanto dentro dos Estados Unidos, como fora dele (inclusive na Índia), para venda de gelo. Depois outros países, como Reino Unido, Canadá, Rússia, Noruega e França, começaram a comercializar gelo também.
As ice houses, locais de armazenamento de gelo, eram construídas com materiais isolantes, como serragem e cortiça. Posteriormente, com o aparecimento da refrigeração artificial e a poluição dos rios e lagos, durante as revoluções industriais, o comércio de gelo foi chegando ao fim. O primeiro registro de patente da criação de uma máquina de refrigeração foi feito em 1834, por Jacob Perkins, cujo protótipo operava por compressão e de forma cíclica.
Sabemos, pela Segunda Lei da Termodinâmica, que o fluxo natural da energia térmica é da fonte quente (corpo com maior temperatura) para a fonte fria (corpo com menor temperatura). Um processo inverso ao do fluxo natural é um processo forçado, exigindo fornecimento de energia ao sistema para que ele funcione. A ideia de refrigeração é baseada neste processo forçado.
Um trabalho externo τ é realizado no sistema, com o objetivo de remover o calor da fonte fria e levá-lo a fonte quente. Veja a figura 1, que faz um esquema deste processo.
O esquema é semelhante à máquina térmica de Carnot, mas operando inversamente. Observa-se que apenas há uma mudança de sentido nas setas, sendo todos os processos reversíveis.
O ciclo de refrigeração possui quatro etapas importantes (consideraremos um ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor):
- Compressor: aspira o vapor refrigerante e o comprime;
- Condensador: transforma o vapor em líquido;
- Válvula de expansão (ou tubo capilar): sua pressão é reduzida para que o fluido entre novamente no evaporador (expansão isoentálpica);
- Evaporador: o calor latente de vaporização é absorvido e enviado ao compressor, para iniciar um novo ciclo.
A entalpia é o calor contido em uma substância, dado em kcal/kg. Veja este ciclo na figura a seguir.
O fluido que se usa nos sistemas refrigeradores é chamado refrigerante. É um fluido que resfria materiais, absorvendo calor, tanto calor sensível, quanto calor latente. Um bom refrigerante possui, entre outras características, as seguintes:
- calor latente de vaporização alto;
- condensação sob pressões moderadas;
- evaporação sob pressões acima da atmosférica;
- pequeno volume específico;
- se vazar, não prejudicar a camada de ozônio nem os alimentos, no caso de uma geladeira;
- não corrosivo;
- não tóxico;
- não inflamável.
Os refrigerantes mais comuns são CFC's (clorofluorcarbonetos), HCFC's (hidroflurocarbonetos), amônia, dióxido de enxofre, dióxido de carbono, entre outros. O HCFC é usado para substituir os CFC, pois o cloro é um elemento prejudicial para a atmosfera.