“Vapour compression refrigeration cycle” é o nome dado para descrever o funcionamento dos circuitos fechados utilizados em aplicações de refrigeração.

Este explora a evaporação de um refrigerante dentro do circuito, especificamente em um trocador de calor chamado evaporador, que absorve a energia do ar ao redor; este é então entregue ao compartimento de armazenamento de alimentos por convecção natural ou forçada por ventilador (ver também “FAKING IT COLD” e “PRESSURE & TEMPERATURA”).

Após evaporado, o refrigerante já não pode absorver quantidades consideráveis de energia e, consequentemente, precisa de ser devolvido ao estado líquido por condensação.

O problema, portanto, surge de ter um ambiente “frio” o suficiente para absorver a energia do refrigerante, que naturalmente não pode ser o mesmo compartimento de armazenamento que acabou de ser resfriado.

Ao explorar a correlação entre pressão e temperatura para mudança de estado em que pressões mais altas correspondem a temperaturas mais altas, um compressor é utilizado para comprimir o refrigerante a uma pressão maior que a do evaporador (até 8-10 vezes!) para que o processo de condensação possa ocorrer a uma temperatura compatível com uma fonte “fria” prontamente disponível, normalmente o ar externo.

Condensação, portanto, ocorre a uma temperatura alta (geralmente 35-55°C) dentro de um trocador de calor onde os dois fluidos estão fora do ar e do refrigerante. Este último condensa e retorna ao estado líquido, enquanto o ar externo será aquecido.

O refrigerante líquido ainda está em alta pressão quando sai do condensador. Portanto, é necessário um dispositivo de expansão para expandir o refrigerante líquido e reduzir sua pressão até o valor no qual ocorre a evaporação; o refrigerante agora retornou ao seu estado inicial (líquido a baixa pressão e temperatura) e pode mais uma vez absorver a energia do ar no compartimento de armazenamento de alimentos.

Os principais componentes de um circuito de refrigerante são portanto:

Evaporador: este é um trocador de calor semelhante a um radiador quando utilizado com ar (serpentina aletada) ou mais compacto quando utilizado com água (trocador de calor de placas, feixe de tubos); ele troca energia por condução entre o refrigerante que evapora, mudando o estado de líquido para gás, e o ar (ou água) ao redor que é resfriado como resultado. A evaporação ocorre a uma pressão e temperatura virtualmente constantes, exceto por uma leve queda de pressão. O refrigerante que sai do evaporador é um gás superaquecido cuja temperatura é ligeiramente superior à temperatura de evaporação.

Compressor: este é um dispositivo que fornece compressão volumétrica, ou seja, uma redução progressiva no volume, utilizando sistemas rotativos ou alternativos. O compressor tem a função de circular o refrigerante dentro do circuito, extraindo-o especificamente como um gás do evaporador e depois comprimindo-o e entregando-o a uma pressão mais elevada ao condensador. O trabalho mecânico realizado pelo compressor implica um aumento significativo da temperatura do gás (em momentos acima de 100°C), bem como do consumo de energia. O consumo de energia do compressor depende da diferença entre as duas pressões de operação. O refrigerante que entra no compressor deve estar no estado gasoso, já que os líquidos são notoriamente incompressíveis. O compressor começa a funcionar quando a unidade precisa fornecer refrigeração, e normalmente é ativado através de sistemas de controle de temperatura.

Condensador: este é um trocador de calor que é semelhante a um evaporador, mas ligeiramente maior, e também pode ser uma serpentina aletada, trocador de calor de placas ou feixe de tubos. Ele troca energia entre o ar (ou água) externo soprado pelos ventiladores e o refrigerante sob a forma de gás quente descarregado pelo compressor. O refrigerante é resfriado e depois condensa a uma temperatura e pressão praticamente constantes, o que significa que ele sofre um leve sub-resfriamento. Na saída do condensador, o refrigerante estará no estado líquido a alta pressão e com uma temperatura ligeiramente inferior à temperatura de condensação.

Dispositivo de expansão: consiste de uma abertura calibrada, um tubo capilar fino ou uma válvula reguladora mecânica ou motorizada com controle por microprocessador. O sufocamento produzido pelo dispositivo de expansão reduz a pressão do refrigerante líquido deixando o condensador sem troca de energia. Isto explora o princípio Bernoulli pelo qual a velocidade de um fluido através de uma restrição aumenta significativamente, causando uma queda na pressão e uma queda de temperatura correspondente. Desta forma, o refrigerante líquido retorna à baixa pressão e baixa temperatura e está pronto para evaporar novamente, repetindo o ciclo descrito acima.

O dispositivo de expansão também tem a função de controlar o fluxo do refrigerante através do circuito. Uma quantidade excessiva corre o risco de danificar o compressor, pois ele não evaporará completamente no evaporador, permanecendo parcialmente no estado líquido. Uma quantidade insuficiente reduz sensivelmente a eficiência da unidade, já que o evaporador não é totalmente explorado.