Congelamento de alimentos: do núcleo do produto à sala de máquinas

Congelar um alimento não é só baixar a temperatura. Quando a água do produto vira gelo, as propriedades térmicas mudam, e isso afeta o tempo de congelamento e a carga que chega aos compressores. Por isso, um túnel que "parece frio" pode entregar produto fora de especificação.

Vamos acompanhar um exemplo: uma almôndega de carne de cerca de 5 cm de diâmetro e 70 g, com 64% de água, entrando no túnel a 4,4 °C, com ar a −37,2 °C. A meta é a usual da indústria: núcleo a −18 °C na saída.

O alimento congela em uma faixa de temperaturas

A água pura congela a 0 °C; no alimento é diferente. Por causa dos sais e proteínas dissolvidos, a água do produto só começa a congelar em torno de −1,7 °C (o chamado ponto de congelamento inicial). Cada parcela que vira gelo deixa a água restante mais concentrada, que só congela em temperaturas ainda menores. O congelamento é, portanto, gradual: a −6,7 °C, mais de 40% da massa já é gelo; a −40 °C, ainda resta cerca de 10% de água líquida.

Durante o congelamento:

• a densidade cai de 1.043 para cerca de 1.001 kg/m³, porque a água se expande ao virar gelo;
• a condutividade térmica mais que dobra, porque o gelo conduz calor cerca de quatro vezes melhor que a água líquida;
• o calor específico aparente, que soma o calor sensível (o que muda a temperatura) e o calor latente (o que muda o estado da água, de líquido para sólido), sai de 3,3 kJ/(kg·K) e passa de 105 kJ/(kg·K) na faixa de formação intensa de gelo.

Esse pico mostra que, nessa faixa, baixar 1 °C exige retirar também o calor latente de muita água virando gelo. No pico, cada grau custa mais de 30 vezes o que custava acima do ponto de congelamento. Por isso, a conta Q = m × cp × ΔT com um único cp para todo o processo simplifica demais o congelamento. O cálculo correto usa a variação de entalpia do produto entre a entrada e a saída.

Superfície, média e núcleo não são a mesma temperatura

A superfície responde rápido ao ar frio. O núcleo depende do calor atravessar o produto e por isso demora. Enquanto o centro congela, sua temperatura fica quase parada, porque o calor retirado sai como calor latente. No exemplo:

• o núcleo só começa a cair rápido depois de uns 45 minutos;
• atinge −18 °C em cerca de 50 minutos;
• nesse momento, a temperatura média do produto já está em −22 °C, porque as camadas externas estão bem mais frias que o centro.

A média define o calor retirado (a carga frigorífica); a especificação, porém, é feita pelo núcleo, o ponto mais quente do produto.

O número de Biot ajuda a entender onde está a dificuldade. Ele compara a resistência à passagem de calor dentro do produto com a resistência na película de ar em volta dele. Abaixo de 0,1, o produto esfria quase por igual; à medida que o Biot cresce, aumenta a diferença entre superfície e núcleo. No caso da almôndega, o Biot vale cerca de 1,35 (calculado, como no método do ASHRAE, com o diâmetro como dimensão característica): as duas resistências têm peso parecido, e parte da limitação está no próprio alimento, e não só no ar. Por isso, ar a −37 °C não garante núcleo a −18 °C: quem garante é a medição de núcleo na saída.

O método simplificado do ASHRAE, que trabalha com propriedades constantes (um valor para o produto não congelado e outro para o congelado), estima 42,9 minutos e 16,3 kJ por unidade. A análise com propriedades variáveis chega a 49,5 minutos e 17,0 kJ. São cerca de 15% a mais de tempo. Em um túnel contínuo, isso significa reduzir a velocidade da esteira (e a capacidade da linha) em cerca de 13% para manter o núcleo dentro da especificação.

Da almôndega aos compressores

Com 10.000 unidades por hora a 17 kJ cada, são 170 MJ por hora. Dividindo por 3.600 segundos, chega-se a cerca de 47 kW (13,4 TR) só de produto, sem contar ventiladores, esteira, infiltração de ar pelas aberturas e degelo.

