Como dimensionar uma câmara fria

O que é dimensionar uma câmara fria?

É calcular a carga térmica e, a partir dela, escolher a capacidade do sistema. Carga térmica é todo o calor que entra na câmara ou é gerado dentro dela e que o equipamento precisa retirar para manter a temperatura. O método consagrado, do ASHRAE Refrigeration Handbook e adotado pela Danfoss nas suas ferramentas, soma a carga em base diária e depois converte em capacidade.

A conta junta dois grupos de carga que têm bases de tempo diferentes. As cargas contínuas (transmissão, infiltração, internas e respiração) entram em base diária e são divididas pelas horas de operação do compressor. A carga de produto é dividida pelo tempo de pull-down, que é o prazo para a mercadoria que entra chegar à temperatura. Somam-se as duas taxas em kcal/h e aplica-se a margem de segurança.

Taxa das contínuas = (Transmissão + Infiltração + Internas + Respiração por dia) ÷ horas de operação
Taxa do produto    = Energia do produto que entra ÷ tempo de pull-down
Capacidade         = (Taxa das contínuas + Taxa do produto) × (1 + margem)

São cinco parcelas de calor. As próximas seções explicam cada uma, com os números de referência, e uma seção dedicada explica o pull-down, que é a base de tempo do produto e o erro número um de dimensionamento. No fim há dois exemplos resolvidos (um de resfriados e um de congelados) com valores conferidos na calculadora de carga térmica.

Quais são as parcelas da carga térmica?

São cinco. Transmissão pela envoltória, infiltração de ar, carga do produto, cargas internas e, em hortifruti, o calor de respiração. A distribuição típica ajuda a checar a ordem de grandeza do resultado.

Fonte da distribuição: Danfoss e The Engineering Mindset. Se o produto não estiver dominando a sua conta, quase sempre você esqueceu de algo (em geral o pull-down ou a respiração).

Transmissão pela envoltória

É o calor que atravessa paredes, teto e piso por condução. Calcula-se pela área que troca calor vezes o coeficiente global de transmissão (U) vezes a diferença de temperatura.

Transmissão = Área × U × (T externa − T interna)        com U = condutividade k ÷ espessura

O coeficiente U sai da condutividade do isolante dividida pela espessura. Quanto menor o U, melhor o painel. A tabela abaixo traz a condutividade por material e o U que ela dá a 100 mm.

A espessura do painel acompanha a temperatura de trabalho. A tabela abaixo traz a espessura recomendada por classe, tomando o PUR/PIR como referência (é o que a calculadora usa) e o EPS equivalente ao lado.

Dois pontos importantes. Primeiro, o EPS precisa de mais espessura que o PUR/PIR para o mesmo desempenho, porque a condutividade dele é maior (k do EPS perto de 0,035 contra cerca de 0,021 a 0,023 do PUR/PIR). Na prática o EPS pede de 50% a 70% mais espessura, e os catálogos brasileiros confirmam isso (Multifrio vende 150 mm de EPS para o que 100 mm de PUR resolve). Segundo, 100 mm de PUR/PIR é o piso para congelados a −18 °C, não o ideal. Abaixo de −18 °C (sorvete e açaí em estoque) ou em clima quente, suba para 120 mm. Para túnel de congelamento, 150 a 200 mm. Como referência de meta, em freezer o alvo de isolamento é U ≤ 0,24 W/m²·K, que 100 mm de PIR entrega justinho.

A calculadora usa 100 mm como espessura padrão, mas editável. Ajuste o valor conforme a classe da câmara (75 mm em resfriados, 120 mm abaixo de −18 °C, 150 mm em túnel) para a conta de transmissão refletir o painel real. Fontes das faixas: SQ Panel, Multifrio (PUR), Multifrio (EPS), GFRIO e Kavidoors. As metas de U e R seguem Refindustry e o ASHRAE Handbook—Refrigeration (R-30 cooler / R-45 freezer).

