OPERANDO COMO AR CONDICIONADO E BOMBA DE CALOR
Alunos: Felipe Martins Roballo Ferreira2 Marcelo Walter Tristão2
Felipe Portes Lanes2
Co-orientador: Sergio Libanio de Campos1
Orientador: José Alberto Reis Parise2
1Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – CEFET-RJ; Curso Técnico de
Manutenção Automotiva.
2Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio; Departamento de Engenharia
Mecânica. 1. INTRODUÇÃO
Atualmente os sistemas condicionadores de ar automotivos vêm sendo cada vez mais utilizados, não somente como item de conforto mas também como item de segurança veicular, pois, nos dias chuvosos, sua utilização impede o embaçamento interno dos vidros (fato que reduz substancialmente a visibilidade do condutor).
Para o aquecimento da cabine nos veículos convencionais utiliza-se o calor rejeitado pelo motor de combustão interna. Porém, nos locais onde o período de inverno é severo, com temperaturas abaixo de 0°C, por exemplo, o tempo necessário para o inicio do aquecimento é longo, pois, se faz necessário aguardar o tempo de abertura da válvula termostática do sistema de arrefecimento do motor, tempo este não desprezível. Nos veículos elétricos, já realidade e com previsão de crescimento de sua utilização no futuro próximo, estudos estão sendo realizados para o desenvolvimento de sistemas auxiliares incluindo o sistema de ar condicionado, responsáveis pelo fornecimento de condições de conforto da cabine de passageiros, em ambos os modos de arrefecimento e de aquecimento. Uma vez que o calor de rejeito do motor não está disponível nestes veículos, outras formas de aquecimento da cabine devem ser concebidas. A utilização do calor rejeitado pela eletrônica de potência destes veículos é insuficiente para o aquecimento da cabine nos períodos de inverno severo. A utilização de uma bomba de calor de acionamento elétrico, com COP maior que 1, é mais, energeticamente falando, eficiente do que o aquecedor elétrico atualmente utilizado, o qual, se bem projetado, apresenta um COP unitário. Uma bomba de calor de compressão de vapor automotiva possui os mesmos componentes do sistema de ar condicionado, para arrefecimento: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. A diferença entre os modos de arrefecimento e de aquecimento encontra-se no fato de uma alteração de utilização dos trocadores de calor: o trocador de calor interno (cabine de passageiros) passa a ser utilizado como condensador, rejeitando calor e o trocador de calor externo (compartimento do motor) passa agora a operar como evaporador, tendo como fonte de calor o ar externo. Um número limitado de trabalhos sobre bomba de calor automotiva pode ser encontrado na literatura. Torregrossa et al. (2013) desenvolveram uma ferramenta de simulação para a análise e otimização de sistemas condicionadores de ar para veículos elétricos. Estudaram condições operacionais nos modos de refrigeração e aquecimento. O aquecimento da cabine a partir de temperatura externa de 0°C foi simulado e estratégias de controle foram desenvolvidas. Pommé (1997) descreve duas arquiteturas de sistemas de bomba de calor destinadas ao aquecimento e resfriamento da cabine de um veículo elétrico. O documento conclui sobre a
viabilidade dos sistemas e menciona a possível capacidade de utilização do calor de rejeito das baterias. Kondor et al. (2011) apresentaram um sistema de bomba de calor para um veículo elétrico utilizando como fonte de calor o ar externo e uma válvula de três vias, para a inversão do ciclo. Uma característica distinta do seu trabalho foi a utilização de quatro trocadores de calor: no interior, um evaporador e um condensador, e, no exterior, um condensador e um evaporador. Os resultados mostram que a utilização de uma bomba de calor com o ar externo como fonte de calor pode melhorar a eficiência energética do sistema. A temperatura exterior encontrava-se na faixa de 0°C a 10°C e a operação de descongelamento foi testada para temperatura exterior de -8°C. Hosoz e Direk (2006) avaliaram o desempenho de um sistema integrado de ar condicionado e bomba de calor automotivo. O aparato foi construído a partir de componentes originais de um sistema condicionador de ar de um veiculo compacto, montado em túnel de vento aberto. Os testes foram realizados com temperatura do ar exterior de 18°C e 13°C e com temperatura interna variando entre 13°C a 30°C. Direk et al. (2011) estudaram o desempenho de um sistema de bomba de calor automotiva utilizando o R134a como refrigerante acoplado a um compartimento de passageiros real de um veículo convencional, utilizando, como fonte térmica, o ar ambiente (bomba de calor) e os calores de rejeito do líquido de arrefecimento e dos gases de escapamento do motor.
