Geladeira

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Antecedentes

Antes do desenvolvimento de técnicas de refrigeração artificial durante os anos 1800, as pessoas utilizavam uma variedade de meios para resfriar e conservar alimentos. Durante séculos, o gelo serviu como o principal refrigerante. Ironicamente, os antigos indianos e egípcios foram os pioneiros em uma técnica de fabricação de gelo que serviu de base conceitual para os primeiros refrigeradores "modernos" desenvolvidos durante o século XIX:a evaporação. A evaporação relativamente rápida de um líquido cria um volume de gás em expansão. À medida que o vapor d'água sobe, sua energia cinética aumenta dramaticamente, em parte porque o vapor quente está extraindo energia de seus arredores, que são resfriados por esse processo. Os indianos e egípcios aproveitaram-se desse fenômeno colocando tigelas largas e rasas com água do lado de fora durante as noites frias. Como parte da água evaporou rapidamente, a água restante esfriou, formando gelo. Com esse método, foi possível criar pedaços consideráveis ​​de gelo que poderiam ser usados ​​para resfriar alimentos.

Usando um meio mais primitivo de obter gelo, os antigos chineses simplesmente o transportaram das montanhas para resfriar sua comida; mais tarde, os gregos e romanos adotaram essa prática. Para preservar o gelo em si, as pessoas o armazenavam em fossos ou cavernas isoladas com palha e madeira, por meio dos quais podiam manter o suprimento de gelo por meses. Nas nações industrializadas, o gelo serviu como o principal método de resfriamento de alimentos durante o século XIX, quando as pessoas inseriram blocos de gelo em armários isolados ao lado dos alimentos que desejavam armazenar. Mesmo hoje, em muitos países em desenvolvimento, o gelo continua sendo o único refrigerante disponível.

A primeira tentativa conhecida de desenvolver um refrigerador artificial ocorreu na Escócia, na Universidade de Glasgow. Lá, em 1748, William Cullen reviveu a antiga prática indiano-egípcia de congelamento de líquido por meio da evaporação, embora tenha acelerado o processo fervendo o éter etílico em um vácuo parcial (o etil evapora mais rapidamente do que a água). Cullen tentou isso apenas como um experimento, como fez o americano Oliver Evans, que projetou outra geladeira em 1805. A máquina de Evans, baseada em um ciclo fechado de éter comprimido, representou o primeiro esforço para usar vapor simples em vez de vaporizar um líquido. Embora Evans nunca tenha desenvolvido sua máquina além do estágio de protótipo, em 1844 um médico americano chamado John Gorrie construiu uma máquina muito semelhante para fornecer gelo para o hospital em que trabalhava. A máquina de Gorrie comprimiu ar que foi resfriado com água. O ar resfriado foi então direcionado para um cilindro do motor e, conforme ele se expandiu novamente, sua temperatura caiu o suficiente para que o gelo pudesse ser feito.

Em 1856, outro americano, Alexander Twinning, começou a vender uma máquina de refrigeração baseada no mesmo princípio de compressão de vapor, e logo depois que o australiano James Harrison ampliou o design americano (destinado a ser usado em casas individuais) para o empacotamento de carne e cerveja. fazendo indústrias. Três anos depois, Ferdinand Carre refinou o conceito básico subjacente a todos esses refrigeradores quando introduziu a amônia como refrigerante. A amônia representou um avanço porque se expande mais rapidamente do que a água e pode, assim, absorver mais calor de seus arredores. Carre também contribuiu com outras inovações. Sua geladeira funcionava por meio de um ciclo em que um vapor refrigerante (amônia) era absorvido por um líquido (uma mistura de amônia e água) que era posteriormente aquecido. O calor fez com que o refrigerante O gabinete externo e a porta, feitos de chapa de metal, são soldados ou cravados. Enquanto alguns fabricantes também usam folhas de metal para o gabinete interno, alguns fabricantes e alguns modelos usam plástico para revestimentos internos. Os revestimentos plásticos são feitos por moldagem a vácuo. Nesse processo, um pedaço de plástico grosso ligeiramente maior do que a peça acabada tem suas bordas externas presas e é então aquecido. Em seguida, o plástico quente é puxado por vácuo para um molde e resfriado. Após o corte, a peça resultante está pronta para montagem. para vaporizar, criando assim um efeito de resfriamento (após vaporizar, o refrigerante era condensado para que pudesse ser novamente absorvido no líquido, repetindo o ciclo). A máquina de Carre não apenas vendeu muito bem, mas também inaugurou a refrigeração moderna, atualizando o conceito de compressão de Evans e adicionando um refrigerante mais sofisticado. Esses componentes continuam sendo a base da maioria dos refrigeradores usados ​​hoje.