Um detalhe do jeito certo de fazer. O piso troca calor contra o solo, que fica perto de 10 °C, e não contra o ambiente externo. O ASHRAE e o The Engineering Mindset calculam o piso com uma diferença de temperatura menor. Na prática isso reduz poucos por cento da transmissão, mas é a forma correta para câmaras grandes.

Infiltração de ar (trocas de ar)

É o ar quente e úmido de fora que entra cada vez que a porta abre. Modela-se pelo número de trocas de ar por dia que aquele volume sofre, vezes o volume, vezes a diferença de temperatura, vezes o calor do ar.

O ponto que muita gente erra é usar um número fixo de trocas. Câmara pequena renova o ar muitas vezes mais por dia do que câmara grande, pela relação entre superfície e volume. A tabela do ASHRAE escala isso com o volume.

Fonte: Supaload. Câmara de congelados (abaixo de 0 °C) troca menos ar, porque retém melhor o frio. Multiplique por 2 em uso intenso (muito vai e vem de porta) e por 0,6 em longa estocagem (porta quase sempre fechada). A calculadora de carga térmica já interpola essa tabela pelo volume informado.

Carga do produto: sensível e latente

Essa é, quase sempre, a maior parcela. É o calor que se tira da mercadoria que entra na câmara para levá-la da temperatura de chegada até a de armazenamento. Tem até três pedaços.

Resfriar:  Q = massa × calor específico (acima) × (T entrada − T final)
Congelar:  Q = massa × calor específico (acima) × (T entrada − T congelamento)   (sensível antes de congelar)
            + massa × calor latente                                              (congelamento em si)
            + massa × calor específico (abaixo) × (T congelamento − T final)     (sensível depois de congelar)

Em resfriados há só o primeiro pedaço (calor sensível acima do congelamento). Em congelados somam-se o calor latente de congelamento e o calor sensível abaixo do congelamento. O calor latente é grande, perto de 334 kJ/kg vezes a fração de água do alimento, e por isso congelar pesa muito mais que resfriar.

Atenção a um ponto que muda tudo. Essa conta dá a energia a remover do produto, em kcal. Para virar taxa em kcal/h ela não é dividida pelas horas de operação do compressor junto com as outras parcelas. Ela é dividida pelo tempo de pull-down, que é o prazo em que o produto que entra precisa chegar à temperatura. A próxima seção explica por quê.

A tabela abaixo traz as propriedades térmicas de produtos comuns, em kcal, com a fonte no ASHRAE Cap. 19, Tabela 3. O calor específico está em kcal/kg·°C e o latente em kcal/kg.

Os valores vêm do ASHRAE Cap. 19, Tabela 3, convertidos para kcal (régua de coerência, latente ≈ 79,7 × fração de água). As temperaturas de armazenamento seguem boas práticas brasileiras e a RDC 216. Atenção, mamão, banana e tomate sofrem dano por frio e não vão a 0 °C, mesmo o cálculo sendo possível.

Cargas internas (pessoas, iluminação, ventiladores)

São os ganhos gerados dentro da câmara. Pessoas, luz e os motores dos ventiladores do evaporador.

O calor por pessoa cresce quanto mais fria a câmara, porque o corpo perde mais calor. Fonte: The Engineering Mindset e FAO. O degelo das resistências costuma ficar embutido na escolha de operar o compressor 16 horas por dia, em vez de virar um item à parte.

Calor de respiração (só hortifruti)

Frutas e verduras continuam vivas depois da colheita. Respiram e liberam calor o tempo todo, sobre todo o estoque armazenado, não só sobre o que entra no dia. É uma parcela que não existe em carnes, pescados nem laticínios.

Respiração por dia = massa estocada × taxa de respiração do produto

A taxa vem da Tabela 9 do ASHRAE, em mW/kg, e varia muito por produto e por temperatura. Maçã, batata e cebola respiram pouco. Brócolis, espinafre e morango respiram muito. No exemplo clássico de uma câmara de maçã, a respiração de 20.000 kg estocados chega perto da carga de resfriamento do produto que entra no dia. Esquecer essa parcela pode subdimensionar de 10% a 40% da carga de produto em câmaras de hortifruti.

