Proposta de experimento para o ciclo de refrigeração

## Proposta de experimento para o ciclo de refrigeração

## Marli dos Santos Ramos 1 , Jair Augusto Gomes de Sant'Ana , 2 Alexandre Lopes de Oliveira 3

- 1 IFRJ - Campus Nilópolis, ramos.marli@gmail.com
- 2 IFRJ - Campus Paracambi, jair.santana@ifrj.edu.br
- 3 IFRJ - Campus Nilópolis, alexandre.oliveira@ifrj.edu.br

## Resumo

Montagem de módulo didático com material de fácil acesso que possibilite compreensão de diferença de temperatura, da termologia, da termodinâmica e até mesmo da fluidodinâmica, através da compreensão do ciclo de refrigeração em uma simples geladeira doméstica. Observando o comportamento do equipamento através de um termômetro em sua câmara frigorífica (congelador) e verificando as leituras de pressão nas serpentinas (condensadora e evaporadora) e no compressor por meio de dois manômetros inseridos no módulo. Para atingir os objetivos, utilizamos uma geladeira vertical antiga, que não mais servia para uso doméstico. O câmara fria (congelador) e a fonte fria(serpentina evaporadora) se localizam na parte superior e o seu compressor que realiza o trabalho se encontra na parte inferior do aparato. A serpentina condensadora situa-se na parte posterior do equipamento, de modo a se manter uma similaridade com o equipamento original (geladeira). Após a geladeira ser desmontada, o gabinete (carcaça) foi dispensado, de modo a se visualizar os componentes necessários ao funcionamento do refrigerador, tais como:o compressor, a serpentina condensadora (parte quente), a serpentina evaporadora com a câmara frigorífica (congelador) e a tubulação que interliga os componentes citados. O módulo foi reconstruído e fixado em uma estrutura de madeira em conjunto com um carrinho de transporte. A câmara frigorífica (congelador) foi isolada com poliestireno (isopor) e recebeu um termômetro digital, com possibilidade de leitura entre -50°C a 150°C e incerteza de ±0,05°C. Foram realizadas as medições de temperatura e pressão para verificar o funcionamento do módulo didático.

Palavras-chave : Ensino de física, experimentação para o ensino de física e material de fácil acesso.

## Introdução

A atividade experimental com apoio de equipamentos e métodos favorece a compreensão dos conceitos científicos. O conhecimento construído pela simples observação visual de eventos físicos pode produzir equívocos conceituais que se propagam através do senso comum.

Na observação de diversos fenômenos físicos são assumidas ideias a partir de concepções espontâneas. Estas ideias favorecem equívocos que são associados ao conhecimento popular denominado de 'senso comum' que, geralmente, são atribuídos às pessoas de pouca escolaridade. As concepções espontâneas são próprias do ser humano e estão associadas à sua sensibilidade. (SANT'ANA, SANT'ANA e NUNES, 2011)

O apoio ao processo ensino-aprendizagem através de laboratórios didáticos e seus equipamentos favorecem o trabalho docente e possibilita a redução ou até mesmo a eliminação de equívocos. E seguindo esse conceito, Sant'Ana (2010) afirma que:

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o laboratório didático é um local de observação e simulação de eventos físicos e onde o aprendizado é mais significativo e possibilita a fixação dos conceitos teóricos.

Mas, a realidade econômica de um país pode dificultar ou até mesmo impedir que uma instituição de ensino possua laboratório didático. O estudo teórico em livros didáticos relacionados ao ensino de Física possibilita a compreensão de diversos fenômenos que ocorrem na natureza. No entanto, alguns fenômenos físicos serão somente compreendidos através da atividade prática e podemos citar os fenômenos térmicos que combinam pressão com trabalho realizado.

## Objetivo

Os livros didáticos apresentam o estudo sobre transferência de calor (condução, convecção e irradiação), sobre as transformações térmicas e sobre trabalho realizado. Em combinação com esses temas, temos os laboratórios didáticos e seus equipamentos que são utilizados para consolidar os conceitos apresentados na literatura. Porém, os equipamentos disponíveis nem sempre permitem ao estudante um visão que possibilite correlacionar o equipamento didático com elementos disponíveis no seu dia-a-dia e, infelizmente, nem todas as escolas possuem laboratórios didáticos ou equipamentos para atividades práticas e pensando nessas possibilidades este trabalho objetiva a construção de um aparato de fácil mobilidade, de baixo custo e construção não complexa (com utilização de soldas ou uso de conexões e substituição às soldas) que possibilite o estudo em sala de aula de termologia, termodinâmica e com as devidas adaptações para promover um estudo relacionado à fluidodinâmica. Este aparato objetiva atender a qualquer nível de ensino, por permitir estudos de simples compreensão até um maior grau de complexidade, sendo utilizado de acordo com a série e idade dos estudantes.