A própria amônia apresentou vários problemas, no entanto. Embora servisse como um refrigerante muito eficaz, era fedorento e venenoso quando vazava e rapidamente desapareceu da refrigeração após o desenvolvimento de alternativas sintéticas na década de 1920. O mais conhecido deles, patenteado pela Du Pont sob o nome de freon, foi criada alterando quimicamente a molécula de metano, substituindo dois átomos de cloro e dois de flúor por seus quatro átomos de hidrogênio. O gás resultante (tecnicamente, diclorofluorometano) foi saudado porque seu baixo ponto de ebulição, tensão superficial e viscosidade o tornavam um refrigerante ideal - e aparentemente sem problemas. Mais tarde, na década de 1970, os cientistas perceberam que o freon apresentava problemas próprios relacionados ao meio ambiente (consulte a seção "Preocupações ambientais" abaixo) e começaram a pesquisar novos agentes para usar na refrigeração.

Matérias-primas

Os refrigeradores hoje consistem em vários componentes básicos:o gabinete externo e a porta, o gabinete interno ou revestimento, o isolamento inserido entre os dois, o sistema de refrigeração, o refrigerante e os acessórios. O gabinete e a porta são feitos de alumínio ou chapa de aço, às vezes pré-pintada. O metal é geralmente adquirido em uma bobina que é alimentada diretamente no processo de fabricação ou cortada sob medida e alimentada folha por folha. O gabinete interno é feito de folha de metal, como o gabinete externo, ou de plástico. O isolamento que preenche a lacuna entre os gabinetes interno e externo consiste em fibra de vidro ou espuma de poliuretano. Os componentes do sistema de refrigeração (compressor, condensador, bobinas, aletas) são feitos de alumínio, cobre ou uma liga. O tubo geralmente é de cobre, devido à ductilidade desse metal - sua capacidade de dobrar sem quebrar. Freon continua sendo o refrigerante mais comumente usado, e quase todos os grandes acessórios internos (revestimentos de portas e gabinetes) são feitos de plástico moldado a vácuo; acessórios menores (compartimentos de manteiga, bandejas de ovos, estaladiça de salada) são adquiridos como pequenas embalagens de plástico ou em pedaços pré-formados.

Design

A geladeira contemporânea é baseada em duas leis básicas da física:uma, que o calor flui de um material mais quente para o mais frio e nunca o contrário; segundo, que diminuir a pressão de um gás também diminui sua temperatura. Embora refinamentos tenham sido feitos desde que Carre introduziu seu modelo no final do século XIX, esses princípios básicos ainda são visíveis nas geladeiras de hoje.

Um refrigerador funciona removendo o calor do ar dentro de seus compartimentos internos e retransmitindo esse calor para o ar externo. Começando no evaporador, o freon é aquecido e começa a extrair calor do ar dentro da geladeira. Tendo absorvido esse calor, o freon é então encaminhado para o condensador pelo compressor. Nesse conjunto de bobinas de cobre (geralmente montadas na parte traseira ou inferior da geladeira), o freon retorna ao estado líquido, transferindo seu calor para o ar externo. Após o resfriamento, o freon retorna ao evaporador, onde o ciclo é reiniciado.

Os refrigeradores funcionam removendo o calor do ar dentro de seus compartimentos internos e transmitindo esse calor para o ar externo. O refrigerante (freon) realiza essa transferência à medida que passa por um circuito, movendo-se do evaporador para o condensador. Começando no evaporador, que fica dentro de um gabinete isolado, o freon é aquecido. Como foi feito para ferver, o freon retira calor do ar da geladeira. Tendo absorvido esse calor, o freon é então encaminhado para o condensador. Nesse conjunto de bobinas de cobre (geralmente montadas na parte traseira ou inferior da geladeira), o freon se condensa - retorna ao estado líquido - transferindo seu calor para o ar externo. Após o resfriamento, o freon retorna ao evaporador, onde é novamente aquecido e passa a absorver o calor dos alimentos armazenados na geladeira. Às vezes, para aumentar sua área de superfície (e assim facilitar a transferência térmica), o evaporador e o condensador são equipados com aletas de metal.