O que é o tempo de pull-down e por que ele dimensiona o produto?

Pull-down é o tempo em que o produto que entra na câmara precisa chegar à temperatura de armazenamento. É a base de tempo da carga de produto, e tratá-la errado é o erro número um de dimensionamento, principalmente em câmaras de congelados.

A ideia é simples. As cargas contínuas (transmissão, infiltração, internas e respiração) entram o dia inteiro, então é justo dividir o calor do dia pelas horas de operação do compressor. Já o produto não pode ser espalhado pelo dia. Quando você mete 600 kg de mercadoria quente de uma vez, esse calor todo tem que sair num prazo curto, senão o produto estraga ou nunca congela. Por isso a energia do produto é dividida pelo tempo de pull-down, não pelas horas de operação.

Taxa do produto = Energia do produto que entra ÷ tempo de pull-down

Esse é o método do Heatcraft Engineering Manual, que aplica à carga de produto o fator 24 dividido pelo tempo de pull-down, e do ASHRAE Refrigeration Handbook. As cargas contínuas seguem o run-time do compressor (16 horas na prática brasileira), o produto segue o pull-down.

Os tempos de pull-down recomendados, já usados como padrão na calculadora de carga térmica e editáveis na faixa de 4 a 24 horas:

Por que congelar é tão mais exigente. No congelamento, além do calor sensível, é preciso retirar o calor latente de congelamento, perto de 80 kcal por quilo vezes a fração de água do alimento. É uma montanha de calor que tem que sair num prazo curto. No exemplo da polpa mais abaixo, o latente sozinho é dois terços da carga de produto. Some o latente grande ao pull-down curto (12 horas em vez de 24) e a capacidade exigida dobra em relação à conta ingênua de espalhar pelo dia. É exatamente por isso que tanta câmara de congelados sai subdimensionada: foi dimensionada pela média do dia, e não pelo pico do pull-down. Fonte do método: Heatcraft e ASHRAE.

Caso especial. Se a câmara é só estocagem de produto que já chega congelado (entra a −18 °C, fica a −18 °C), a carga de produto é praticamente zero e o pull-down não importa. O dimensionamento aí é todo pelas cargas contínuas.

Como converter a carga em capacidade (margem e horas)?

Some as duas taxas (contínuas e produto) e aplique a margem de segurança. As cargas contínuas viram taxa dividindo o calor do dia pelas horas de operação do compressor. O produto vira taxa dividindo a energia pelo tempo de pull-down. A margem padrão fica de 10% a 20% (use a faixa mais alta em uso intenso). As horas de operação ficam em 16 por dia na prática brasileira, deixando reserva para degelo e picos.

Taxa das contínuas = (Transmissão + Infiltração + Internas + Respiração por dia) ÷ horas de operação
Taxa do produto    = Energia do produto ÷ tempo de pull-down
Capacidade         = (Taxa das contínuas + Taxa do produto) × (1 + margem)

Dividir as contínuas por 16 em vez de 24 dá uma capacidade maior de propósito. É essa folga que permite o sistema recuperar a temperatura e parar para o degelo. E dividir o produto pelo pull-down (não pelas 16 horas) é o que garante que a mercadoria que entra chega à temperatura no prazo. Por fim, converta a capacidade para as unidades que você usa. As equivalências são 1 TR = 12.000 BTU/h = 3.024 kcal/h = 3,517 kW.

Exemplo resolvido: câmara de açougue (resfriados)

Veja uma câmara típica de açougue, com os números conferidos na calculadora de carga térmica.

Dados de entrada. Câmara de 3 × 3 × 2,5 m (22,5 m³), painel de poliuretano de 100 mm (condutividade 0,023). Externa a 32 °C, interna a 0 °C. Entram 500 kg de carne bovina por dia a 12 °C, resfriados até 0 °C (sem congelar). Um ventilador de 0,5 CV e 100 W de iluminação por 8 horas, 1 pessoa por 8 horas. Compressor dimensionado para 16 horas de operação, pull-down de resfriamento de 24 horas (o padrão de estocagem), margem de 10%.

