ar condicionado automobilistico

8/14/2019 ar condicionado automobilistico

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DANILO CARREIRA ITAO

ESTUDO DE UM SISTEMA ALTERNATIVO DE

AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO BASEADO

NA APLICAO DE TUBOS DE VRTICE UTILIZANDO

O CONCEITO DE REGENERAO ENERGTICA

Trabalho de Concluso de Curso Apresentado

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo,

para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

Automotiva

So Paulo2005


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DANILO CARREIRA ITAO

ESTUDO DE UM SISTEMA ALTERNATIVO DE

AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO BASEADO

NA APLICAO DE TUBOS DE VRTICE UTILIZANDO

O CONCEITO DE REGENERAO ENERGTICA

Trabalho de Concluso de curso Apresentado

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo,

para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia

Automotiva (Mestrado Profissionalizante)

rea de Concentrao: Engenharia Automotiva

Orientador: Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr.

So Paulo2005


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Faa apenas uma vez o que os outros disseram que nunca poderia ser feito, e voc nunca

mais ir prestar ateno s limitaes deles.

Capt. James Cook (1728 1779)


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RESUMO

ITAO, D. C. Estudo de um Sistema Alternativo de Ar Condicionado Automotivo baseado naaplicao de Tubos de Vrtice utilizando o conceito de Regenerao Energtica. 2005. 113 p.Trabalho de Concluso de Curso (Mestrado Profissionalizante) Escola Politcnica,Universidade de So Paulo, So Paulo, 2005.

Os sistemas de ar condicionado automotivos sempre se utilizaram do conceito de operao dociclo termodinmico por compresso de vapor, sendo necessrio para isso componentesbsicos tais como fludo refrigerante, trocadores de calor e compressor. Apesar de diversasdcadas de pesquisa e desenvolvimento desse sistema, algumas dificuldades aindapermanecem nos dias de hoje. Dessa forma, a investigao de outros mecanismos derefrigerao, que possam ser aplicados em sistemas automotivos de ar condicionado, bemvinda. Uma dessas possibilidades a aplicao dos tubos de vrtices, utilizados atualmentepara fins industriais. Os tubos de vrtices so dispositivos que operam atravs da introduode um fluxo de ar comprimido, sendo que ele possibilita a diviso deste fluxo em duasparcelas: um fluxo de alta temperatura e um fluxo de baixa temperatura. Tal dispositivoapresenta vantagens tais como a no necessidade da utilizao de trocadores de calor e defludos refrigerantes. Desta forma, ele possibilita uma maior flexibilidade de posicionamentode sadas de ar em pontos do habitculo do veculo os quais no so permitidos atualmente. Aalimentao do tubo de vrtices se d exclusivamente com fluxo de ar comprimido, que pode

ser armazenado para consumo conforme necessidade. Adicionalmente, devido a estacaracterstica, surge a possibilidade de executar o reaproveitamento de energia cintica, queno processo de frenagem dissipada ao ambiente. O reaproveitamento energtico pode serefetuado atravs do redirecionamento dessa energia cintica para o compressor de ar. Baseadonessa possibilidade, foram inicialmente obtidos os dados de operao de um sistema de arcondicionado convencional, alm do potencial de regenerao energtica, sendo estes dadosobtidos atravs de publicaes tcnicas e clculos tericos. Estabeleceu-se uma proposta deconfigurao dos componentes, assim como modos de operao do sistema. Posteriormenteseguiu-se com uma pr-seleo dos componentes que influem diretamente na viabilidade dosistema. Os resultados mostraram a dificuldade de implementao dessa filosofia de sistemapara veculos leves (automveis de passeio), mostrando maior viabilidade para veculos

comerciais de grande porte (tais como caminhes), principalmente aqueles dotados de sistemapneumtico para a operao dos freios a ar e suspenso pneumtica.

Palavras-Chave: Tubos de vrtice, ar condicionado, veculos automotores, regeneraoenergtica, frenagem.


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ABSTRACT

ITAO, D. C. Study of an alternative automotive air conditioning system with the applicationof Vortex Tubes utilizing the concept of energetic regeneration. 2005. 113 p. ConclusionCourse Work (Master) Escola Politcnica, Universidade de So Paulo, So Paulo, 2005.

Automotive air conditioning systems have always utilized the thermodynamic vapor-compression cycle concept, with the necessity of some basic components as refrigerant fluid,heat exchangers and compressor. Although research and development of these systems havebeen made along many decades, some difficulties still remain nowadays. Then, theinvestigation of other mechanisms of refrigeration that could be applied to automotive airconditioning systems are welcome. One of these possibilities is the application of the VortexTubes, utilized nowadays for industrial applications. Vortex Tubes are devices that work withthe introduction of an air compressed flow. These devices enable the division of the inlet flowin two flow fractions: one high and one low temperature flow. The application of thesedevices brings advantages, as an example no necessity of heat exchangers and refrigerantfluids. Then it enables a higher flexibility in the positioning of air outlets in some cabinposition, that are not possible nowadays. The feeding of vortex tubes occurs only withcompressed air flow, which can be stored for consumption when necessary. In addition,because of this characteristic, there is the possibility of the kinetic energy reutilizing, that isdissiped to the environment in the braking process currently. This possibility of energetic

reutilizing can be made through the transfer of this kinetic energy to the air compressor.Based on this possibility, it was obtained data about the operation of a conventional airconditioning system, besides the energetic regeneration potential data. These data wereobtained through technical publications and theoretical calculations. It was established aconfiguration proposal for the components, as well as the system operation modes. Later, itwas made a first selection of the components that have direct influence in the system viability.The results showed the difficulties in the application of this philosophy for light vehicles(passenger cars) with more viability for commercial vehicles use (for example trucks), mainlythose vehicles that are equiped with a pneumatic system to the air brakes and air suspension.

Keywords: vortex tubes, air conditioning, motor vehicles, energetic regeneration, braking.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1. Esquema simplificado de sistema de ar condicionado automotivo ..........................20

Figura 2. Exemplo de tubo de vrtices.....................................................................................21

Figura 3. Exemplo de tubo de vrtices configurao contra-fluxo ..........................................24

Figura 4. Exemplo de tubo de vrtices configurao unifluxo ................................................25

Figura 5. Tubo de vrtices utilizado por Hilsch .......................................................................26

Figura 6. Temperatura e presso nos fluxos de sada em funo da vazo em massado fluxo de ar frio em relao em vazo em massa de entrada .............................................27

Figura 7. Relao de similaridade comparada com dados experimentais do ar, Helioe oxignio .................................................................................................................................30

Figura 8. Representao das linhas de fluxo dentro do tubo de vrtices..................................31

Figura 9. Eficincia em funo da relao dimetro / comprimento........................................33

Figura 10. Variao de temperatura do fluxo de ar frio em funo do dimetro adimen-sional do orifcio central de sada do fluxo de ar frio ............................................................. 34

Figura 11. Eficincia em funo do dimetro adimensional do orifcio central de sadado fluxo de ar frio .................................................................................................................... 34

Figura 12. Variao de temperatura do fluxo de ar frio em funo da frao de fluxo dede ar frio para as configuraes de 3 e 4 entradas. .................................................................. 34

Figura 13. Eficincia em funo da frao de fluxo de ar frio para as configuraes de

3 e 4 entradas ........................................................................................................................... 34

Figura 14. Variao de temperatura do fluxo de ar frio em funo da frao de fluxode ar frio para diversas presses de entrada............................................................................. 35

Figura 15 Eficincia em funo da frao de fluxo de ar frio para diversas presses deentrada...................................................................................................................................... 35

Figura 16. Variao de temperatura do fluxo de ar frio em funo da presso de entrada ......35

Figura 17. Eficincia em funo da presso de entrada ...........................................................35

Figura 18. Ciclo de refrigerao Brayton .................................................................................37


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Figura 19. Ciclo de refrigerao Carnot ...................................................................................37

Figura 20. Ciclo de refrigerao por compresso de vapor .....................................................40