## O refrigerador

- O sistema de refrigeração, isto é, moto-compressor -serpentina condensadora - serpentina evaporadora com a câmara frigorífica (congelador), de uma geladeira doméstica (figura 1) é um equipamento que transfere calor de uma fonte fria (congelador) para uma fonte quente (ambiente externo).

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Figura 01: Esquema representativo de uma geladeira doméstica. Na figura, a representa o moto-compressor, b a serpentina condensadora e c a serpentina evaporadora. Fonte: www.ebah.com.br

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Basicamente, um refrigerador (figura 1) funciona cumprindo um ciclo (figura 2) em que o compressor comprime o fluido refrigerante (FREON 12) no estado gasoso, que fica aquecido e em alta pressão. Esse fluido passa a seguir por uma tubulação metálica (serpentina condensadora) onde, através da condução, convecção e irradiação térmica, sofrerá redução da temperatura, pois na condensação do gás há liberação de calor, que é transferido para o ambiente. Como continuará em alta pressão, o fluido passará do estado gasoso para o estado liquido (daí o nome serpentina condensadora).

Figura 02: Ciclo de refrigeração. Fonte: blogdoprofessorcarlao.blogpot.com.br

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Um tubo capilar, de diâmetro muito inferior ao das serpentinas manterá a alta pressão na serpentina condensadora (vulgarmente chamada de condensador). O líquido refrigerante atravessa o tubo capilar e passa para a serpentina

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evaporadora (vulgarmente chamada de evaporador) que envolve a câmara frigorífica (congelador). Como o diâmetro do tubo capilar é muito inferior ao diâmetro do tubo da serpentina evaporadora e o volume total da tubulação do equipamento é constante, o fluido sofre uma queda de pressão ao passar para o evaporador e, por conseguinte, temos redução de temperatura no evaporador que ao trocar calor com os produtos acondicionados no congelador promove resfriamento desses produtos e o aquecimento do líquido refrigerante que passa para o estado gasoso (daí o nome serpentina evaporadora). O fluido (em baixa pressão) retorna para o compressor e o ciclo se repete.

## Montagem do refrigerador

Utilizando uma geladeira antiga e em boas condições de uso [o gabinete (parte metálica externa) estava muito enferrujado e o material plástico da parte interna já danificado e sem peças de reposição no mercado, o que impossibilita sua recuperação para uso doméstico], foi promovido o desmonte onde se retirou o gabinete e os componentes plásticos, aproveitando os componentes elétricos e de circulação do fluido refrigerante. No congelador foi realizado um orifício na parte central superior de modo a possibilitar a introdução de um termômetro para verificar a variação da temperatura nesse ambiente (congelador). O termômetro utilizado e digital com possibilidade de leitura entre -50°C a 150°C, com incerteza de ± 0,05°C.

Figura 03: Módulo didático do refrigerador.

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Para medição das pressões na serpentina condensadora e no compressor utilizamos no compressor um manômetro na cor vermelha e na serpentina evaporadora, utilizamos um manômetro azul. O congelador foi isolado termicamente do ambiente externo com a utilização de poliestireno (isopor). Foi construída uma tampa,também de isopor, para possibilitar o acesso à câmara fria (congelador). Para melhorar a apresentação estética, o isopor foi coberto com material adesivo de enfeite (contact branco).

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O módulo didático (figura 03) foi fixado em uma estrutura de madeira que foi envernizada e disposta em um carrinho para transporte de mercadoria, de modo a facilitar o transporte. Utilizando um termovisor, foi possível verificar a quantidade de radiação emitida pelo módulo conforme observado na figura 04.

Figura 04: Imagem do termovisor do aparato didático em funcionamento. Na parte superior à esquerda se refere a temperatura do condensador (região demarcada pelo círculo). Na parte inferior a escala de temperatura.