O caminho do calor é direto:

produto → ar → evaporador → amônia evapora → compressores aspiram o vapor

Cada elo depende de uma diferença de temperatura: o ar precisa estar mais frio que o produto, e a amônia mais fria que o ar. Para ar a −37 °C, a amônia precisa evaporar entre −42 °C e −45 °C, abaixo do seu ponto de ebulição atmosférico (−33,3 °C). A sucção trabalha em vácuo, com cerca de 0,4 a 0,5 kgf/cm² abaixo da atmosfera no manômetro, ao nível do mar (em cidades mais altas, a leitura de vácuo é menor para a mesma temperatura de evaporação). Qualquer vazamento, em vez de deixar amônia sair, puxa ar e umidade para dentro do sistema. O ar eleva a pressão de condensação e é removido pelo purgador, que precisa estar em dia; a umidade contamina a amônia e exige remoção específica, por drenagem ou destilador de água.

Esses sistemas costumam operar em duplo estágio, porque em um único estágio a relação de compressão ficaria alta demais.

Quando a carga supera a capacidade disponível, a pressão de sucção sobe, a evaporação esquenta, a diferença de temperatura entre o ar e a amônia no evaporador diminui e o produto demora mais para congelar.

Baixar a sucção nem sempre resolve

Reduzir o set point de sucção parece a saída natural, porque aumenta a diferença de temperatura no evaporador. Mas tem três problemas:

1. A eficiência cai, porque a relação de compressão (pressão de descarga dividida pela pressão de sucção) aumenta, e o compressor gasta mais energia para cada kW de frio produzido.
2. A capacidade do compressor cai, porque o vapor aspirado fica mais rarefeito: o compressor desloca o mesmo volume, mas cada metro cúbico carrega menos massa de amônia.
3. Pode não atacar a causa. Se o limite está na circulação de ar, no evaporador ou dentro do produto, gasta-se mais energia sem reduzir o tempo de congelamento na mesma proporção.

Vale lembrar também da umidade: produto sem embalagem perde água, e essa água vira gelo na serpentina do evaporador. O gelo isola e obstrui a passagem de ar entre as aletas, o que reduz a troca de calor e aumenta a frequência de degelo.

Como diagnosticar

Se o produto sai com núcleo acima de −18 °C, a pergunta é: falta frio ou o frio não chega ao produto?

• sucção alta, compressores no limite e ar do túnel quente indicam falta de capacidade frigorífica (mais produção, produto entrando quente, compressor parado, condensação alta);
• sucção baixa, compressores com folga e ar do túnel quente indicam evaporador com gelo ou sujo: a amônia evapora fria, mas o calor do ar não chega até ela, e a diferença entre a temperatura do ar e a de evaporação fica grande;
• sucção controlada, compressores com folga e ar na temperatura certa indicam limitação na troca de calor com o produto (ventilador com problema, produto maior que o especificado ou empilhado). Há frio disponível, mas o calor não sai do produto na velocidade necessária.

Para separar esses casos, acompanhe juntas a temperatura de entrada do produto, a temperatura de núcleo na saída, a temperatura do ar, a pressão de sucção, o tempo de permanência e a carga dos compressores. Uma variável isolada engana.

Conclusão

Produto, túnel, evaporador e sala de máquinas formam um único processo. O objetivo não é produzir a temperatura mais baixa possível, e sim retirar o calor necessário, no tempo especificado, com o menor consumo de energia compatível com o processo. Entender essa ligação é o que permite ao operador distinguir um problema de capacidade de um problema de troca de calor, e escolher a ação certa antes de mexer no set point.

Quer aprender mais conteúdos como esse?

Na Less Energy Academy, você encontra formações completas para evoluir tecnicamente e assumir novos desafios na operação, manutenção, projeto e gestão de sistemas industriais.

Pós-graduação, cursos de aperfeiçoamento, treinamentos corporativos, todos 100% online, com flexibilidade para estudar no seu ritmo.

🔗 Entre em contato:

📞 (43) 99117-5377
🌐 https://lessenergy.com.br/