Figura 21. Componentes de um sistema de ar condicionado automotivo (utilizandovlvula de expanso) ................................................................................................................42

Figura 22. Compressor de pistes axiais tipo wobbleplate ..................................................43

Figura 23: Condensador de um sistema de ar condicionado convencional .............................45

Figura 24. Vlvula de expanso ...............................................................................................46

Figura 25. Tubo de orifcio ......................................................................................................46

Figura 26. Evaporador tipo placas............................................................................................48

Figura 27. Sistema de desumidificao ....................................................................................53

Figura 28. Carta Psicromtrica .................................................................................................54

Figura 29. Exemplo de um sistema de distribuio de ar complexo de um veculoMaybach 57/62 .........................................................................................................................56

Figura 30. Sistema de frenagem regenerativo Toyota THS II ...............................................59

Figura 31. Sistema de frenagem regenerativo-dissipativo .......................................................59

Figura 32. Variao de temperatura do fluxo frio em funo da frao de fluxo frio .............66

Figura 33. Relao entre variao de temperatura parcial do fluxo frio e a variaomxima de temperatura do fluxo frio versus a frao de fluxo frio .........................................67

Figura 34. Disco de freio de alta performance .........................................................................70

Figura 35. Coeficientes de resistncia ao rolamento ................................................................73

Figura 36. Grfico da variao de velocidade e montante parcial de energia lquidadisponvel em funo do tempo (ciclo de conduo conforme NBR 6601 para veculosde passeio) ............................................................................................................................... 75

Figura 37. Grfico da variao de velocidade e evoluo da energia lquida acumuladadisponvel em funo do tempo (ciclo de conduo conforme NBR 6601 para veculosde passeio) ................................................................................................................................76

Figura 38. Grfico da variao de velocidade / evoluo da energia lquida acumuladadisponvel em funo do tempo (desacelerao linear 40km/h 0km/h para veculo de

passeio) .....................................................................................................................................76


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Figura 39. Grfico da variao de velocidade / evoluo da energia lquida acumuladadisponvel em funo do tempo (desacelerao linear 40km/h 0km/h para veculoscomerciais sem reboque) .........................................................................................................77

Figura 40. Grfico da variao de velocidade / evoluo da energia lquida acumuladadisponvel em funo do tempo (desacelerao linear 40km/h 0km/h para veculoscomerciais com reboque) .........................................................................................................77

Figura 41. Esquema bsico dos componentes para operao de um sistema de tubo devrtices......................................................................................................................................79

Figura 42. Proposta de sistema de ar condicionado com a aplicao de tubos de vrtices .....81

Figura 43. Proposta de sistema de ar condicionado com a aplicao de tubos de vrticese regenerao energtica ..........................................................................................................81

Figura 44. Fluxograma dos modos de operao do sistema de ar condicionado comaplicao de tubos de vrtices e regenerao energtica .........................................................82

Figura 45. Proposta de sistema de ar condicionado com a aplicao de tubos de vrticese regenerao energtica (representao dos sensores) ...........................................................83

Figura 46. Variao de temperatura em funo da frao de fluxo de ar Frio .........................87

Figura 47. Aplicao do tipo de compressor conforme presso de descarga e capacidade deadmisso ...................................................................................................................................92


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores timos de Aentrada, AOrificio e L / D para mxima variao de temperaturado fluxo de ar frio ....................................................................................................................28

Tabela 2 Dados de operao de sistema de ar condicionado ................................................65

Tabela 3 - Dimenses principais do tubo de vrtices..............................................................66

Tabela 4 Modelos de tubos de vrtices EXAIR ................................................................68

Tabela 5 Queda de temperatura do fluxo de ar frio em funo da frao de fluxo frioem tubos de vrtices EXAIR ...............................................................................................68

Tabela 6 Acrscimo de temperatura do fluxo de ar quente em funo da frao de fluxode ar frio em tubos de vrtices EXAIR ................................................................................69

Tabela 7 Vazes necessrias para diversas presses de operao dos tubos de vrtices.......87

Tabela 8 Anlise da potncia de compresso necessria para diversas condies deoperao ...................................................................................................................................88

Tabela 9 Tempo de descarga em funo do volume do reservatrio para diversaspresses ....................................................................................................................................90

Tabela 10 Potncia necessria em funo da presso de operao .......................................93

Tabela 11 Potencial de regenerao versus potncia mxima necessria para compresso..94


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

EVOP Metodologia das Operaes Revolucionrias

V.C. Volume de Controle

SAE Sociedade de Engenheiros da Mobilidade

CFC Clorofluorcarbono

HCFC Hidroclorofluorcarbono

GWP Potencial de aquecimento global

ASHRAE Associao americana de engenheiros de aquecimento, refrigerao e arcondicionado

TR Tonelada de Refrigerao


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LISTA DE SMBOLOS

T Temperatura

yc Frao do fluxo de ar frio (relao entre a vazo em massa de ar frio e a vazoem massa de entrada)

de Dimetro do orifcio de entrada de ar

Aentrada rea da seo transversal do orifcio de entrada em relao rea da seo dotubo

Aorificio rea da seo transversal do orifcio central do fluxo de sada de ar frio emrelao rea da seo do tubo

X Queda de presso

p0 Presso do fluxo de ar de entrada

pfrio Presso do fluxo de ar frio

L Comprimento do tubo de sada do fluxo do ar quente

D Dimetro do tubo de sada do fluxo do ar quente

dc* Dimetro adimensional do orificio central do fluxo de sada de ar frio

dc Dimetro do orificio central do fluxo de sada de ar frio

Eficincia

Tc Variao de temperatura do fluxo de ar frio

TH Temperatura do reservatrio quente

TL Temperatura do reservatrio frio

Q& Fluxo de calor

W& Fluxo de Trabalho

m& Vazo em massa

h Entalpia especfica


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v Velocidade

g Acelerao da gravidade

Z Cota de altitude

Coeficiente de eficcia do ciclo de refrigerao

Umidade relativa

Umidade absoluta

am& Vazo em massa de ar

wm& Vazo em massa da gua condensada

Tw Temperatura da gua condensada

ha Entalpia especfica do ar

hv Entalpia especfica do vapor

hw Entalpia especfica da gua condensada

f Fora resistiva

Mt Torque

KE Variao de energia cintica

PE Variao de energia potencial

U Variao de energia interna

Q Calor

W Trabalho

m Massa

ppneus Presso dos pneus

RR Resistncia ao rolamento

Ra Resistncia aerodinmica

R Resistncia inclinao do piso

RE Resistncia ao engrenamento


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s Espao percorrido

fr Coeficiente global de resistncia ao rolamento

fs Coeficiente bsico de resistncia ao rolamento

f0 Coeficiente de velocidade da resistncia ao rolamento

Densidade do ar

Cd Coeficiente de arrasto aerodinmico

Af rea frontal projetada do veculo

ngulo de inclinao do piso

Eliq Energia lquida disponvel para regenerao

reqV& Vazo volumtrica de entrada de ar requerida

reqm& Vazo mssica de entrada de ar requerida

k Razo de calor especfico

p1 Presso de entrada do compressor

p2 Presso de sada do compressor

rp Razo de presses

t Tempo de descarga

Vreserv Volume total do reservatrio

pmin Presso mnima do reservatrio

pmax Presso mxima do reservatrio

patm Presso atmosfrica


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SUMRIO

1 INTRODUO ...................................................................................................................17

2 REVISO DE LITERATURA ..........................................................................................23

2.1 TUBOS DE VRTICES .................................................................................................23

2.1.1 INTRODUO ........................................................................................................23

2.1.2 ESTADO DA ARTE .................................................................................................25

2.2 SISTEMAS CONVENCIONAIS DE AR CONDICIONADO VEICULAR .................36

2.2.1 INTRODUO ........................................................................................................36

