O Guia do Engenheiro para Túneis de Resfriamento: Um mergulho profundo nos princípios técnicos
Introdução: Além do resfriamento industrial
Um túnel de resfriamento é uma parte fundamental dos processos de fabricação. Ele foi projetado para reduzir a temperatura do produto com precisão e controle. Mas ele faz muito mais do que apenas resfriar. É um sistema complexo que se baseia em princípios de engenharia comprovados.
O bom funcionamento de qualquer túnel de resfriamento depende do trabalho conjunto de três áreas principais. São elas: termodinâmica, dinâmica de fluidos e projeto mecânico. Para atingir uma temperatura central específica em um determinado tempo, é necessário compreender profundamente esses campos.
Isso oferece aos engenheiros de processo um guia técnico completo detalhamento. Começaremos com a ciência básica da transferência de calor. Em seguida, desmontaremos as partes mecânicas de um túnel moderno. Também analisaremos as diferentes tecnologias de resfriamento que você pode escolher.
Por fim, abordaremos os principais fatores de projeto, cálculos de desempenho e sistemas de controle que tornam a instalação de um túnel de resfriamento bem-sucedida. Você precisa entender conceitos como carga térmica e tempo de permanência. Esses são essenciais para especificar e operar esse equipamento Bem.
O núcleo do resfriamento: Uma análise termodinâmica
A principal função de um túnel de resfriamento é movimentar o calor. É importante entender que o resfriamento não adiciona “frio” a algo. Em vez disso, ele remove a energia térmica de um produto de forma sistemática e eficiente.
Essa remoção de energia ocorre por meio de três formas diferentes de movimentação do calor: condução, convecção e radiação. Um método geralmente faz a maior parte do trabalho. Mas todos os três estão presentes e ajudam no processo geral de resfriamento.
Condução: Transferência por contato direto
A condução move o calor por meio de contato físico direto. Em um túnel de resfriamento, isso acontece principalmente onde o a parte inferior do produto toca a correia transportadora.
A rapidez com que o calor se move por condução depende de vários fatores. A condutividade térmica do material da esteira é importante. A condutividade do próprio produto também é importante, assim como a área da superfície que toca a esteira. Embora isso seja um fator, geralmente é menos importante do que a convecção, a menos que você use uma esteira de resfriamento condutora especial.
Convecção: O cavalo de batalha do resfriamento
A convecção forçada realiza a maior parte do trabalho de transferência de calor nos túneis de resfriamento. Ela usa um fluido frio em movimento, geralmente ar, que flui pela superfície do produto.
Os ventiladores ou sopradores criam esse fluxo de ar. O ar em movimento retira o calor da superfície do produto e o leva para a bobina do evaporador da unidade de refrigeração. A rapidez com que o resfriamento ocorre depende da diferença de temperatura entre o ar e o produto, além da velocidade com que o ar se move.
Aqui está uma regra útil: dobrar a velocidade do ar em um O produto pode aumentar a transferência de calor por convecção coeficiente significativamente. Em geral, esse aumento varia de 60 a 80%. Isso mostra como um bom projeto de fluxo de ar é poderoso para o desempenho do túnel.
Radiação: Troca de energia invisível
A transferência radiativa de calor troca energia por meio de ondas eletromagnéticas. O produto mais quente emite radiação térmica. As superfícies internas mais frias do compartimento do túnel absorvem essa radiação.
Esse método se torna mais importante à medida que a diferença de temperatura entre o produto e as paredes do túnel aumenta. Em túneis criogênicos, onde as temperaturas das paredes são extremamente baixas, a radiação desempenha um papel importante na remoção geral do calor.
Tabela 1: Análise comparativa dos modos de transferência de calor em um túnel de resfriamento
Recurso | Condução | Convecção | Radiação |
Mecanismo primário | Transferência molecular direta (produto para correia) | Calor transportado pelo fluxo de fluido (ar sobre o produto) | Emissão de ondas eletromagnéticas (do produto para as paredes) |
Fatores de controle | Condutividade térmica do material, área de contato | Velocidade do ar, temperatura do ar, propriedades do fluido | Emissividade da superfície, diferença de temperatura (até a 4ª potência) |
Contribuição típica | Baixo a moderado (altamente dependente da base de produtos) | Alto (geralmente 70-90% de resfriamento total) | Moderado (aumenta com maiores diferenças de temperatura) |
Otimização Método | Seleção do material da correia, garantindo um bom contato com o produto | Aumento da velocidade do ventilador, redução da temperatura do ar | Pintura de paredes internas em preto fosco de alta emissividade |
Anatomia de um túnel moderno: Componentes principais
Um túnel de resfriamento reúne peças mecânicas e elétricas em um único sistema. Você precisa entender o que cada peça faz para a especificação, operação e manutenção adequadas.
