O ciclo frigorífico em cascata, apresentado em visita técnica à empresa Cia Iguaçu de Café Solúvel, é um projeto concebido pela empresa terceirizada Madef SA. Para o projeto, foi exigido pela empresa contratante um ciclo que operasse com fluido refrigerante “puro”, ou seja, sem contaminantes, como óleo, por exemplo. Tal exigência deve-se ao fato de que o fluido refrigerante atuaria em um trocador de calor de superfície raspada, em contato com o produto (creme de extrato de café) e, a fim de evitar possíveis contaminações do produto, o fluido refrigerante não poderia conter ou carregar partículas contaminantes.
Um trocador de calor por superfície raspada consiste, basicamente de dois tubos concêntricos, como mostra a Figura 26, em que o fluido refrigerante passa entre o tubo externo e o interno e o fluido que se deseja refrigerar passa por dentro do tubo interno, sendo que a superfície deste é continuamente raspada por pás, hélices ou espirais (acopladas à um eixo giratório) de forma a otimizar a área de transferência de calor através da remoção da incrustação e aumento da convecção através da turbulência gerada pelo movimento do eixo. Estes trocadores são amplamente empregados ao se trabalhar com fluidos que apresentam alta viscosidade e/ou alta concentração de partículas sólidas, como é o caso do creme de extrato de café (HRS- HEATEXCHANGERS).
Além dos trocadores de calor de superfície raspada, o sistema frigorífico também deveria atender um trocador de calor de casco e tubos (denominado Dowfrost) destinado ao resfriamento de Glicol (anticongelante) utilizado nas instalações de ar condicionado de alguns setores da empresa, bem como a climatização de uma antecâmara frigorífica e a opção de degelo nas câmaras frigoríficas, atendido por este mesmo ciclo frigorífico.
Desta forma, a solução encontrada pela empresa para a questão da necessidade de um fluido refrigerante puro, foi um sistema frigorífico em cascata, que consiste de um sistema multipressão no ciclo de alta e de um sistema de circulação apenas, no ciclo da baixa. A adoção de ciclo de circulação foi devido ao fato de que a existência de compressor no ciclo, com o tempo, gera a contaminação do fluido refrigerante com óleo
de lubrificação. Portanto, empregando-se apenas bombeamento no ciclo de baixa, não há contaminação do fluido refrigerante, tendo em vista também que em ciclos em cascata não existe mistura do fluido refrigerante do ciclo de alta com o fluido refrigerante do ciclo de baixa. Como o sistema em cascata não foi empregado devido à altas diferenças entre a temperatura de condensação e a temperatura de evaporação e sim devido à necessidade de um fluido refrigerante sem contaminantes, o fluido refrigerante empregado em ambos os ciclos é o mesmo, amônia/amônia. O fluxograma do sistema frigorífico em seu projeto original é apresentado no Apêndice A.1, com destaque para os fluxos de refrigeração no fluxograma “a” e para o fluxo de degelo no fluxograma “b”.
Figura 26 – Exemplo trocador de calor de superfície raspada. Fonte: Best Food Machine.
Com o passar dos anos, algumas alterações foram realizadas no projeto original do sistema. O mesmo deixou de atender a antecâmara frigorífica de forma efetiva, ficando apenas como “reserva” para casos de emergência ou paradas para manutenção do novo sistema que foi implementado para atender apenas a esta antecâmara. O sistema em cascata passou a atuar como “reserva” também para uma câmara de armazenamento de extrato, bem como para as câmaras frigoríficas onde se encontram os trocadores de calor de superfície raspada. Estas câmaras frigoríficas denominadas “Hoyers” são, efetivamente atendidas por um sistema de absorção de amônia e mantêm temperaturas
abaixo de -50°C, mesmo que o sistema em cascata não tenha sido projetado atender temperaturas tão baixas, ainda sim é utilizado em casos de emergência a fim de não deixar a temperatura das câmaras aumentar demais. O fluxograma do sistema frigorífico atual é apresentado no Apêndice A.2, com destaque para os fluxos de refrigeração no fluxograma “a” e para o fluxo de degelo no fluxograma “b”.
Para este trabalho foram considerados apenas os pontos que o sistema cascata atende efetivamente, de forma a desconsiderar os pontos em que atende como reserva. O Apêndice A.3 apresenta o fluxo de refrigeração reserva no fluxograma “a” e o fluxo de refrigeração efetiva no fluxograma “b”.
Ainda, sabendo que geradores de degelo não entram em cálculos de desempenho de sistemas frigoríficos, já que os mesmos são utilizados esporadicamente em casos específicos e também devido ao fato de que o calor gerado não entra e nem sai do sistema de forma a recircular até que seja necessária sua utilização, o gerador de gás quente foi desconsiderado a fim de simplificar as análises realizadas. Por fim, a Figura 27 mostra o fluxograma do ciclo que foi considerado para realização das análises propostas por este trabalho.
Vale ressaltar que as alterações acima citadas são referentes apenas ao ciclo de baixa pressão, sendo que o ciclo de alta permaneceu inalterado ao longo dos anos.
O sistema apresentado pela Figura 27 tem como componentes principais: compressores de alta de baixa, ambos da marca Mayekawa modelo Mycow N6B, condensador evaporativo com coletor, produzido pela empresa Madef SA modelo CE800, resfriador intermediário também produzido pela empresa Madef SA, resfriador de glicol Dowfrost modelo Fan Coil, condensador multipolar horizontal como trocador de calor cascata produzido pela Madef SA, tanque de líquido denominado Domo, bomba Frigostrella modelo ZM-1 e trocadores de calor de superfície raspada da marca Tetra Pak modelo KF 2000XC.