Explique detalhadamente os princípios de funcionamento dos equipamentos abaixo:
b) Refrigerador a Fogo (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
b) Refrigerador a Fogo (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
Passo 1
O enunciado pede para explicar como funciona um refrigerador a fogo, ou seja, um aparelho de refrigeração que não usa compressor elétrico nem peças móveis, mas sim calor de uma chama para impulsionar o ciclo de refrigeração. O conteúdo envolvido é o ciclo de refrigeração por absorção, que explora mudanças de fase (evaporação/condensação) de um fluido refrigerante e processos de absorção em solução. Vamos usar conceitos de pressão de vapor, solubilidade de gases em líquidos e transferência de calor por convecção e condução.
Passo 2
Descrevemos primeiro o circuito térmico básico. O refrigerador a fogo tem quatro componentes principais encadeados em série hidráulica e térmica: o gerador (ou “caldeira”), o condensador, o evaporador e o absorvedor. O fluido de trabalho mais comum é a amônia
dissolvida em água, que circula sem bomba, só por diferença de pressão e densidade.
Passo 3
No gerador ocorre a separação da amônia da solução aquosa. A chama aquece a mistura rica em amônia e água, elevando a pressão de vapor da amônia pura acima da pressão da solução. Como a amônia tem ponto de ebulição bem mais baixo que a água, ela vaporiza primeiro, saindo em forma de gás quase puro, enquanto a água permanece líquida.
Passo 4
O gás quente de amônia segue para o condensador, onde é resfriado pelo ar ambiente ou por água de resfriamento. Ao perder energia térmica, o vapor de amônia se liquefaz, transformando-se em líquido a pressão relativamente alta. Essa mudança de fase libera calor para o ambiente.
Passo 5
O líquido de amônia pressurizado desce para o evaporador, geralmente dentro do compartimento refrigerado. Ali ele encontra baixa pressão – pois o absorvedor mantém o vapor de amônia “sugado” – e entra em ebulição. A evaporação absorve calor do interior do refrigerador, produzindo o efeito de refrigeração.
Passo 6
O vapor de amônia resultante sai do evaporador e chega ao absorvedor, onde encontra água pura (o líquido remanescente no gerador, previamente resfriado). A amônia tem alta solubilidade em água, então ela se dissolve rapidamente nesse banho, baixando a pressão parcial de vapor e permitindo que todo o ciclo continue sem compressor. A dissolução libera pequeno calor, que é removido por convecção externa.
Passo 7
O sistema se autorregula pela diferença de densidade e pressão: a solução diluída de amônia (mais leve) retorna ao gerador por tubulação inferior, completando o circuito. Não há partes móveis: o calor da chama impulsiona a separação no gerador, a gravidade faz o líquido descer e a diferença de pressão (criada pela absorção) faz o vapor fluir.
Passo 8
Do ponto de vista termodinâmico, esse ciclo é um ciclo de absorção de dois estágios (geração e absorção usando dois fluídos) e tem coeficiente de performance
menor que o de um compressor mecânico, mas vence a limitação de faltar eletricidade em locais isolados, usando apenas fogo como energia de entrada.
Resposta
Um refrigerador a fogo funciona por um ciclo de absorção em que o calor da chama gera vapor de amônia puro, este se condensa liberando calor ao ambiente, depois evapora no interior do gabinete retirando calor de dentro e, finalmente, é absorvido de volta pela água, reduzindo a pressão e fazendo a solução retornar ao gerador. Tudo isso sem compressor, usando apenas diferenças de pressão de vapor, solubilidade e circulação por gravidade.