2.2.2 SISTEMA DE REFRIGERAO ...........................................................................37

2.2.2.1 CICLOS DE REFRIGERAO .......................................................................37

2.2.2.2 TERMODINMICA E DESEMPENHO DO CICLO POR COMPRESSO

DE VAPOR ........................................................................................................40

2.2.2.3 COMPONENTES DO SISTEMA DE AR CONDICIONADOAUTOMOTIVO .................................................................................................41

2.2.2.3.1 COMPRESSOR ..........................................................................................42

2.2.2.3.2 CONDENSADOR ......................................................................................44

2.2.2.3.3 DISPOSITIVO DE EXPANSO ...............................................................45

2.2.2.3.4 EVAPORADOR .........................................................................................47

2.2.2.3.5 FLUDO REFRIGERANTE .......................................................................48

2.2.2.3.6 RESERVATRIO DE LQUIDO ..............................................................50

2.2.2.3.7. INTERRUPTOR DE ALTA E BAIXA PRESSO ..................................50

2.2.2.3.8. SENSOR DE TEMPERATURA (TERMOSTATO) .................................51

2.2.3 SISTEMA DE AQUECIMENTO .............................................................................51

2.2.4 SISTEMA DE DESUMIDIFICAO .....................................................................52


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2.2.5 CAIXA DE DISTRIBUIO DE AR ......................................................................55

2.2.6 MODOS DE OPERAO DO SISTEMA DE AR CONDICIONADO .................56

2.3 SISTEMAS REGENERATIVOS DE FRENAGEM ......................................................57

2.3.1 INTRODUO ........................................................................................................57

2.3.2 SISTEMAS DE FRENAGEM REGENERATIVOS ELTRICOS .........................58

2.3.3 SISTEMA DE FRENAGEM REGENERATIVO-DISSIPATIVOHIDROPNEUMTICO ...........................................................................................59

3 MATERIAIS E MTODOS ..............................................................................................62

4 REQUISITOS DE OPERAO E BALANO ENERGTICO ..................................64

4.1 PARMETROS DE OPERAO DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADOVEICULAR CONVENCIONAL....................................................................................64

4.2 LIMITES DE APLICAO DE UM TUBO DE VRTICES.......................................66

4.3 POTENCIAL DE REGENERAO ENERGTICA NA FRENAGEM DE UMVECULO .......................................................................................................................69

4.3.1 FORMULAO DO BALANO ENERGTICO NA FRENAGEM ................... 69

4.3.2 ENERGIA DISPONVEL PARA REGENERAO ..............................................75

5 SISTEMA DE AR CONDICIONADO VEICULAR BASEADO NA APLICAODE TUBOS DE VRTICES COM REGENERAO ENERGTICA ..........................79

5.1 FILOSOFIA DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA..................................................79

5.2 SELEO DOS COMPONENTES................................................................................86

5.2.1 TUBOS DE VRTICES ...........................................................................................865.2.2 ACUMULADOR PNEUMTICO ...........................................................................89

5.2.3 COMPRESSOR DE AR ...........................................................................................92

5.3 COMPARAO DA ENERGIA NECESSRIA PARA COMPRESSO EMRELAO ENERGIA DE REGENERAO DISPONVEL...................................94

6CONCLUSES ...................................................................................................................96

REFERNCIAS BILIOGRFICAS...................................................................................100

APNDICES .........................................................................................................................105


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1 INTRODUO

A humanidade, atravs dos anos tem-se empenhado em desenvolver dispositivos que

possibilitem e facilitem sua vida. Um dos segmentos mais importantes citados por Derry e

Williams (1993), consiste no desenvolvimento dos transportes.

Derry e Williams (1993) supe que o primeiro meio de transporte utilizado pela

humanidade possa ter sido o transporte braal, h milhares de anos atrs. Nesta poca, os

indivduos do sexo masculino eram responsveis pela obteno de alimento, enquanto as

mulheres eram responsveis por preparar os alimentos e cuidar das crianas. Neste contexto,

as mulheres eram obrigadas a executar tarefas de transporte, carregando alimentos, utenslios

e as prprias crianas.

Somente milhares de anos mais tarde, a humanidade pode usufruir de outros meios de

transporte. Derry e Williams (1993) citam quatro fatos que tiveram papel importante para tal

avano: a criao da roda, que possibilitou a construo das primeiras carruagens pelos

sumrios por volta de 3500 a.C.; a criao da vela, que possibilitou o aproveitamento dos

ventos como forma de propulso martima; a construo de estradas, que tiveram papel

importante no desenvolvimento de grandes imprios, tais como o imprio egpcio e o

mesopotmico; a domesticao de animais, tais como os cavalos, dotados de velocidade e

resistncia.

Atravs dos milnios, a humanidade otimizou os meios acima citados, de acordo com

as suas necessidades, possibilitando o sucesso de seus respectivos imprios. No entanto, foi a

revoluo industrial, que marcou a introduo de novos materiais e processos de fabricao,

que por sua vez revolucionaram os meios de transporte.


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A introduo do ao, a criao das mquinas a vapor e motores de combusto interna,

a construo de ferrovias e obras de infraestrutura de transporte (pontes, tneis, estradas

estaes) foram os primeiros passos que possibilitaram o avano dos transportes terrestres at

o grau de evoluo existente hoje (DERRY; WILLIAMS, 1993).

Um dos pioneiros no desenvolvimento de veculos automotores terrestres para

transporte fora de trilhos, utilizando-se um motor de combusto interna, foi Karl Benz,

considerado o pai dos automveis. Sua criao, um triciclo que utilizava como propulso um

motor de combusto interna monocilindro, alcanava a velocidade de 13 km/h. O ano era

1885 e foi seguido pelo lanamento de um motor monocilindro de alta rotao por Gottlieb

Daimler (DERRY; WILLIAMS, 1993).

Mais importante que a criao foi a possibilidade da produo em massa de tais

dispositivos, com custos e produtividade otimizados. Foi o que fez Henry Ford,

revolucionando a manufatura e produzindo o seu Ford-T, com vendas que alcanaram

15.000.000 de unidades em 19 anos de produo (DERRY; WILLIAMS, 1993).

Com o desenvolvimento dos modos de produo em massa, a quantidade de veculos

evoluiu bruscamente. A evoluo dos sistemas virios na maior parte das grandes cidades no

acompanhou tal evoluo, resultando em congestionamentos virios qua so observados to

frequentemente e so temas de discusso atualmente.

Desta forma, o automvel tem passado de mero meio de transporte, para uma extensodo lar das pessoas, uma vez que comum um indivduo passar mais de 2 horas dirias dentro

de um automvel, nas grandes cidades. Por esse motivo, tem havido um crescente esforo no

sentido de atender aos requisitos de conforto dos ocupantes.

Estudos ergonmicos relacionados ao posicionamento dos assentos e localizao de

comandos, so exemplos de tentativas de minimizar o estresse do ocupante durante a

utilizao do automvel.


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Uma outra ramificao de estudo focada na minimizao do estresse do ocupante diz

respeito climatizao veicular, realizado convencionalmente atravs de um sistema de ar

condicionado, adaptado automveis.

Conforme menciona Kaynakli e Horuz (2003), o sistema de ar condicionado, antes

tratado como um mero opcional, presente apenas em automveis de luxo, tem se tornado item

obrigatrio no somente em veculos leves de passeio como tambm em veculos pesados de

carga. No somente o conforto otimizado, mas tambm a segurana do ocupante. Isso pode

ser explicado pelo fato de que os vidros so mantidos fechados, minimizando a ao de

ladres e minimizando tambm o estresse trmico do motorista, aumentando

consequentemente seu nvel de alerta no trnsito. Tribess (2004, p. 6.1) define o estresse

trmico como o resultado de condies microclimticas desfavorveis que requerem a

interveno do sistema termoregulador. citado ainda que, o estresse trmico pode levar

morte, se a exposio um ambiente quente ou frio for excessiva.