Para descongelar, uma bobina é enrolada em torno da unidade do congelador. Quando o cronômetro atinge o degelo, o refrigerante passa por esta bobina enquanto está quente para aumentar a temperatura e derreter o gelo. A bobina é geralmente posicionada longe de quaisquer fabricantes de gelo para evitar que os cubos de gelo derretam e congelem juntos.

O processo de fabricação

Armário externo e porta

• 1 Peças de folha de metal são soldadas ou cravadas. O agarramento é um processo muito semelhante ao grampeamento, pois as duas peças são prensadas juntas sob pressão, embora nenhuma peça adicional, como grampos, seja adicionada. Se a parte do gabinete for visível, ela será soldada e retificada para parecer uma única peça. O grau de automatização do processo de soldagem depende da empresa e do número de refrigeradores produzidos.
• 2 Se a folha de metal não foi comprada na forma pré-revestida, agora ela é pintada. Alguns fabricantes usam equipamentos de pulverização para aplicar uma camada uniforme de tinta no metal. Outros mergulham as peças em uma mistura de tinta / solvente antes de aquecê-las para assar a tinta na superfície.

Gabinete interno

• 3 O gabinete interno às vezes é feito de folha de metal muito semelhante à casca externa. Todas as costuras são calafetadas para melhorar o isolamento e a aparência. Alguns fabricantes e alguns modelos usam plástico para revestimentos internos; por exemplo, a porta interna é quase exclusivamente feita de plástico hoje. Os revestimentos plásticos são formados a vácuo. Nesse processo, um pedaço de plástico grosso ligeiramente maior do que a peça acabada tem suas bordas externas presas e é então aquecido. Em seguida, o plástico quente é puxado por vácuo para um molde e resfriado. Após o corte, a peça resultante está pronta para montagem.
• 4 O gabinete interno é inserido no gabinete externo e os dois são encaixados antes que os acessórios sejam inseridos. Alguns tubos e fios passam pelo espaço entre os dois antes de serem preenchidos com isolamento. Um dispositivo de distribuição (às vezes operado por robô, às vezes uma longa 'arma' operada manualmente) insere espuma entre as paredes. Quando aquecida em um forno, esta espuma se expande para adicionar rigidez e isolamento ao gabinete. Um processo semelhante é usado para as portas.

Sistema de refrigeração

• 5 Os componentes de refrigeração são fixados ao gabinete por meio de parafusos e clipes. A tubulação é soldada e uma camada protetora é aplicada nas juntas. A ordem desta montagem varia entre fabricantes e modelos. O tubo de cobre do qual as bobinas (condensadores e evaporadores) foram cortadas, dobradas e soldadas separadamente é então conectado ao refrigerador como uma unidade.
• 6 A vedação na porta do refrigerador é criada por meio de juntas magnéticas que são fixadas nas portas com parafusos. As maçanetas e dobradiças também são aparafusadas na porta antes de suas dobradiças serem aparafusadas no gabinete. Alguns ajustes são permitidos para a operação adequada da porta.

Testando e adicionando acessórios

• 7 A maioria dos fabricantes mistura teste com fabricação a partir deste ponto. A unidade é testada quanto a vazamentos com nitrogênio (um gás seguro que constitui cerca de 79 por cento do ar); se passar, é carregado com refrigerante e sujeito a mais testes. Em seguida, os acessórios (prateleiras, salgadinhos, bandejas de gelo, etc.) são adicionados e presos com fita adesiva para envio. A unidade recebe uma aparência final e, em seguida, é embalada para envio.