Primeiro a energia por dia de cada parcela, e depois cada uma vira taxa pela sua base de tempo:

1. Área e U. Área = 2 × (3×3 + 3×2,5 + 3×2,5) = 48 m². U = 0,023 ÷ 0,10 = 0,23 W/m²·K.
2. Transmissão. 0,23 × 48 × 32 × 0,86 × 24 = 7.292 kcal por dia. Dividida por 16 horas dá 456 kcal/h.
3. Infiltração. Volume de 22,5 m³ dá cerca de 26 trocas por dia pela tabela. 22,5 × 26,06 × 32 × 0,29 = 5.442 kcal por dia. Dividida por 16 horas dá 340 kcal/h.
4. Cargas internas. Ventilador 0,5 × 632 × 8 = 2.528, iluminação 100 × 0,86 × 8 = 688 e pessoa 1 × 270 × 8 = 2.160, totalizando 5.376 kcal por dia. Dividida por 16 horas dá 336 kcal/h.
5. Produto (só sensível). 500 × 0,843 × (12 − 0) = 5.058 kcal de energia. Como é resfriamento, o pull-down é de 24 horas, então 5.058 ÷ 24 = 211 kcal/h. Repare que o produto é dividido pelo pull-down, não pelas 16 horas das contínuas.
6. Soma das taxas e margem. 456 + 340 + 336 + 211 = 1.343 kcal/h. Com 10% de margem, resulta a capacidade.

Resultado (conferido na calculadora): capacidade necessária de 1.477 kcal/h, que é 5.860 BTU/h, 1,72 kW ou 0,5 TR. Repare que, num açougue de resfriados, a transmissão e a infiltração juntas pesam mais que o produto, porque a diferença de temperatura é grande (32 °C), a câmara é pequena (troca muito ar) e a carne entra só 12 °C acima do set-point, com pull-down folgado de 24 horas. É o oposto do que acontece no congelamento, como o próximo exemplo mostra.

Agora um contraste rápido, para mostrar o peso da respiração. Numa câmara de mamão de 6 × 5 × 4 m (120 m³) a 10 °C, recebendo 2.000 kg por dia a 25 °C e com 15.000 kg estocados, a respiração (33,5 mW/kg) acrescenta cerca de 430 kcal/h à conta, mais de 10% da capacidade total nesse caso. Esquecê-la subdimensiona a câmara no calor. Frutas e verduras respiram o tempo todo, sobre todo o estoque, não só sobre o que entra.

Exemplo resolvido: câmara de congelados (polpa de fruta)

Este é o caso que mais subdimensiona compressor no campo. Veja por quê, com os números conferidos na calculadora de carga térmica.

Dados de entrada. Câmara de 2,5 × 2 × 2,2 m (11 m³), painel de poliuretano de 120 mm (condutividade 0,023). Externa a 32 °C, interna a −18 °C. Entram 600 kg de polpa de fruta por dia a 25 °C, congelados até −18 °C. A polpa tem cerca de 85% de água (calor específico acima 0,88, abaixo 0,455, calor latente 68 kcal/kg, ponto de congelamento −1,5 °C). Um ventilador de 0,5 CV e 100 W de iluminação por 8 horas, 1 pessoa por 8 horas. Compressor dimensionado para 16 horas de operação, pull-down de congelamento de 12 horas (o padrão de câmara que congela o que recebe), margem de 10%.

A energia de produto tem as três parcelas do congelamento:

1. Sensível acima. 600 × 0,88 × (25 − (−1,5)) = 13.992 kcal.
2. Latente. 600 × 68 = 40.800 kcal.
3. Sensível abaixo. 600 × 0,455 × (−1,5 − (−18)) = 4.504 kcal.
4. Energia total do produto. 13.992 + 40.800 + 4.504 = 59.296 kcal. O latente sozinho é 69% do total, é ele que domina o congelamento.