Em pases desenvolvidos, onde as condies socio-econmicas permitem a aquisio

de um automvel de superior grau de sofisticao, o ar condicionado na maior parte das vezes

encarado como um item de srie. No entanto, principalmente em pases em desenvolvimento

essa realidade menos frequente e o acrscimo do sistema de ar condicionado como item de

srie implica em aumento significativo do custo do veculo, s vezes inviabilizando a compra

do veculo com essas configuraes.Adicionalmente, o sistema de ar condicionado naturalmente necessita de energia para

seu funcionamento. Kaynakli e Horuz (2003), apresenta os componentes bsicos de

funcionamento de um sistema de ar condicionado automotivo, mostrado na Figura 1.


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Figura 1. Esquema simplificado de um sistema de ar condicionado automotivo (KAYNAKLI; HORUZ, 2003)

O sistema funciona conforme um ciclo de refrigerao, e por isso necessrio o

fornecimento de trabalho ao sistema. Convencionalmente, tal trabalho injetado ao sistema

atravs do compressor, que obtido atravs da transferencia de energia do motor de

combusto interna do automvel. Kaynakli e Horuz (2003) mencionam um exemplo de

consumo do compressor de cerca de 1,6 kW (rotao do compressor = 3000 rpm, temperatura

ambiente = 16C, temperatura do ar na entrada do evaporador = 26C, fluxo de massa de

refrigerante = 0,030 kg/s, temperatura do condensador = 41C).

Desta forma, o trabalho executado pelo compressor reflete num aumento de consumo

de combustvel pelo motor de combusto interna do automveis, afetando a eficincia global

do mesmo. Alm do aumento de consumo de combustvel apresentado anteriormente, existe

uma diminuio na potncia disponvel para o movimento do veculo. A no existncia de

dispositivos que administrem o redirecionamento de potncia em condies crticas de


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utilizao dos veculo, tais como acelerao em ultrapassagem, pode representar perigo real

para a vida do motorista e ocupantes em veculo compactos de potncia inferior.

Assim, a popularizao do sistema de ar condicionado convencional est condicionada

transposio de obstculos, como a minimizao do custo do sistema e a otimizao do

consumo de energia.

A transposio de tais obstculos, pode ser alcanado atravs de diversos caminhos:

otimizao da eficincia do ciclo de refrigerao, reduo de custos dos processos de

manufatura e custos de materia prima. Uma vez que esses dois caminhos tem sido fruto de

pesquisa nas ultimas dcadas e apresentam dificuldades para serem transpostas, uma terceira

hiptese seria a utilizao de um conceito alternativo de sistema de climatizao, diferente de

qualquer tipo de sistema j construdo.

Neste caminho, a introduo de dispositivos alternativos de climatizao, tais como os

tubos de vrtices, pode oferecer uma nova soluo de climatizao veicular.

Conforme Cockerill (1998), os tubos de vrtices (tambm chamados de tubos de

Ranque-Hilsch) so dispositivos simples que separam um fluxo primrio de gs em dois

fluxos secundrios, um deles com temperatura superior temperatura de entrada e outro com

temperatura inferior temperatura de entrada. Ahlborn et al. (1994) exemplifica a magnitude

do diferencial de temperatura: para condies de fludo de entrada com presso de entrada de

300 kPa e Temperatura T = 17C, possvel extrair fluxos com temperaturas da ordem de T =

57C (fluxo de alta temperatura) e T = -13C (fluxo de baixa temperatura). A simplicidade de

tais dispositivos citado por Saidi e Valipour (2003), conforme apresentado na Figura 2.

Figura 2. Exemplo de tubo de vrtices (SAIDI; VALIPOUR, 2003)


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2 REVISO DE LITERATURA

A reviso de literatura a ser apresentada a seguir ser dividida em trs partes distintas:

tubos de vrtices, sistemas convencionais de ar condicionado veicular e sistemas

regenerativos de frenagem.

Na primeira ramificao de estudo, sero apresentados os conceitos fundamentais de

funcionamento e estado da arte dos tubos de vrtices. A seguir, na segunda ramificao, sero

abordados o funcionamento e as configuraes convencionais de sistema de ar condicionado

veiculares. Na terceira ramificao sero apresentados caractersticas e configuraes de

sistemas regenerativos de frenagem.

O objetivo da abordagem das trs ramificaes fornecer subsdio bsico para o incio

do estudo de um sistema ar condicionado veicular baseado na aplicao da tecnologia de

tubos de vrtices, alimentado por um sistema regenerativo de frenagem.

2.1 Tubos de Vrtices

2.1.1 Introduo

Os tubos de vrtices, tambm denominados Tubos de Ranque-Hilsch, so dispositivos

mecnicos, sem partes mveis, que possibilitam a diviso de um fluxo principal de fludo em

dois fluxos secundrios de vazes e temperaturas distintas1 (COCKERILL, 1998).

_______________1 Para o melhor entendimento, o fluxo de gs de alta temperatura ser identificado neste trabalho como fluxo de gs quente e o fluxo de gsde baixa temperatura ser identificado como fluxo de gs frio.


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Fisicamente, tal dispositivo consiste em um tubo cilndrico dotado de uma entrada de

fludo, posicionada de forma que o fluxo adentre-se ao dispositivo radialmente, tangenciando

a face interna do tubo. Os fluxos secundrios de fludo saem do tubo de vrtices em direes

axiais e sentidos opostos ou coincidentes, dependendo do tipo de construo utilizado,

conforme citado por Cockerill (1998).

A Figura 3 apresenta o tipo de construo mais comum, denominado contrafluxo. Tal

configurao recebe tal denominao, uma vez que os fluxos secundrios saem do dispositivo

em direes contrrias. Cockerill (1998) indica que o fluxo de gs frio expulso do tubo de

vrtices atravs de uma das extremidades do tubo, que restringida atravs de uma tampa

com um orifcio circular posicionada no centro do tubo. O fluxo de gs quente expulso do

dispositivo na direo oposta sada do fluxo de gs frio. Tal extremidade do dispositivo

tambm apresenta uma vlvula no formato de um cone que realiza o ajuste da relao entre

fludo de baixa temperatura / fludo aquecido.

Figura 3. Exemplo de tubo de vrtices configurao contra-fluxo (COCKERILL, 1998)

A Figura 4 apresenta uma variao do tubo de vrtices denominado unifluxo. Cockerill

(1998) cita que, ao contrrio do caso anterior, os dois fluxos saem do dispositivo na mesma

extremidade, sendo que a separao entre fluxo de gs frio e fluxo de gs quente realizada

pela vlvula que dotada de um orifcio, por onde o fluxo de gs frio expulso.


26/114

25

Observando as Figuras 3 e 4, fica evidente a no existncia de partes mveis no tubo

de vrtices, minimizando a complexidade de tais dispositivos. Essa caracterstica compe uma

das vantagens de tais dispositivos. A outra vantagem de tais dispositivos, constitui a

magnitude do diferencial de temperatura entre os fluxos quente e frio.

Figura 4. Exemplo de tubo de vrtices configurao unifluxo (COCKERILL, 1998)

Ranque (1933) cita que o diferencial de temperatura depende da relao entre as

vazes de sada de fluxo de ar quente e fluxo de ar frio. Utilizando um tubo de vrtices de

dimetro 12mm e presso do fluxo de entrada de 6 kgf/cm2 (589 kPa), Ranque (1933) obteve

uma diferena de temperatura de 70C para a condio de dbito mnimo do fluxo quente.

2.1.2 Estado da arte

Os primeiros registros da existncia de um dispositivo capaz de gerar fluxos distintos

de ar frio e ar quente, atravs de processo de troca de energia em escoamentos rotativos,

datam de 1933 pelo cientista francs Georges Ranque.

Em seu estudo dos escoamentos rotativos, Ranque (1933) compe dois enunciados

bsicos. O primeiro enunciado menciona a existncia de uma camada de fludo dentro de um

escoamento giratrio, denominanda como camada ativa por Ranque (1933), delimitando

uma zona central em depresso. O segundo enunciado menciona a existncia de uma

migrao energtica, das regies internas para as regies externas da camada ativa. Para isso,


27/114

26

foi aplicada a hiptese de que a camada ativa suficientemente espessa e longa, estando na

condio de regime permanente.