Controle de qualidade

Conforme mencionado acima, todos os subconjuntos de tubos que irão conter refrigerante são testados por pressão com nitrogênio, o que revelará quaisquer falhas nos tubos e na solda que os une. A unidade inteira também é testada quanto a vazamentos antes de ser carregada com freon. Depois de carregada, a unidade é testada como um todo para garantir que seja capaz de atingir as temperaturas projetadas, incluindo as necessárias durante o ciclo de degelo. A unidade é operada com sensores internos que determinam as mudanças de temperatura ao longo do tempo. Às vezes, as pressões do refrigerante também são medidas. A unidade é então submetida a um teste final de detecção por uma máquina que detecta refrigerante para garantir que nenhum vazamento tenha ocorrido durante o teste.

Subprodutos / resíduos

Os componentes de metal rejeitados são vendidos a empresas de reciclagem de metal. Os componentes plásticos são moídos em pequenos pedaços e reutilizados como matéria-prima ou devolvidos ao fornecedor para reutilização. Se uma unidade for rejeitada após ter sido carregada, o refrigerante é drenado por um equipamento especial e reutilizado.

Preocupações ambientais

Em meados da década de 1970, os cientistas começaram a compreender que, à medida que os gases do grupo do clorofluorocarbono (CFC), que inclui o freon, flutuam para cima na estratosfera (a camada superior da atmosfera), eles se decompõem gradualmente, O espaço entre os gabinetes interno e externo é preenchido com isolamento de espuma, geralmente poliestireno, que pode ser inserido manualmente ou automaticamente por um robô. Quando aquecida em um forno, esta espuma se expande para adicionar rigidez e isolamento ao gabinete.
Como esse isolamento libera CFCs, que contribuem para a destruição da camada de ozônio, os pesquisadores estão em busca de substitutos. O poliestireno pode ser substituído pelo mesmo tipo de isolamento a vácuo que é usado nas garrafas térmicas, já que o isolamento a vácuo é mais eficiente em termos de espaço e energia. liberando átomos de cloro ao fazê-lo. O problema com isso é que cada átomo de cloro pode destruir dezenas de milhares de moléculas de ozônio, sendo o ozônio a forma triatômica de oxigênio que compreende uma camada protetora na estratosfera, absorvendo grande parte da radiação ultravioleta solar que prejudicaria a vida animal se atingisse a superfície da Terra . Conforme os pesquisadores perceberam que as emissões de CFC estavam exacerbando o buraco na camada de ozônio sobre o continente Antártico, a pressão pública para limitar as emissões aumentou. Em 1987, representantes de nações de todo o mundo assinaram um acordo, o Protocolo de Montreal sobre Substâncias que Destroem a Camada de Ozônio, no qual eles concordaram em eliminar gradualmente a produção de produtos químicos conhecidos por empobrecer a camada de ozônio, incluindo o freon. Infelizmente, os clorofluorocarbonos também estão presentes na espuma de poliestireno que alguns fabricantes usam como isolante entre a caixa externa e o revestimento interno de seus refrigeradores. Portanto, os esforços para reduzir as emissões de CFC dos refrigeradores continuam atualmente em duas frentes, à medida que os fabricantes tentam encontrar alternativas tanto para o refrigerante freon quanto para o isolador de poliestireno.

O Futuro

Em termos de freon, várias etapas intermediárias foram realizadas para minimizar a emissão de CFC enquanto os pesquisadores tentam identificar alternativas seguras de refrigeração. Os designs dos refrigeradores foram aprimorados para reduzir a quantidade de freon necessária; sistemas de detecção de vazamentos foram instalados; a manutenção foi limitada a pessoal treinado e autorizado; e o refrigerante é recuperado e reciclado sempre que possível. Além disso, substituições de longo prazo para o freon estão sendo exploradas. Até agora, o mais promissor entre eles é o HCFC-22, que, embora ainda seja um clorofluorocarbono, contém um átomo de hidrogênio adicional que reduz a capacidade de destruição da camada de ozônio da molécula em 95 por cento. Embora seu custo (três a cinco vezes maior que o do freon) seja problemático, o HCFC-22 está atualmente passando por testes para determinar sua toxicidade.

O isolamento contendo CFC pode ser substituído pelo mesmo tipo de isolamento a vácuo usado em garrafas térmicas. A pesquisa indica que o isolamento a vácuo é mais eficiente em termos de espaço e energia, portanto, no momento, parece que as alternativas de isolamento se tornarão viáveis ​​muito antes dos substitutos do freon.