Agora a base de tempo, que é o ponto da lição. Dividindo pelo pull-down de 12 horas, a taxa de produto é 59.296 ÷ 12 = 4.941 kcal/h. As cargas contínuas dessa câmara pequena somam bem menos: transmissão 368, infiltração 236 e internas 336, perto de 940 kcal/h. Com a margem de 10%:

Resultado (conferido na calculadora): capacidade necessária de 6.470 kcal/h, que é 25.672 BTU/h, 7,52 kW ou 2,1 TR. O produto sozinho é 76% da carga.

Aqui está a lição. Se você dimensionasse pelo método ingênuo de espalhar o produto pelas 24 horas, a taxa de produto cairia para 59.296 ÷ 24 = 2.471 kcal/h, metade do valor correto, e a capacidade total fecharia perto de 4.000 kcal/h. Um compressor escolhido por esse número parece servir no catálogo, mas não congela 600 kg em 12 horas. A câmara nunca chega a −18 °C com a carga cheia, o pull-down estoura o tempo e a polpa fica mole no meio. É exatamente o sintoma de campo de quem "comprou o compressor e a câmara não congela". A diferença entre os 2.471 kcal/h da conta ingênua e os 4.941 kcal/h corretos é o erro número um, e ele vale quase um dobro de capacidade só na parcela de produto.

Qual o erro número um de dimensionamento de câmara fria?

É dimensionar pela carga de regime permanente e esquecer o pull-down de produto quente. O cliente vai meter mercadoria a 25 ou 30 °C de uma vez, e essa carga tem que sair num prazo curto, o pull-down, não espalhada pelo dia. Dividir a energia do produto pelas 24 horas do dia (ou mesmo pelas 16 de operação) em vez de pelo pull-down corta a parcela de produto pela metade, e ela já é de 55% a 75% do total. A câmara que não gela quase sempre é isso. A correção é dividir o produto pelo tempo de pull-down (24 horas para resfriar, 12 para congelar), como mostra o exemplo da polpa acima, conforme o método do Heatcraft e da Danfoss. O erro é pequeno em resfriados (produto entra perto do set-point, pull-down folgado) e grave em congelados (latente grande, pull-down curto).

Os outros erros comuns são parentes do primeiro. Esquecer o calor de respiração em hortifruti. Subdimensionar a infiltração em câmara de muito vai e vem de porta (daí o fator 2 de uso intenso). Dividir as cargas contínuas por 24 horas em vez de 16, deixando o compressor sem reserva para degelo. E superdimensionar, que gera ciclos curtos e mau controle de umidade.

Vale um lembrete de campo. Mesmo a câmara mais bem dimensionada perde mercadoria se uma falha passa despercebida. Acompanhar a temperatura do ambiente refrigerado de forma contínua denuncia degelo travado, porta mal fechada e perda lenta de gás muito antes de o produto estragar. O dimensionamento garante a capacidade. O monitoramento garante que ela está sendo entregue.

Resumo prático

1. Calcule as cinco parcelas. Transmissão (área × U × diferença de temperatura), infiltração (trocas pela tabela do volume), produto (sensível, mais latente se congelar), cargas internas e respiração em hortifruti.
2. Separe as bases de tempo. As cargas contínuas (transmissão, infiltração, internas, respiração) viram taxa dividindo o calor do dia por 16 horas de operação. A energia do produto vira taxa dividindo pelo tempo de pull-down (24 horas para resfriar, 12 para congelar).
3. Some as duas taxas e aplique de 10% a 20% de margem.
4. Converta para a unidade que usa (1 TR = 12.000 BTU/h = 3.024 kcal/h = 3,517 kW).
5. Confira a ordem de grandeza pela distribuição típica (produto de 55% a 75%, e dominante no congelamento).

Para chegar ao número exato do seu caso sem errar conta, use a calculadora de carga térmica de câmara fria, que já traz a tabela de produtos, as trocas de ar por volume e o calor de respiração.