O presente trabalho pretende avaliar experimentalmente o desempenho de uma bomba de calor automotiva ar-ar, utilizando componentes originais de um veículo sedan pequeno, realizando a comparação com o desempenho do sistema de ar condicionado original. Em comparação com os resultados obtidos até agora na literatura, um intervalo de temperatura, do ambiente externo, mais amplo foi coberto (-5°C a 15°C), como também foram utilizadas câmaras climatizadas para simular as condições do ambiente externo e interno, objetivando um melhor controle das temperaturas.
Para tal foi projetado, baseado na norma SAE J2765, e montado, no Laboratório de Refrigeração, Condicionamento de Ar e Criogenia (LRAC) da PUC-Rio, um aparato experimental descrito a seguir.
2.1 Câmaras Climatizadas
O aparato experimental, montado no referido laboratório, consta de duas câmaras climatizadas, uma simulando o compartimento de passageiros dos veículos (câmara “indoor”) e a outra, o ambiente externo (câmara “outdoor”), ambas dotadas de sistema de refrigeração com capacidade de três toneladas de refrigeração (TR). As câmaras possuem as seguintes dimensões: câmara “indoor” - 3,10 m comprimento; 3,10m largura; 2,40m altura e a câmara “outdoor” -3,10m comprimento; 2,00m largura; 2,40m altura, com espessura das paredes de 100 mm. Um diagrama esquemático da montagem do aparato experimental é mostrado na Figura 1.
FIGURA 1. Diagrama ilustrativo do aparato experimental.
2.2 Túneis de Vento
Os túneis de vento são dotados, na entrada, de retificador de fluxo, grades para fixação de termopares a montante e a jusante do trocador de calor e possuem na entrada do ar as seguintes dimensões: túnel “indoor” 340 x 190 mm e “outdoor”, 500 x 300mm. O túnel de vento “outdoor” possui um ventilador do tipo “limit load”, fabricado pela TRATAR Ltda., modelo TSL550, de rotor axial com capacidade de imprimir velocidade no ar de até 70 km/h, velocidade esta a de face do ar no trocador de calor, a uma pressão de 90mca, permitindo a simulação de diversas condições reais de utilização de um veículo. No túnel de vento da câmara “indoor” encontra-se montado um ventilador do tipo axial ISROM, modelo VT1000. As velocidades dos ventiladores centrífugos, montados nos túneis de vento, são controladas por inversores de frequência. As Figuras 2(a) e 2(b) mostram esquemas dos túneis de vento “indoor” e “outdoor”, instalados nas respectivas câmaras.
(a) (b)
FIGURA 2. (a) Túnel de vento "indoor", (b) Túnel de vento "outdoor". 2.3 Bancada de Componentes
Uma bancada foi confeccionada para a montagem do compressor, motor elétrico, filtros secadores acumuladores e os transdutores de pressão. A Figura 3(a) mostra a estrutura da bancada e a Figura 3(b), mostra a bancada com os componentes instalados. Por sua vez, as Figuras 4(a) e 4(b) mostram a vista superior da bancada e as válvulas do tipo esfera de comutação do ciclo, respectivamente. O aparato experimental foi construído com componentes originais, utilizados nos sistemas condicionadores de ar automotivos dos veículos da marca Fiat, modelos, Pálio 1.0L, Sienna 1.0L e Doblô 1.3L.
(a) (b)
(a) (b)
FIGURA 4. (a) Vista superior do sistema AC & BC montado no laboratório, (b) Vista das válvulas direcionais do tipo esfera de comando manual.