O gabinete isolado
A principal função do gabinete é criar um ambiente termicamente separado. Ele impede que o calor e a umidade do ambiente entrem na zona de processamento. Isso aumentaria a carga de refrigeração e reduziria a eficiência.
Esses gabinetes geralmente são construídos com painéis de aço inoxidável preenchidos com isolamento de espuma de poliuretano de alta densidade. A espessura do painel, o design da junta e a vedação hermética são detalhes importantes. Eles determinam a integridade térmica e o desempenho higiênico do túnel.
O sistema de transporte
O sistema de transporte move o produto pelo túnel em uma velocidade controlada com precisão. Isso define diretamente o tempo de permanência.
Os tipos de correia variam muito de acordo com o que você está produzindo. As opções incluem correias de plástico sólido, de malha de arame e de plástico modular. O sistema de acionamento quase sempre usa um motor de acionamento de frequência variável (VFD). Isso permite um controle preciso da velocidade.
De acordo com nossa experiência, a escolha de um VFD com uma ampla faixa de velocidade é crucial para a flexibilidade do processo. Para produtos de confeitaria delicados, um recurso de ‘partida suave’ evita o deslocamento do produto durante os ciclos de inicialização e desligamento.
Refrigeração e AHU
A unidade de refrigeração e tratamento de ar (AHU) é o coração do sistema de resfriamento. Essa unidade resfria o ar e o move por todo o compartimento do túnel.
Ele funciona em um ciclo padrão de compressão de vapor. Esse ciclo utiliza um compressor, um condensador, uma válvula de expansão e uma serpentina do evaporador. A serpentina do evaporador é a parte dentro da AHU onde o ar circulante é realmente resfriado.
O bom projeto do plenum de distribuição de ar e dos dutos é fundamental. O objetivo é fornecer fluxo de ar e temperatura uniformes e consistentes para o produto em toda a largura e comprimento do transportador. Isso elimina pontos quentes ou frios.
O painel de controle (HMI/PLC)
O painel de controle é o cérebro do túnel. Ele permite que os operadores definam, monitorem e ajustem todos os parâmetros críticos do processo.
Os sistemas modernos passaram de termostatos simples e mostradores manuais para sistemas sofisticados. Eles usam a tecnologia de controlador lógico programável (PLC) com uma tela sensível ao toque de interface homem-máquina (HMI).
Esse nível de controle permite configurações de processo precisas e repetíveis para temperatura, velocidade da esteira e velocidade do ventilador. Isso é essencial para a qualidade consistente do produto.
Uma análise aprofundada das tecnologias de resfriamento
A forma como você aplica o ar frio ou uma superfície fria ao produto é tão importante quanto a própria temperatura. A escolha da tecnologia tem efeitos importantes sobre as taxas de resfriamento, a qualidade do produto e os custos operacionais.
Convecção de ar forçado
A convecção de ar forçado padrão é a tecnologia de resfriamento mais comum e versátil. Ela faz circular um grande volume de ar resfriado a uma velocidade relativamente baixa por todo o túnel.
Esse método é confiável e econômico. Funciona bem para muitos produtos, desde produtos de panificação e salgadinhos até confeitos e refeições prontas.
Resfriamento por impingimento de ar
A tecnologia de impacto de ar é um grande avanço na intensidade do resfriamento. Ela usa conjuntos de bicos para apontar jatos de ar frio de alta velocidade diretamente para as superfícies superior e inferior do produto.
A ideia principal aqui é romper a “camada limite” de ar isolante do produto. Ao cortar essa camada, o impacto aumenta drasticamente o coeficiente de transferência de calor por convecção. Isso resulta em tempos de resfriamento muito mais rápidos em comparação com a convecção padrão.
Essa tecnologia é perfeita para fixar rapidamente a superfície de um produto. Os exemplos incluem a formação de crosta em uma cobertura de chocolate ou o resfriamento de itens planos, como biscoitos, bases de pizza e hambúrgueres de carne.
Resfriamento por condução indireta
O resfriamento por condução indireta não usa o ar como meio principal. Em vez disso, o produto viaja diretamente em uma correia sólida de aço inoxidável ou plástico que é resfriada por baixo por um fluido circulante, como glicol ou água fria.