A fim de comprovar tais enunciados, Ranque (1933) executou uma srie de

experimentos, que constituem os primeiros registros dos tubos de vrtices que se tem notcia.

No entanto tais experimentos possuem carter qualitativo, sendo que uma abordagem

quantitativa e detalhada foi apresentado por Hilsch (1946).

Hilsch (1946) afirma que, para que os efeitos do diferencial trmico seja alcanado,

algumas caractersticas construtivas devem ser obedecidas. O fluxo de alimentao deve ser

posicionado tangencialmente e o mais prximo possvel do diafragma, garantindo que o

escoamento rotativo do fludo tenha o centro de rotao coincidente com o centro do tubo.

Hilsch (1946) cita ainda a dificuldade de realizar uma simulao terica, devido quantidade

de variveis existentes. Por esse motivo, ele executou uma srie de experimentos, utilizando

um tubo de vrtices cujo esquema mostrado na figura 5.

Figura 5. Tubo de vrtices utilizado por Hilsch (HILSCH, 1946)

Hilsch (1946) executou os experimentos em diversas condies, com a variao do

dimetro do orifcio central localizado do lado da sada do fluxo de ar frio, presso do fludo


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27

de entrada e relao entre a vazo em massa do fluxo frio e fluxo quente. Os resultados de tais

experimentos so apresentados na Figura 6.

Figura 6. Temperatura e presso nos fluxos de sada em funo da frao de vazo em massa de fluxo de ar frioem relao vazo em massa de entrada (HILSCH, 1946)

Pengelley (1957) cita que at aquela data, muitos estudos haviam sido feitos sobre os

tubos de vrtices, no entanto a maior parte dos estudos eram de carter qualitativo ou

emprico. Nenhum dos estudos anteriores deixava claro o entendimento do mecanismo fsico

envolvido. Desta forma, Pengelley (1957) extendeu o estudo focado na termodinmica de

vrtices bidimensionais, iniciado anteriormente por outros pesquisadores tais como

Dornbrand (1950) apud Pengelley (1957). As concluses obtidas por Pengelley (1957)

informam que as aes das foras viscosas em vrtices compressveis podem transferir

energia na forma de trabalho ao longo do raio, permitindo assim uma reduo de temperatura

em direo ao centro, sendo este um efeito equivalente expanso de gs atravs de umaturbina.


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28

Unidade Valor

Aentrada (-) 0,11 +- 0,01

Aorificio (-) 0,08 +- 0,01

L / D (-) > 45

Sibulkin (1962) realizou uma investigao avanada do fenmeno dos tubos de

vrtices. Numa primeira fase da investigao obteve-se perfis de temperatura e velocidade,

calculados teoricamente, sendo que numa segunda fase Sibulkin (1962) desenvolveu uma

teoria a fim de predizer as caractersticas de performance de um tubo de vrtices.

Em funo da quantidade de variveis que afetam a performance dos tubos de vrtices

(por exemplo D, L, p0, yc, Aentrada, Aorificio), Soni e Thomson (1975) aplicaram uma

metodologia de anlise experimental a fim de identificar as variveis que apresentam uma

grande influncia na performance dos tubos de vrtices. A aplicao da metodologia das

Operaes Evolucionrias (EVOP), resultou na obteno dos seguintes valores timos, que

so mostrados na Tabela 1.

Tabela 1 - Valores timos de Aentrada, Aorificio e L / D para mxima variao de temperatura do fluxo de arfrio (SONI; THOMSON, 1975)

At aquela data vrios estudos relacionados geometria dos tubos de vrtices foram

realizados no intuito de obter o mximo de diferena de temperatura. No entanto no existia

nenhum estudo focado na relao entre a geometria do tubo e o fluxo espiral resultante.

Takahama e Yokosawa (1981) citam que o fluxo espiral obtido pelo tubo de vrtices poderia

ter grande importncia em algumas aplicaes industriais, tais como otimizao de

transferncia de calor, controle de combusto e concentrao de urnio. Desta forma

Takahama e Yokosawa (1981) iniciaram um estudo examinando a possibilidade de diminuir o

comprimento da cmara, sem grandes queda na eficincia de separao energtica. Para a

comparao da performance de tubos com diversos comprimentos de cmaras, Takahama e

Yokosawa (1981) definiram a eficincia de separao energtica conforme a equao 1.


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29

( )( ) ( )[ ]

pdcdejato

dcde

hh

hh

+

= (1)

Onde: hde = Entalpia especfica do ar na entrada de de (kJ/kg)

hdc = Entalpia especfica do ar na sada de dc (kJ/kg)

(h)jato = Variao de entalpia especfica dinmica do jato (kJ/kg)

(h)de-pdc = Variao de entalpia especfica isoentropica entre o estado da sada de de ea presso em dc (kJ/kg)

As concluses obtidas por Takahama e Yokosawa (1981) demonstram que a obteno

de mxima energia de separao s possvel quando L > 100D, sendo que a eficincia de

separao energtica em cmaras divergentes maior que em cmaras de dimetro constante,

para o mesmo comprimento. Takahama e Yokosawa (1981) verificaram tambm que para

uma conicidade de 3% , o comprimento da cmara faz pequena diferena na performance do

tubo para L > 38D. Desta forma, concluiu-se que para cmaras divergentes, possvel

diminuir o comprimento da mesma sem afetar em muito a eficincia.

A determinao do mecanismo do fenmeno de Ranque-Hilsch tem gerado uma

grande disputa ao longo dos anos. Kurosaka (1982) apresenta uma teoria em que ondas

acsticas induzem distrbios ordenados dentro do fluxo espiral em tal nvel, de forma a causar

a separao energtica. A fim de comprovar a influncia de tais ondas, Kurosaka (1982)

realizou um experimento equipando um tubo de vrtices unifluxo com supressores acsticos

que minimizavam a amplitude das ondas e reduziam a diferena de temperatura.

Stephan et al. (1983) realizariam mais tarde um estudo do processo de separao

energtica cujo resultado mostrou a distribuio da variao de temperatura do fluxo de ar de

baixa temperatura ao longo do comprimento da cmara do tubo de vrtices. Alm disso,

Stephan et al. (1983) afirma que os Vrtices de Grtler so as foras principais que atuam na

separao de energia dentro do tubo de vrtices: a partir de um experincia, utilizando tubosisolados e no isolados, verificou-se que a variao de temperatura em tubos no isolados


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30

menor que em tubos isolados. A justificativa fornecida por Stephan et al. (1983) que

havendo a troca de calor com o meio externo nos tubos no isolados, o comprimento dos

vrtices de Grtler agindo na parede interna da cmara diminui, diminuindo assim as foras

que agem na separao energtica.

Stephan et al. (1984) estabeleceram uma relao de similaridade entre a variao de

temperatura do fluxo frio em funo da frao de fluxo frio, para tubos de vrtices

geometricamente similares, atravs de uma formulao matemtica. A formulao matemtica

foi aplicada para diversos gases (ar, Helio e Oxignio), sendo obtido grficos de variao de

temperatura do fluxo frio em funo da frao de fluxo frio (yc). Em paralelo foram extrados

dados experimentais nas mesmas condies da simulao terica. Os resultados experimentais

vieram a confirmar a relao de similaridade proposta pela formulao matemtica. A figura 7

demonstra tal relao.

Figura 7. Relao de similaridade comparada com dados experimentais do ar, Oxignio e Helio(STEPHAN et al, 1984)

Analisando a figura 7, verifica-se que a relao entre a variao parcial de temperatura

do fluxo de ar frio (Tc) e a variao mxima de temperatura do fluxo de ar frio (Tc, max),


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31

independente do gs de trabalho / presso de entrada, dependente apenas da frao de fluxo de

ar frio.