Um diagrama esquemático do circuito do refrigerante (ciclo de compressão de vapor) montado no aparato experimental é mostrado na Figura 5.
Condensador a Ar Evaporador a Ar Compressor Check Valve TXV Check Valve Check Valve Filtro/Secador Filtro/Secador Check Valve TXV Ar Condicionado Bomba de Calor P1 T1 P2 T2 P3 T3 P4 T4 T6 P6 T5 P5 T7 T8
FIGURA 5. Diagrama do sistema ar de condicionado e bomba de calor montado no laboratório.
2.3.1 Compressor
O compressor do tipo voluta, ou “scroll”, fabricado pela DENSO Japão, com volume deslocado de 60 cc, mostrado na Figura 6, é acionado por um motor elétrico, trifásico, com potência de 7 HP, por meio de polias e correia multi-v que transmite o torque do motor para a polia do compressor. A velocidade do motor elétrico de acionamento do compressor é controlada por um inversor de frequência. Os compressores automotivos são dotados de um sistema de embreagem eletromagnética, contendo uma bobina eletromagnética de 12 V, que permite o acoplamento e o desacoplamento da árvore do compressor com a polia movida, mesmo quando o motor do veículo está em funcionamento.
FIGURA 6. Vista do compressor do sistema AC & BC montado no laboratório.
2.3.2 Condensador
O condensador utilizado é do tipo micro canal e aletas, utilizado nos veículos já citados, e encontra-se montado no túnel de vento da câmara “outdoor”, que são mostrados nas Figuras 7(a) e 7(b). O condensador utilizado no aparato experimental possui quatro circuitos conforme é mostrado nas Figuras 8(a) e 8(b).
(a) (b)
FIGURA 7. (a) Vista da montagem no túnel de vento outdoor e (b) Vista do condensador.
(a) (b)
FIGURA 8. (a) Circuitos do condensador utilizado; (b) Vista dos tubos planos e micro canais do condensador.
2.3.3 Dispositivos de Expansão
O aparato experimental possui duas válvulas de expansão termostáticas em bloco, utilizadas nos sistemas condicionadores de ar dos veículos já citados, mostrada na Figura 9. Uma operando no modo de ar condicionado e a outra, no modo de bomba de calor. A montagem das referidas válvulas, no ciclo, é mostrada nas Figuras 10(a) e 10(b).
FIGURA 9. Válvula de expansão termostática do tipo bloco.
(a) (b)
FIGURA 10. (a) Instalação da válvula TXV e “Check Valve” na câmara indoor e (b) Instalação da válvula TXV e “Check Valve” na câmara “outdoor”.
2.3.4 Evaporador
Um evaporador do tipo chapa brasada e aletas, original do veículo Pálio 1.0L, encontra-se montado no interior do túnel de vento “indoor”, conforme mostram a Figuras 11 (a), 11(b) e 11(c). Nas Figuras 11 (b) e 11(c) têm-se as vistas em corte do evaporador, podendo ser visualizados seus circuitos.
(a) (b) (c)
FIGURA 11. (a) Vista do evaporador automotivo instalado no túnel de vento “indoor”. (b) circuito de entrada do refrigerante, (c) Circuito de saída do refrigerante.
2.3.5 Filtros Acumulador Secador
O aparato experimental, como já mencionado, possui dois filtros do tipo acumulador-secador montados na linha de líquido, um para o modo de operação AC e o outro para o modo de operação BC, bem como duas válvulas unidirecionais, tipo “check valves”, que selecionam a utilização dos filtros dependendo do modo de operação, conforme mostrado na Figura 12.
FIGURA 12. Vista dos filtros na linha de líquido e suas “check valves”.
Para medir as grandezas de interesse no aparato experimental foi utilizada a instrumentação descrita a seguir.
2.4.1 Medidas de Pressão
Para as medidas de pressão do refrigerante em seis pontos de interesse, no ciclo, foram utilizados transdutores de pressão de sinal analógico da marca WIKA, modelo S-10 com as seguintes características: i) alimentação de 24V DC; ii) Sinal de saída de 4 a 20 mA, 2 fios; iii) Faixa de pressão 0 a 300 Psi; iv) Precisão < 0,25% do span e não repetitividade < 0,1% do span.