Esse método proporciona um resfriamento intenso e eficiente até o fundo do produto. É uma excelente opção para líquidos, pastas ou produtos semissólidos, como molhos, purês e recheios de confeitaria que podem ser espalhados em uma camada fina.
Resfriamento criogênico (LN2 / CO2)
O resfriamento criogênico usa a enorme capacidade de resfriamento liberada durante a mudança de fase do nitrogênio líquido (LN2) ou do dióxido de carbono (CO2). O nitrogênio líquido ferve a -196°C (-320°F) e o CO2 sublima a -78,5°C (-109,3°F).
Quando pulverizados no túnel, esses criogênicos absorvem instantaneamente grandes quantidades de calor do produto. Isso cria um resfriamento ou congelamento ultrarrápido. Isso é fundamental para preservar a estrutura celular e a qualidade de produtos de alto valor.
As aplicações incluem o Congelamento Rápido Individual (IQF) de frutos do mar e aves, o bloqueio da umidade para produtos de carne cozida e o resfriamento de refeições prontas de alta qualidade, onde a qualidade é mais importante.
Tabela 2: Comparação técnica das tecnologias de túneis de resfriamento
Tecnologia | Taxa de resfriamento | Custo de capital (CAPEX) | Custo operacional (OPEX) | Principais vantagens | Aplicação ideal |
Ar forçado | Moderado | Baixa | Baixa | Simplicidade, versatilidade | Uso geral, padaria, confeitaria |
Impingimento | Alta | Médio | Médio | Resfriamento uniforme e de alta velocidade | Produtos planos, crostas superficiais, produtos pré-cozidos |
Indireta | Moderado a alto | Alta | Baixa | Excelente para líquidos/lamas | Molhos, purês, recheios de confeitaria |
Criogênico | Muito alta | Médio a alto | Alta | Velocidade extrema, preservando a qualidade | Frutos do mar IQF, proteínas de alto valor, produtos médicos |
Parâmetros e cálculos críticos do projeto
A especificação ou o projeto de um túnel de resfriamento requer uma abordagem de engenharia estruturada. Passar dos requisitos do produto para as especificações do equipamento envolve vários cálculos críticos e considerações de projeto. Isso serve como lista de verificação de engenharia para qualquer novo projeto de resfriamento.
Cálculo da carga térmica total
A carga térmica total é a quantidade total de energia térmica que o sistema de refrigeração deve remover por unidade de tempo. É o cálculo mais importante no dimensionamento de um túnel de resfriamento. Essa carga soma várias partes distintas.
- Carga do produto: Essa é a carga principal e representa o calor liberado pelo próprio produto à medida que ele esfria. Você a calcula usando a fórmula Q = m * c * ΔT, em que ‘m’ é a taxa de fluxo de massa do produto (kg/h), ‘c’ é o calor específico do produto e ‘ΔT’ é a mudança de temperatura necessária.
- Carga de infiltração: Esse é o calor que entra no túnel por meio de aberturas na entrada e na saída. Também inclui o calor de qualquer vazamento no painel ou aberturas na porta.
- Carga do motor do transportador e do ventilador: Todas as peças mecânicas dentro do túnel geram calor durante a operação. Isso inclui os motores do ventilador e o sistema de acionamento do transportador. Você deve levar em conta esse calor.
- Carga de transmissão: Esse é o calor que passa pelas paredes, teto e piso isolados, do ambiente externo mais quente para o interior frio do túnel.
A soma dessas cargas individuais determina a capacidade total de refrigeração necessária. Isso é normalmente expresso em quilowatts (kW) ou BTUs por hora. Fazer esse cálculo corretamente é fundamental para garantir que o túnel possa atender aos requisitos do processo.
Determinação do tempo de residência
O tempo de residência é a duração total que um produto passa dentro da atmosfera controlada do túnel de resfriamento. Esse é um parâmetro crítico que deve ser longo o suficiente para permitir que o produto resfrie até a temperatura central desejada.
Uma fórmula simples, mas crucial, determina isso: Tempo de residência = comprimento do túnel / velocidade do transportador.
Para obter um perfil de resfriamento desejado, os engenheiros devem equilibrar o comprimento do túnel (um fator de custo de capital) com a velocidade do transportador (um fator de rendimento da produção).
Controle de fluxo de ar e umidade
O resfriamento eficaz depende não apenas da temperatura do ar, mas também de como esse ar é gerenciado. O objetivo é criar um fluxo de ar turbulento ao redor do produto. Isso é muito mais eficaz na remoção do calor do que o fluxo laminar e suave.
