Um estudo experimental dos efeitos da agitação e pressão no congelamento unidirecional da água

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto e a construção de uma bancada experimental desenvolvida para a produção de gelo transparente, com o objetivo de investigar variáveis operacionais que influenciam sua transparência, sob condições de congelamento unidirecional. A motivação do estudo decorre do crescente interesse comercial por gelos com alta qualidade visual, especialmente em setores como a indústria de bebidas, o que demanda processos eficientes que conciliem produtividade e aspecto visual. A bancada experimental permite a medição e o controle precisos do (i) fluxo de calor entre 1000 W/m² e 400 W/m², por meio de transdutores de fluxo de calor na base da forma de água/gelo, da (ii) pressão na superfície, via um sistema de redução de pressão, e da (iii) agitação mecânica da água, utilizando um sistema de agitação magnética. Uma metodologia experimental padronizada foi desenvolvida de forma a possibilitar a produção de gelo unidirecionalmente sob diferentes velocidades de congelamento, níveis de agitação inicial e pressões superficiais. Os resultados indicaram que uma melhor qualidade visual do gelo é atingida com a redução da taxa de solidificação e a manutenção de pressões superficiais mais baixas, em torno de 4 kPa. Além disso, observou-se uma diminuição no consumo energético do processo entre 17,9% e 30,5% quando os ensaios foram conduzidos sob condições de baixa pressão na superfície. Tais resultados podem contribuir para o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes na produção comercial de gelo transparente.

This work presents the design and construction of an experimental bench developed to produce clear ice, aiming to investigate operational variables that influence its transparency under unidirectional freezing conditions. The motivation for the study arises from the growing commercial interest in high visual quality ice, especially in sectors such as the beverage industry, which demands efficient processes that balance productivity and visual appeal. The experimental setup enables precise measurement and control of (i) heat flux between 1000 W/m² and 400 W/m², using heat flux sensors at the base of the water/ice mold, (ii) surface pressure, through a pressure reduction system, and (iii) mechanical agitation of the water, using a magnetic stirring system. A standardized experimental methodology was developed to allow the unidirectional freezing of ice under different freezing rates, initial agitation levels, and surface pressures. The results indicated that better visual quality of the ice is achieved by reducing the solidification rate and maintaining lower surface pressures, around 4 kPa. Furthermore, a reduction in energy consumption between 17.9% and 30.5% was observed when the tests were conducted under low surface pressure conditions. These results may contribute to the development of more efficient technologies for the commercial production of clear ice.