Sistema de Refrigeração em Cascata

Um sistema de refrigeração em cascata é um sistema de resfriamento que utiliza dois ou mais circuitos de refrigeração independentes, cada um com seu próprio ciclo de compressão de vapor, para alcançar temperaturas muito baixas ou para controlar diferentes faixas de temperatura em processos industriais, laboratórios ou outras aplicações específicas. Esse tipo de sistema é projetado para superar as limitações de um único ciclo de refrigeração e permite o resfriamento a temperaturas extremamente baixas.

Os sistemas de refrigeração em cascata geralmente consistem em dois circuitos de refrigeração, chamados de "cascas", que operam em paralelo, com um circuito de refrigeração mais quente (a "cascata superior") trocando calor com o circuito de refrigeração mais frio (a "cascata inferior"). A cascata superior geralmente opera em temperaturas mais elevadas, resfriando o fluido refrigerante da cascata inferior e, por sua vez, a cascata inferior é responsável por atingir as temperaturas muito baixas desejadas nos ambientes.

Alguns exemplos de aplicações para sistemas de refrigeração em cascata incluem:

1. Resfriamento de líquidos ou gases a temperaturas extremamente baixas, como no campo da criogenia.
2. Processos de laboratório que requerem controle preciso da temperatura em faixas amplas.
3. Resfriamento de instrumentos de análise, como microscópios eletrônicos de varredura (MEV) ou espectrômetros de massa.
4. Refrigeração em indústrias químicas e farmacêuticas para operações que envolvem reações químicas sensíveis à temperatura.
5. Refrigeração em sistemas de detecção de radiação nuclear, onde temperaturas muito baixas são necessárias.

Os sistemas de refrigeração em cascata são complexos e requerem cuidadosa engenharia e manutenção devido às várias etapas de compressão, expansão e troca de calor envolvidas. Cada cascata é geralmente projetada para operar com diferentes fluidos refrigerantes e temperaturas de evaporação e condensação, a fim de otimizar o desempenho e atender às necessidades específicas da aplicação.

A função do compressor em um sistema de refrigeração é elevar a temperatura de evaporação à temperatura de condensação. Por exemplo, elevar a temperatura de evaporação de -50°C para uma temperatura de condensação de 40ºC. significaria elevar a pressão de 84psi a 1.394psi do fluido CO2 (R744). Para uma única compressão ficaria inviável. Sendo assim, colocamos um outro sistema trabalhando com fluido refrigerante R134a, por exemplo, onde o condensador do CO2 seria resfriado por este sistema. Com isso a pressão de condensação do CO2 passa a trabalhar com pressão muito mais baixas.

Com isso conseguimos transferir o Calor de ambientes próximos de -45°C para o ambiente externo com temperaturas próximas a 30°C.

Na figura abaixo podemos verificar isso.