Mais recentemente Alhborn et al (1994) realizaram um estudo focado na influncia da

energia cintica nos fluxos de ar quente e frio sendo expulsos do tubo de vrtices. Para isso,

Alhborn et al. (1994) utilizaram equaes integrais simplificadas das equaes de

conservao de energia a fim de obter os limites de operao de um tubo de vrtices com

fluxos de sada bilateral. A primeira concluso de Alhborn et al (1994) consiste no fato de que

o aquecimento ou o resfriamento dos fluxos de entrada e sada so funo da queda de presso

(X), que dado pela equao 2. A Figura 8 demonstra a representao das linhas de fluxo do

fludo dentro do tubo de vrtices.

=

0

0

p

ppX

frio(2)

onde: X = queda de presso (-)

p0 = presso do fluxo de ar de entrada (kPa)

pfrio = presso do fluxo de sada de ar frio (kPa)

Figura 8. Representao das linhas de fluxo dentro do tubo de vrtices (ALHBORN et al., 1994)

A segunda concluso que Alhborn et al. (1994) obtiveram, diz respeito ao fato que o

nmero de Mach funo da queda de presso citada anteriormente. Desta forma, uma

variao na queda de presso de forma que o nmero de Mach ultrapasse o limite de 1,0

indesejvel, uma vez que isso resultaria na formao de ondas de choque, cujas

descontinuidades poderiam reduzir as velocidades para valores subsonicos. Alhborn et al.


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32

(1994) citam que, foram utilizados valores de p0 e pfrio de forma a resultar em escoamentos

supersnicos, porm observou-se escoamento subsonicos no interior do tubo, o que confirmou

a teoria apresentada anteriormente. Alhborn et al. (1994) obtiveram um valor timo de

operao, com o valor de queda de presso X = 0,7. Vale lembrar que o alcance de tal valor

est relacionado com a diferena de presses de entrada e sada, ou seja, presses relativas.

Desta forma, Alhborn et al. (1994) mostram que possvel o alcance de tal queda de presso

mesmo em presses de entrada baixas desde que as presses de sada sejam subatmosfricas.

Alhborn, Camire e Keller (1996) analisaram o efeito da operao de tubos de vrtices

em baixas presses. Para isso, foi realizado um experimento onde foi acrescentado uma

bomba de vcuo nas sadas do tubo de vrtices. A operao do tubo de vrtices em tais

condies, mostrou a possibilidade de incorporao de tubos de vrtices em ciclos fechados

com presses subatmosfricas.

A procura de novas formas de otimizar a eficincia dos tubos de vrtices, levaram

Piralishvili e Polyaev (1996), a estudar geometrias otimizadas dos tubos de vrtices de

circuito-duplo, anteriormente estudados por Piralishvili e Mikhailov (1973) apud Piralishvili e

Polyaev (1996) e Suslov et al. (1985) apud Piralishvili e Polyaev (1996). Os resultados

obtidos neste experimento mostraram um aumento na eficincia de separao energtica,

chegando numa otimizao de at 70% para algumas condies de trabalho (y c = 0,85 ~ 1,00),

no entanto demonstrando tambm grande instabilidade. Piralishvili e Mikhailov (1973)definiram a eficncia de separao energtica como a eficincia adiabtica, ou seja, a relao

entre a queda de temperatura do fluxo de ar frio e a queda de temperatura obtida em um

expansor de gs operando com a mesma diferena de presso do tubo de vrtices,

multiplicado pela frao de fluxo de ar frio.

Saidi e Yazdi (1998) realizaram um estudo de obteno de dimenses e condies de

operao otimizadas, aplicando a abordagem de anlise de exergia.


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33

A fim de avaliar o efeito da variao de parmetros geomtricos na eficincia

isoentrpica e nos parametros termofsicos do tubo de vrtices, Saidi e Volipour (2003)

realizaram um modelamento experimental de um tubo de vrtices operando com a funo de

refrigerao. Para isso foram utilizadas variaes de tubos de vrtices, porm obedecendo

algumas caractersticas principais: dimetro do tubo (18mm), rea da seo transversal da

somatria dos orificio do fluxo de entrada constante (28,9mm2), dimetro do orifcio do

diafragma (9mm).

O primeiro parmetro avaliado consistiu em L/D, sendo que o intervalo otimizado de

L/D encontra-se entre 20 e 55,5 (conforme apresentado na Figura 9). Logo:

5,5520 D

L(3)

Figura 9. Eficincia em funo da relao dimetro / comprimento (SAIDI; VALIPOUR, 2003)

O segundo parmetro avaliado por Saidi e Volipour (2003) constitui o dimetro

adimensional do orificio do fluxo secundrio de ar frio (dc*), que pode ser descrito como:

D

dd cc =

*(4)

onde: dc* = dimetro adimensional do orifcio central do fluxo de ar frio (-)

dc = dimetro do orifcio central do fluxo de ar frio (mm)


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36/114

35

A segunda parte do trabalho de Saidi e Volipour (2003) investiga as propriedades

termofsicas. A primeira anlise realizada avalia a frao do fluxo frio de sada em relao ao

fluxo de entrada do tubo de vrtices (yc) com a eficincia isentrpica () e a variao de

temperatura do fluxo refrigerado (Tc). As Figuras 14 e 15, apresentam respectivamente o

resultado dessas relaes.

Figura 14. Variao de temperatura do fluxo de Figura 15. Eficincia em funo da frao dear frio em funo da frao de fluxo frio para fluxo de ar frio para diversas presses de entrada

diversas presses de entrada (SAIDI; VALIPOUR, 2003)(SAIDI; VALIPOUR, 2003)

Saidi e Volipour (2003) tambm avaliaram a relao entre a presso do fluxo de

entrada (p0) e a eficincia isentrpica () e a variao de temperatura do fluxo refrigerado

(Tc). As Figuras 16 e 17, apresentam respectivamente o resultado dessas relaes:

Figura 16. Variao de temperatura do fluxo de Figura 17. Eficincia em funo da presso dear frio em funo da presso de entrada entrada (SAIDI; VALIPOUR, 2003)(SAIDI; VALIPOUR, 2003)


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36

Prosseguindo com seu estudo, Saidi e Volipour (2003) avaliaram a influncia da

umidade na variao da temperatura do fluxo refrigerado. O resultado obtido atravs de

medies antes e depois de umidificaes do fludo, foi que a umidificao do ar comprimido

injetado no tubo de vrtices, aumenta a temperatura do fluxo refrigerado.

2.2 Sistemas Convencionais de Ar Condicionado Veicular

2.2.1 Introduo

O sistema de ar condicionado veicular no somente possui a funo de prover conforto

trmico aos ocupantes do veculo. Atravs do controle de temperatura e umidade do

habitculo, o sistema de ar condicionado aumenta o nvel de alerta do motorista e a segurana

dos ocupantes, mantendo os vidros fechados do veculo, conforme cita Kaynakli e Horuz

(2003). J Forrest e Bhatti (2002), citam que um sistema de ar condicionado compreende

quatro distintas funes: controle de temperatura, controle de umidade, controle de circulao

e ventilao de ar e limpeza do ar.

Ao contrrio do que se geralmente se pensa, um sistema de ar condicionado possui no

somente o sistema de refrigerao, mas tambm outros subconjuntos que trabalham em

conjunto para promover o funcionamento do sistema completo. A seguir sero abordados tais

sistemas.


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37

Compressor

1

2

Turbina

Regio Fria TL

Trocador deCalor

Trocador deCalor

4

3

W'T

Regio Quente TH

W'C

s

T

TLTH3

2

1

4

2.2.2 Sistema de Refrigerao

2.2.2.1 Ciclos de Refrigerao

So vrios os tipos de ciclos de refrigerao que podem ser aplicados num sistema de

ar condicionado. Conforme Moran e Shapiro (2004) os ciclos de refrigerao mais utilizados

so: ciclo de refrigerao Brayton e o ciclo de refrigerao por compresso de vapor.