Os pontos de tomadas de pressão são mostrados na Figura 5.
2.4.2 Medidas de Temperatura
Para as medidas de temperaturas do refrigerante nos pontos de interesse no ciclo, foram utilizados termopares do tipo T com incerteza de medição de 0,06 °C, calibrados no Laboratório de Temperatura e Pressão da PUC-Rio.
Para o lado do refrigerante foram utilizados seis termopares com haste para instalação em poço, também seguindo a mesma nomenclatura e posição física adotada para os transdutores de pressão. Para o lado do ar, trinta e nove termopares foram instalados nos pontos de interesse que seguem: no túnel de vento “indoor”, nove termopares foram instalados na grade de termopares à jusante e nove termopares na grade à montante do trocador de calor. Para o túnel de vento “outdoor”, nove termopares foram instalados na grade de termopares à montante e nove à jusante do trocador de calor, totalizando trinta e seis termopares para o ar no interior dos túneis de vento. Esta configuração permite inferir as temperaturas do ar à jusante nas três zonas do condensador, dessuperaquecimento, condensação e subresfriamento, bem como nas duas zonas do evaporador, evaporação e superaquecimento. O arranjo citado pode ser visualizado nas Figuras. 13 e 14. As temperaturas das cabines, “indoor” e “outdoor” e a temperatura da câmara de alojamento do compressor são medidas por um termopar do tipo T em cada local.
FIGURA 13. Grades de termopares do túnel “indoor”.
FIGURA 14. Grade de termopares do túnel “outdoor”.
2.4.3 Medidas dos Escoamentos de Ar
Para as medidas de vazão de ar nos túneis de vento foi adotado o método de medição da velocidade de face do ar na entrada dos túneis de vento. Para este método foi utilizado um termo-anemômetro digital da marca Minipa, modelo MDA-11, precisão a 23°C +/- 5°C, RH < 80%, mostrado na Figura 15.
FIGURA 15. Anemômetro utilizado para medir as velocidades de face do ar na entrada dos túneis de vento.
2.4.4 Peso do Condensado no Evaporador
Para quantificar o volume da água condensada no evaporador foi construída uma balança, utilizando uma célula de carga modelo SP4M10, atuada por um “Strain Gage” ligada em ponte de Windstone completa, fabricada pala HBM, GmbH, com classe de precisão C3MR, capacidade máxima de carga de 10 kg, intervalo mínimo de 1g, sensibilidade (Cn) 2,0 +/- 10 % (mV/V).
A balança foi calibrada no laboratório, utilizando para tal, massas calibradas e certificadas, fabricadas pela Fluck, do laboratório de Pressão e Temperatura da PUC-Rio, gerando a equação de calibração mostrada pela equação I.
0, 226664* 0, 473497
ap
m ValorLido (I)
onde m é a massa ajustada ou massa aparente. ap
2.4.5 Medida da Umidade Relativa do Ar
Para as medidas das umidades relativas nas câmaras “indoor”, “outdoor”, no interior dos túneis de vento a montante e a jusante dos trocadores de calor também foram medidas as umidades relativas, utilizando para tal, termo-higrômetros digitais, nos pontos de interesse, aferidos por um termo-higrômetro calibrado pelo INMETRO.
2.5 Quadro Elétrico de Comando
O quadro de comando elétrico do aparato experimental é mostrado na Figura 16, (a) e (b). Foi projetado e construído para permitir o acionamento dos motores elétricos do compressor, do ventilador do túnel de vento “outdoor”, do ventilador do túnel de vento “indoor”, da embreagem eletromagnética do compressor e do umidificador de ambiente. Na Figura 16 (b) pode ser visualizado o sistema de aquisição de dados cDAQ, fabricado pela “National Instruments”, utilizado neste trabalho.
(a) (b)
FIGURA 16. (a) Vista das chaves de comando; (b) Vista dos componentes no interior do painel.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os testes, no modo ar condicionado, foram realizados em parte seguindo a norma SAE J2765. O aparato construído foi projetadoa partir de alguns dados experimentais obtidos em um veículo de porte médio.
