Um estudo teórico e experimental da produção de gelo transparente em condições típicas de refrigeração doméstica

Abstract

A produção de gelo, tanto para aplicações domésticas como comerciais, tem presença no mercado desde os primórdios da indústria de refrigeração. Nesse sentido, o aumento da produtividade diária tem sido perseguido por parte das empresas. No entanto, a demanda por produtos cada vez mais sofisticados faz com que a qualidade do gelo produzido também seja alvo de interesse. Dessa maneira, pesquisas têm sido realizadas para entregar aos consumidores gelos mais transparentes, visivelmente mais atrativos, além de atender às crescentes demandas de consumo. Neste cenário, o objetivo deste trabalho é compreender e quantificar, tanto de forma individual como combinada, os fatores que afetam a qualidade (grau de transparência) do gelo produzido em condições típicas de aplicação dos refrigeradores domésticos. Para tanto, uma revisão da literatura com foco na identificação de tais parâmetros foi realizada, destacando-se a velocidade de congelamento, a concentração de ar na água, o grau de super-resfriamento e a agitação da água durante a solidificação. Desta forma, uma bancada experimental capaz de produzir gelo a partir de diferentes concentrações iniciais de ar na água e diferentes condições de contorno foi projetada e construída. Dentre as condições de contorno estão o grau de agitação da água e a temperatura (-12ºC, -8ºC e -4ºC) ou fluxo de calor (1700W/m², 1300W/m² e 650W/m²) prescritos na base. Adicionalmente, uma metodologia experimental para avaliar de forma quantitativa o grau de transparência do gelo produzido foi desenvolvida através de técnicas de tratamento de imagem com a finalidade de encontrar a melhor relação de compromisso entre a taxa de produção e a qualidade do gelo. Os resultados obtidos confirmaram que o nível de agitação da água, baixas concentrações de ar dissolvido, lentos avanços da frente de congelamento e menores graus de super-resfriamento são fatores favoráveis para produzir gelo com grau de transparência equivalente a 75% da área superficial, ou 7,5 na escala normalizada (de 0 a 10) proposta. A correlação dos dados experimentais mostrou que as condições de operação com as melhores relações de compromisso entre produção diária e qualidade (ou grau de transparência) necessariamente deve fazer uso da agitação da água. Além disso, algumas estratégias para melhorar a qualidade foram propostas, sendo uma amostra de gelo com grau de transparência de 8,8 o melhor resultado.

Abstract: The production of ice, both for domestic and commercial applications, has been present in the market since the early days of the refrigeration industry. In this regard, increasing daily productivity has been pursued by companies. However, the demand for increasingly sophisticated products has made the quality of the produced ice a target of interest as well. Thus, research has been conducted to deliver to consumers ice that is more transparent, visually more attractive, and capable of meeting growing consumption demands. In this scenario, the objective of this study is to understand and quantify, both individually and collectively, the factors that affect the quality (degree of transparency) of ice produced under typical conditions of domestic refrigerators' applications. To this end, a literature review focusing on identifying such parameters was conducted, with emphasis on freezing speed, air concentration in the water, degree of supercooling, and water agitation during solidification. Therefore, an experimental setup capable of producing ice from different initial concentrations of air in the water and different boundary conditions was designed and built. Among the boundary conditions are the degree of water agitation and the prescribed temperature (-12°C, -8°C, and -4°C) or heat flux (1700W/m², 1300W/m², and 650W/m²) at the base. Additionally, an experimental methodology for quantitatively evaluating the degree of transparency of the produced ice was developed using image processing techniques to find the best compromise between production rate and ice quality. The results confirmed that the level of water agitation, low concentrations of dissolved air, slow progress of the freezing front, and lower degrees of supercooling are favorable factors for producing ice with a transparency degree equivalent to 75% of the surface area or 7.5 on the proposed normalized scale (ranging from 0 to 10). The correlation of the experimental data showed that operating conditions with the best trade-off between daily production and quality (or degree of transparency) necessarily need to utilize water agitation. Furthermore, some strategies for improving quality were proposed, with a sample of ice achieving a transparency degree of 8.8 being the best result.