O controle da umidade é igualmente importante, especialmente para produtos sensíveis. Se a temperatura da superfície de um produto cair abaixo do ponto de orvalho do ar dentro do túnel, haverá formação de condensação.
Isso pode ser desastroso para produtos como o chocolate, onde causa o “sugar bloom”. Esse defeito cria uma superfície opaca e granulada. O projeto adequado da AHU e o gerenciamento da infiltração de ar são fundamentais para controlar a umidade.
Controles modernos e Indústria 4.0
Os sistemas de controle para túneis de resfriamento evoluíram significativamente. O setor passou de mostradores e interruptores manuais básicos para sistemas altamente sofisticados e automatizados. Esses sistemas oferecem enormes benefícios em termos de consistência, rastreabilidade e eficiência.
Os sistemas modernos são construídos com base em um PLC e uma tela sensível ao toque HMI. Essa plataforma permite recursos avançados, como o gerenciamento de receitas. Você pode armazenar e recuperar dezenas de conjuntos de parâmetros exclusivos para diferentes produtos com um único toque.
Esses sistemas também oferecem um extenso registro de dados para garantia de qualidade e rastreabilidade. Eles oferecem históricos detalhados de alarmes para agilizar a solução de problemas. Eles também têm recursos para diagnósticos remotos por fornecedores de equipamentos.
Tabela 3: Níveis de sistemas de controle de túneis de resfriamento
Nível | Interface de controle | Principais características | Melhor para |
Básico | Botões e interruptores físicos | Controle manual de temperatura e velocidade. | Operações em pequena escala, entrada de baixo custo. |
Intermediário | Tela sensível ao toque HMI com PLC | Armazenamento de receitas, registro de alarmes, exibição de dados básicos. | A maioria linhas de produção padrão necessitando de consistência. |
Avançado | Integração SCADA, IIoT | Controle centralizado, tendências de dados históricos, alertas de manutenção preditiva, acesso remoto. | Fábricas automatizadas e de grande porte que exigem integração total de dados. |
Conclusão: Sintetizando princípios para o desempenho
A eficácia de um túnel de resfriamento não se resume apenas à sua capacidade de ser frio. Trata-se de um sistema projetado com precisão, no qual o desempenho resulta da combinação de princípios fundamentais.
O resfriamento ideal resulta da termodinâmica aplicada, do design mecânico robusto e do controle inteligente e responsivo. Cada elemento desempenha um papel fundamental. Isso inclui tudo, desde o cálculo da carga de calor até o projeto do fluxo de ar.
À medida que o setor avança, várias tendências continuarão a moldar a evolução da tecnologia do túnel de resfriamento. Entre elas estão a busca por maior eficiência energética, controle mais rígido do processo e fabricação mais inteligente e orientada por dados.
- Processamento e engenharia de alimentos | Ciência e tecnologia de alimentos | Virginia Tech https://www.fst.vt.edu/research/food-processing-and-engineering.html
- Tecnologias avançadas de refrigeração | EPA dos EUA https://www.epa.gov/greenchill/advanced-refrigeration-technologies
- Engenharia de Alimentos | FABE - Universidade Estadual de Ohio https://fabe.osu.edu/future-students/majors/food-agricultural-and-biological-engineering/food-engineering
- Instituto de Ciência e Engenharia de Alimentos | Biblioteca Nacional de Agricultura (USDA) https://www.nal.usda.gov/research-tools/food-safety-research-projects/institute-food-science-and-engineering-1
- Engenharia de Sistemas Alimentares | Universidade de Arkansas https://food-science.uark.edu/research-outreach/research/food-systems-engineering.php
- EARTH Hub - Tecnologia de Refrigerantes | Universidade do Kansas https://erc-earth.ku.edu/
- Engenharia de Processos Alimentares | Instituto de Tecnologia de Illinois https://www.iit.edu/academics/programs/food-process-engineering-ms
- Otimização de túneis de resfriamento SMIP | CESMII https://www.cesmii.org/project/sopo-2331/
- Túneis de resfriamento Processamento de alimentos | Frain Group https://www.fraingroup.com/cooling-tunnels-food-processing/
- Entendendo os túneis de resfriamento e aquecimento industriais | Genemco https://www.genemco.com/blogs/news/title-exploring-the-mechanics-of-industrial-cooling-and-heating-tunnels