Os testes, no modo bomba de calor, pela ausência de normas específicas, foram realizados seguindo o procedimento que segue: i) testes em regime permanente e transiente simulando o equipamento renovando o ar do ambiente interno; ii) testes nos regimes citados, simulando a recirculação do ar interno.
Os ensaios seguiram as sequências já mencionadas por um período de tempo de trinta minutos para cada tipo de teste. Os dados aquisitados pelo sistema foram exportados para planilhas do aplicativo Excel onde foram construídos gráficos da variação dos valores das variáveis contra o tempo do ensaio. Como exemplo da metodologia utilizada para o tratamento dos dados, uma das
tabelas, dos testes realizados com o sistema operando no modo ar condicionado e outra no modo bomba de calor, é mostrada nas Figuras 17 e 18, respectivamente.
FIGURA 17. Sistema operando como ar condicionado
FIGURA 18. Sistema operando no modo BC.
0 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000 2500 Pr e ssão (Psi g) Tempo (s)
Pressão x Tempo
P1 P2 P4 P5 P3 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 1200 Pr e ssão (Psi g) Tempo (s)Pressão x Tempo
P1 P2 P4 P5 P3
4. AQUISIÇÃO E REDUÇÃO DE DADOS
Conforme mostrado na figura 5, os pontos de pressão medidos foram: P1 – Pressão na sucção do compressor; P2 – Pressão na descarga do compressor; P3 – Pressão na entrada do condensador, modo AC e saída do evaporador, modo BC; P4 – Pressão na saída do condensador, modo AC e entrada do evaporador, modo BC; P5 – Pressão na entrada do evaporador, modo AC e saída do condensador, modo BC; P6 – Pressão na saída do evaporador no modo AC e entrada do condensador, no modo BC.
Para as temperaturas do refrigerante foi seguido o mesmo critério. Os pontos do ciclo que possuem tomadas de pressão também possuem pontos de tomadas de temperatura.
Para cada uma das correntes de ar, "indoor" e "outdoor", foram tomadas as seguintes medidas: velocidade de face na entrada do duto, pressão atmosférica, temperatura e umidade relativa na respectiva câmara, pressão, temperatura e umidade relativa à montante e à jusante do trocador de calor. Como já explicado anteriormente, a temperatura à jusante do trocador de calor era tomada a partir da média das temperaturas em nove pontos distribuídas no mesmo plano.
Para o compressor, tomava-se a velocidade angular, corrente e tensão no motor elétrico de acionamento, assim como a temperatura do volume de controle do compartimento do compressor. Para a redução dos dados medidos no aparato experimental, foi utilizado o aplicativo EES e uma nova nomenclatura própria para este fim, das grandezas medidas, foi criada. Para tal foram utilizadas as equações fundamentais da termodinâmica e de transferência de calor. Os resultados serão mostrados no capítulo que segue.
5. RESULTADOS
Neste itemo serão apresentados os resultados em forma gráfica
A análise dos dados de operação no modo bomba de calor, isto é, baixas temperaturas externas e ciclo de compressão de vapor aquecendo o ar recirculante da cabine é apresentada a seguir. A Figura 18(a) mostra a variação da taxa de calor cedida pelo sistema ao ambiente interno, ou seja, à cabine de passageiros de um veículo, em função davelocidade angular do compressor, quando o sistema operou como bomba de calor e a Figura 18(b) mostra a taxa de calor retirado do ambiente interno vs. rotação do compressor, quando o sistema operou no modo ar condicionado. Na Figura 19 pode ser observada a variação do COP elétrico, calculado a partir do consumo de potência do motor elétrico de acionamento do compressor, contra a variação da rotação do compressor com o sistema operando como bomba de calor. De qualquer forma, a Figura 19 mostra que o COPele é sempre superior à unidade, mostrando que mais energia térmica é fornecida para o aquecimento da cabine do que energia elétrica é consumida. A alternativa para o aquecimento da cabine de um veículo elétrico, esgotada a recuperação do calor de rejeito do circuito da eletrônica de potência, seria um aquecedor elétrico convencional, com COP não maior do que 1.