O ciclo de refrigerao Brayton consiste em um ciclo de refrigerao a gs, que no

sofre mudana de estado, conforme cita Moran e Shapiro (2004). As aplicaes de tais ciclos

so diversas, tais como a liquefao de fludos e refrigerao de cabines de aeronaves. O

esquema de um ciclo Brayton, apresentado na figura 18:

Figura 18. Ciclo de refrigerao Brayton (MORAN; SHAPIRO, 2004)

Dos ciclos de refrigerao utilizados atualmente, o ciclo de refrigerao por

compresso de vapor o mais aplicado, conforme cita Moran e Shapiro (2004), sendo que o

mesmo baseado no ciclo de refrigerao de Carnot. A figura 19 apresenta o ciclo de Carnot.


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38

W'T W'C

Condensador

Evaporador

Q'IN

Turbina

RegioFria TL

4

3

Compressor

1

2

Q'OUTRegioQuente TH

TL4 1

s

TH

T

3 2

Figura 19. Ciclo de refrigerao de Carnot (MORAN; SHAPIRO, 2004)

No ciclo de refrigerao de Carnot, um fludo deve circular atravs de componentes

especficos, num ciclo fechado reversvel. A seguir ser feito um detalhamento das etapas do

ciclo, conforme apresentado em Moran e Shapiro (2004):

a) Inicialmente, um determinado fludo num estado de lquido-vapor (estado 1),

comprimido adiabaticamente passando para vapor saturado (estado 2). A compresso

feita por um compressor, logo existe trabalho sendo fornecido ao sistema. Nessa

operao, o fludo no somente tem sua temperatura elevada (de TL para TH), como

tambm sua presso.

b) Aps a sada do compressor, o vapor saturado (estado 2) passa por um condensador,

que tem a propriedade de trocar calor com um reservatrio quente a uma temperatura

TH. Neste processo existe a mudana de estado, de vapor saturado para lquido

saturado (estado 3), mantendo porm a presso e temperatura do estado 2.

c) Saindo do condensador, o fludo no estado 3 passar por uma turbina, onde haver a

expanso do fludo, passando este para o estado 4. No estado 4, a temperatura do

fludo retorna para TL, havendo tambm uma reduo de presso do mesmo. No


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39

estado 4 o fludo caracterizado como lquido-vapor. Uma vez que a turbina

acionada, existe trabalho de eixo saindo do sistema.

d) Aps a sada do fludo da turbina, adquirindo um estado 4, o fludo em estado lquido-

vapor passa pelo evaporador, onde existe transferncia de calor do reservatrio frio

para o fludo. Logo, o fludo retorna para o estado 1, sendo que no h mudana de

temperatura e presso nesta fase do processo.

Como citado anteriormente, o ciclo de refrigerao Carnot considerado um ciclo

reversvel. Desta forma, impossvel a reproduo de um ciclo reversvel em uma aplicao

real, uma vez que existem perdas nos processos.

Moran e Shapiro (2004) citam algumas observaes que devem ser feitas no processo,

de maneira que os mesmos sejam adequados realidade.

a) A primeira observao diz respeito passagem do fludo (estado 4) pelo evaporador.

Para que a temperatura do reservatrio frio seja mantida a uma temperatura TL, o

fludo no estado 4 (que entra no evaporador) deve estar uma temperatura abaixo de

TL. Isso acontece devido ao fato de que os evaporadores reais no proveem uma taxa

de troca de calor suficiente para manter a temperatura do reservatrio frio em TL. De

forma anloga, a temperatura do fludo no condensador deve ser superior

temperatura do reservatrio quente (TH), para que se obtenha uma taxa de troca decalor suficiente.

b) A segunda observao diz respeito ao estado do fludo no processo de compresso.

Existem restries tcnicas por parte do compressor, no que diz respeito compresso

de um fludo no estado lquido-vapor. A presena de lquido no compressor causa o

chamado calo-hidrulico que resulta em danos no compressor, devido ao fato do


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40

Condensador

Q'IN

Evaporador

RegioFria TL

4

Compressor

1

2

W'C

Q'OUTRegioQuente TH

s

T

3

Dispositivo deExpanso

TL

1

2s

4

3TH

lquido ser um fludo no-compressvel. Desta forma, deve-se sempre trabalhar com

fludo no estado de vapor, no compressor.

c) A terceira observao diz respeito ao processo de expanso atravs da turbina. As

condies do fludo no estado 3, fazem com que a eficincia da turbina seja muito

baixa, com a gerao de uma quantidade pequena de trabalho. Desta forma, a turbina

pode ser trocada por dispositivos de expanso de custo bem inferior, tais como as

vlvulas de expanso ou tubos capilares.

Levando-se em conta as observaes apresentadas acima, obtem-se o ciclo por

compresso de vapor, que corresponde ao ciclo base dos sistemas de refrigerao dos

automveis atuais. O esquema de tal ciclo apresentado na figura 20.

Figura 20. Ciclo de refrigerao por compresso de vapor (MORAN; SHAPIRO, 2004)

2.2.2.2 Termodinmica e desempenho do ciclo por compresso de vapor

A avaliao do taxa de calor e potncia do ciclo, pode ser realizado atravs da

aplicao da Primeira Lei da Termodinmica para Volumes de Controle, conforme cita Van

Wylen, Sonntag e Borgnakke (1998), apresentado na equao 5.

sadacventradacv ZgvhmWZgvhmQ ).2().2(

2

..

2

.. +++=+++ &&&& (5)


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41

Adotando as hipteses apresentadas a seguir, tem-se a equao simplificada da

primeira lei da termodinmica para volumes de controle:

Regime Permanente;

Energia Potencial por unidade de massa entre entrada e sada desprezvel;

Energia Cintica por unidade de massa entre entrada e sada desprezvel.

)( entradasada hhmWQ = &&& (6)

A avaliao da performance de um ciclo de refrigerao pode ser feita atravs da

aplicao do coeficiente de eficcia (). Tal coeficiente corresponde na relao entre o efeito

da refrigerao e o trabalho de eixo a ser injetado no sistema a fim de obter tal efeito da

refrigerao, conforme apresenta Moran e Shapiro (2004).

)()(

12

41hh

hh

= (7)

Os estados de 1 a 4 representados da equao 7 podem ser visualizados na figura 20.

A avaliao da performance do compressor pode ser obtida atravs da do clculo do

rendimento isoentrpico. Tal eficincia avalia a relao entre a potncia de eixo consumida

num caso real e a potncia de eixo consumida num processo adiabtico reversvel, conforme

cita Moran e Shapiro (2004).

coisoentropi

eixocoisoentropi W

W= (8)

2.2.2.3 Componentes do sistema de ar condicionado automotivo

Conforme apresentado anteriormente, o sistema de ar condicionado de um veculo tem

seu funcionamento baseado no ciclo de compresso de vapor, apresentado na figura 20. Um

esquema dos componentes de um sistema de ar condicionado automotivo apresentado nafigura 21.


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42

Figura 21. Componentes de um sistema de ar condicionado automotivo (utilizando vlvula de expanso)(BOSCH, 2000)

Os componentes apresentados na figura 21, sero melhor detalhados a seguir,

apresentando sua variaes construtivas e demais peculiaridades.

2.2.2.3.1 Compressor

Um compressor de um sistema de Ar Condicionado Automotivo consiste num

dispositivo que promove a movimentao do fludo refrigerante num circuito fechado,

conforme cita Tribess (2004). A movimentao do fludo e consequente passagem pelos

diversos componentes do sistema de refrigerao atribui diversas condies de presso e

temperatura ao fludo refrigerante. Conforme apresentado por Bosch (2000) na figura 21, o

fludo refrigerante possui diferentes presses e estados, em cada das 4 etapas do processo.

Convencionamente, o acionamento do compressor realizado atravs de correias

ligadas ao motor do veculo, conforme pode ser visualizado na figura 21. Uma vez que o

compressor est constantemente acoplado ao motor do veculo, torna-se necessrio algum


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43

mecanismo que permita que o compressor permanea em repouso quando o sistema de ar

condicionado esteja desligado, mesmo com o motor do veculo em funcionamento. Tal

mecanismo consiste na embreagem magntica, que disposto entre o eixo e a polia do

compressor, conforme apresentado por General Motors (2003) (informao corrente).