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A umidade relativa do ar era de 65% (O termovisor depende da informação dessa variável para sua calibração). Observou-se que, nos dados obtidos, a temperatura no compressor ficou em torno de 65°C, no congelador a temperatura foi de -21°C e no condensador, na região demarcada por um circulo na figura 04, a temperatura registrada foi de 35,7°C. Na região do condensador o fluido é transportado, inicialmente, para sua parte superior e vai percorrendo a tubulação até atingir a parte inferior da serpentina condensadora (essa disposição facilita as trocas térmicas com o ambiente externo). Pode-se observar que a temperatura do compressor apresentou o valor de 65,9°C (figura 05) e o congelador apresentou a temperatura de -21,2°C (figura 06), esse em acordo com o aferido pelo termômetro naquele momento.

Figura 05: Termo imagem do compressor.

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Figura 06: Termo imagem do congelador. O ambiente externo está representado em vermelho à direita.

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## Resultados e discussão

O ambiente externo para a realização do primeiro experimento foi uma sala (utilizada para construção de aparatos didáticos) cuja temperatura ambiente registrada foi de 28°C e observou-se que a temperatura do congelador atingiu -30°C em 40 minutos. Ao desligar o equipamento, mantendo o congelador isolado termicamente do ambiente externo, houve a demanda de tempo de uma hora e vinte minutos (1h20min) para que o congelador chegasse ao equilíbrio térmico com o ambiente externo. Note que esse tempo é muito longo para se realizar um procedimento experimental (congelador termicamente isolado), pois sua duração é maior que duas horas-aula (1h30min) de uma escola de ensino regular.

Uma solução para a redução do tempo para a realização da experiência seria a redução da espessura do isopor ou mesmo a utilização de um material que possibilite maior fluxo de calor entre o congelador e o ambiente externo. A troca de material isolante térmico do congelador possibilita a alunos de maior nível de ensino pesquisar os conceitos de fluxo de calor entre materiais.

Em outro teste realizado, o módulo didático foi desligado e teve sua tampa frontal retirada, quando a temperatura do congelador atingiu dez graus Celsius negativos (-10°C). Nessa situação, o tempo decorrido foi de 12 minutos. Essa atividade possibilitou uma menor demanda de tempo (50 minutos), o que favorece a realização da atividade durante o tempo regular de aula.

Com os dados obtidos foi possível apresentar o gráfico pressão versus temperatura na serpentina evaporadora. Note que a temperatura na serpentina evaporadora fica muito baixa (no experimento), causando uma maior redução de pressão de retorno ao compressor, apresentando valores negativos.

O módulo apresenta possibilidade de ser inserido como uma prática laboratorial tanto para o ensino básico (nono ano e ensino médio) quanto para o ensino superior. A demanda de tempo se torna adequada à atividade prática e explanação de conceitos teóricos.

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Figura 07: Gráfico pressão da serpentina × temperatura na serpentina evaporadora.

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Futuramente pretendemos elaborar um roteiro de atividades e realizá-lo com os alunos na tentativa de observar a possibilidade de se obter maior eficiência na utilização do aparato.

## Referências

OLIVEIRA, Mario. TERMODINÂMICA, São Paulo: Livraria da física, p.28, 2005.

REIS, Hugo Carneiro; MARTINI, Glorinha; SANT'ANNA, Blaidi; SPINELLI, Walter. Conexões com a física, vol. único, São Paulo, editora Moderna, p.183, 2010.

SAMPAIO, José Luiz.; CALÇADA, Caio Sérgio. UNIVERSO DA FÍSICA, 2ª Ed. V2. São Paulo: Atual, p. 312-313, 2005.

SANT'ANA, Jair. AMBIENTE MULTIMÍDIA DE COLETIVOS PENSANTES COMO FACILITADOR DO PROCESSO ENSINO-APRENDIZAGEM DE CONCEITOS HIDRODINÂMICOS. Nilópolis: IFRJ - Campus Nilópolis, 2010. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências. IFRJ, Nilópolis, 2010.

SANT'ANA, Jair. HIDRODINÂMICA: CONHECIMENTO CIENTÍFICO X CONCEPÇÕES ESPONTÂNEAS. Ensino de Ciências e Tecnologia em Revista Vol. 1, n. 2. jul./dez. , p. 34-43, 2011

STOECKER, W.F.; SAIZ JABARDO, J. M. Refrigeração industrial, São Paulo: Edgard Blucher LTDA, p.19, 2002.

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