(a) (b)
FIGURA 18. Variação da taxa de transferência de calor de ou para a cabine de passageiros vs. a velocidade angular do compressor e temperatura do ambiente externo, (a) modo bomba de calor, (b)
modo ar condicionado.
FIGURA 19. Variação do COP elet.(de aquecimento) vs. rotação do compressor e temperatura do ambiente externo.
O COP maior do que 1 é resultado do fato de a bomba de calor ter capacidade de remover calor da fonte fria, isto é, do meio ambiente externo.
A Figura 20 mostra a temperatura do ar de insuflamento no modo bomba de calor, isto é, do ar aquecido fornecido à cabine, em função da temperatura externa e da velocidade angular do compressor. Os valores de temperatura encontrados, entre 25oC e 45oC, aproximadamente,
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ncp [rpm] Qin d o o r [k W ] 0oC 0oC 5oC 5oC 10oC 10oC Toutdoor 1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 Ncp [rpm] Qin d o o r [k W ] 45oC 45oC Toutdoor 40oC 40oC 35oC 35oC 30oC 30oC 5000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 2 4 6 Ncp [rpm] C O Pe le [-] 0oC 0oC 5oC 5oC 10oC 10oC Toutdoor
mostram-se adequados para o aquecimento de um ambiente a 20oC. A Figura 21 mostra outra evidência de que a bomba de calor operou satisfatoriamente, observando-se que a temperatura do ar de saída do evaporador se mantem abaixo da temperatura do ambiente externo.
FIGURA 20.Variação da temperatura de insuflamento, vs. velocidade angular do compressor e temperatura do ambiente externo.
FIGURA 21. Variação da temperatura do ar na saída do evaporador, vs. velocidade angular do compressor e temperatura do ambiente externo.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 10 20 30 40 50 60 Ncp [rpm] T e m p e ra tu ra d o a r d e i n s u fl a m e n to [ o C ] 0oC 0oC Toutdoor 5oC 5oC 10oC 10oC 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -10 0 10 20 30 Ncp [rpm] T e m p . d o a r d e s a íd a d o e v a p o ra d o r [ o C ] 0oC 0oC Toutdoor 5oC 5oC 10oC 10oC
6. CONCLUSÃO
São as seguintes as principais conclusões do presente trabalho:
O sistema demonstrou funcionar como desejado, tanto para o modo de ar condicionado (refrigeração da cabine) como para o modo de bomba de calor (aquecimento), para uma ampla faixa de condições externas (30oC a 45oC, para ar condicionado, e 0oC a 10oC, para aquecimento);
A capacidade térmica da bomba de calor decresce à medida que a temperatura externa cai, isto é, quanto mais se precisar de aquecimento;
A capacidade térmica do ciclo, frio ou aquecimento, cresce com a velocidade angular do compressor, e esta pode tornar-se uma efetiva variável de controle da capacidade do sistema;
O coeficiente de desempenho da bomba de calor manteve-se, ao longo de toda a faixa de operação, superior à unidade, mostrando sua superioridade, do ponto de vista energético, sobre a resistência elétrica convencional;
REFERÊNCIAS
BÁRBARA TORREGROSSA-JAIME; JORGE PAYÁ; JOSE CORBERAN; Design of Efficient Air-Conditioning Systems for Electric Vehicles, SAE 2013-01-0864.
M. DIREK; M. HOSOZ; K.S. YIGIT; M. CANAKC; A. TURKCAN; E. ALPTEKIN; A. SANLI; A.F. OZGUC; Experimental Performance of R134a Automotive Heat Pump Coupled to the Passenger Compartment, World Renewable Energy Congress 2011 – Sweden 8-13 May 2011, Linköping, Sweden.
M. HOSOZ; M. DIREK; Performance Evaluation of an Integrated Automotive Air Conditioning and Heat Pump, Energy Conversion and Management 47 (2006) 545–559.
VICENTE POMMÉ; Reversible Heat Pump System for an Electrical Vehicle, Valeo Thermal System, SAE 971772, 2012.
AGRADECIMENTOS