A embreagem magntica composta por uma bobina indutora e um prato de

acionamento que quando acionada, h a passagem de corrente eltrica na bobina resultando na

atrao desta ao prato de acionamento. A atrao entre os dois elementos resulta na

transmisso do movimento rotativo da polia para o eixo do compressor.

O mecanismo de compresso difere conforme o tipo de compressor. Tribess (2004)

apresenta 5 tipos de compressores: radial de pistes, axial de pistes Washplate, axial de

pistes Wobbleplate, rotativo de palhetas e tipo caracol Scroll. citado ainda por Tribess

(2004), que os compressores mais utilizados atualmente so os tipo de pistes axiais e

rotativos dotados de controle de deslocamento volumtrico. A figura 22 exemplifica um

compressor Wobbleplate.

Figura 22. Compressores de pistes axiais tipo wobbleplate (DELPHI AUTOMOTIVE, 2005)

Um compressor de ar condicionado deve ser capaz de trabalhar numa ampla faixa de

rotao e vazo. A potncia de compresso varia conforme as caractersticas de trabalho do

sistema.


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44

Ianella (1998) apud Tribess (2004), realizou um estudo relacionado ao desempenho de

um sistema de ar condicionado de um veculo de passeio (Seat Ibiza 1.6L Gasolina).

apresentado um grfico que informa uma potncia de compresso que varia entre 1,0 e 1,5

kW, capacidade de refrigerao por volta de 3,2 kW, taxa de calor de rejeio no condensador

que varia entre 4,2 e 4,5 kW, em funo da rotao do compressor que varia entre 1500 e

5500 rpm (Temperatura do ar na entrada no evaporador = 20C; Vazo de ar no evaporador =

500 kg/h; velocidade do ar no condensador = 3m/s).

Joudi et al. (2003) realizaram um estudo experimental de desempenho de um sistema

de ar condicionado analisando diversos fludos refrigerantes. Para uma rotao de 3000 rpm, a

uma capacidade de refrigerao de 3,5 kW, a potncia de acionamento do compressor foi de

3,5 kW (fludo R12, Temperatura Ar externo = 50 oC, COP = 1,37).

2.2.2.3.2 Condensador

O condensador consiste em um trocador de calor responsvel pela dissipao do calor

absorvido pelo fludo refrigerante no evaporador. A fim de otimizar a troca de calor, o

condensador posicionado na parte frontal do veculo, entre a grade frontal e o radiador do

veculo. A dissipao de calor do fludo para o ambiente, provoca uma mudana de estado do

fludo, que entra no condensador no estado gasoso e deve sair do evaporador no estadolquido.

Tribess (2004) informa que os condensadores so feitos preferencialmente em

Alumnio, onde tubos so dispostos paralelamente, unidos por aletas a fim de aumentar a rea

de troca de calor com o ambiente.

So diversos os tipos de condensadores existente atualmente no mercado. Tribess

(2004) cita que para uma dada taxa de transferencia, o peso, volume e carga de refrigerante


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necessria pode variar at respectivamente 30%, 15% e 25%. A figura 23 apresenta um

exemplo de condensador.

Figura 23: Condensador de um sistema de ar condicionado convencional (DELPHI AUTOMOTIVE, 2005)

2.2.2.3.3 Dispositivo de Expanso

O dispositivo de expanso consiste num componente que tem a funo de reduzir a

presso do fludo refrigerante que sai no estado lquido do condensador, alm de controlar a

vazo no circuito. Conforme Tribess (2004), existem dois tipos de dispositivos de expanso,

utilizados em sistemas de refrigerao automotivos: a vlvula termosttica e os tubos de

orificio.

A vlvula termosttica consiste no tipo de dispositivo utilizado na indstria

automotiva. Tribess (2004) informa que tal dispositivo permite a regulagem de vazo do

fludo refrigerante, que feito atravs da avaliao do superaquecimento do fludo

refrigerante no evaporador.

Tal avaliao executada atravs de um bulbo fixado na parede do evaporador, que

mantem-se em comunicao com uma cmara, atravs de um duto de ligao. A cmara por

sua vez, faz parte da vlvula de expanso, e possui um diafragma ligado uma vlvula. O

bulbo assim como o duto e a cmara, esto preenchidos com fludo refrigerante lquido

(denominado fludo ativo) que possui propriedade de expandir se este for submetido um

aumento de temperatura. Desta forma, havendo um aumento de temperatura no evaporador, o

fludo ativo expandir deslocando o diafragma, que por sua vez acionar a vlvula a fim de

liberar a passagem de mais fludo refrigerante para o evaporador. Uma diminuio da


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temperatura no evaporador ocasionar o efeito contrrio ao descrito anteriormente, fechando

assim a vlvula. A figura 24 exemplifica uma vlvula de expanso.

Figura 24. Vlvula de expanso (VOLKSWAGEN, 1994)

Os tubos de orifcio consistem no segundo tipo de dispositivo de expanso, utilizado

na indstria automotiva. Tribess (2004) cita que, havendo a passagem pelo tubo de orifcio

(de comprimento constante), introduzido uma grande perda de carga ao fludo, provocando

uma grande reduo de presso. Tal reduo de presso capaz de converter o fludo

refrigerante que est em estado lquido, para o estado de vapor.

Em geral, os tubos de orifcio so envoltos por tela nas regies de entrada e sada. A

tela na regio de entrada tem o objetivo de filtrar o fludo, evitando passagem de eventuais

detritos pelo tubo: tais detritos poderiam obstruir o tubo. J a tela na regio de sada, tem o

obejtivo de minimizar a transmisso de rudos, gerados no processo de vaporizao, para o

resto do sistema. A figura 25 apresenta um exemplo tubo de orifcio.

Figura 25. Tubo de orifcio (GENERAL MOTORS, 2003)


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Tribess (2004) afirma ainda que os tubos de orifcios possuem um custo bem inferior

s vlvulas de expanso termostticas (aproximadamente R$ 2,00 / un). Tal custo facilita na

manuteno do sistema, uma vez que havendo falhas no dispositivo de expanso,

simplesmente h a troca do tubo de orifcio.

2.2.2.3.4 Evaporador

O evaporador, assim como o condensador, consiste num trocador de calor. Tribess

(2004) cita a existncia de trs variaes de tipos de evaporadores: tubos e aletas, serpentina e

placas.

Conforme Tribess (2004), os evaporadores de tubos e aletas so formadas por placas

planas dispostas paralelamente que so atravessadas por tubos que tem o objetivo de

conduo do fludo refrigerante. As placas tem o objetivo de aumentar a rea de troca de

calor, assim como caso do condensador. Apesar da fcil construo, esse tipos de evaporador

possui baixo desempenho por unidade de volume.

Os evaporadores do tipos serpentina so formados por tubos contnuos de seo

retangular, dobrados em formato de serpentina e unidos por aletas, estas soldadas ao tubo.

Esse tipos de construo oferece uma eficincia superior construo anterior (TRIBESS,

2004).

A ltima configurao de evaporadores formada por placas metlicas dotadas de

canais internos. Tais canais distribuem o fludo de uma extremidade outra da placa at os

coletores receptores, onde conduziro por sua vez prxima placa metlica disposta

paralelamente primeira placa. Este tipo de construo o que apresenta maior desempenho

dentre os trs, provocando assim um aumento na sua aplicao na indstria automotiva nos

ultimos anos (Tribess, 2004). A figura 26 apresenta um evaporador tipo placas.


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Figura 26. Evaporador tipo placas (DELPHI AUTOMOTIVE, 2005)

2.2.2.3.5 Fludo Refrigerante

O fludo refrigerante o meio pelo qual a energia trmica presente no habitculo ser

transferida para o ambiente externo. Para isso, necessrio que o fludo tenha algumas

propriedades bsicas, conforme cita Tribess (2004):

- No inflamvel e txico;

- Estvel quimica e termicamente;

- Alta miscibilidade com lubrificantes;

- Possibilidade de produo em grande escala;

- Entalpia de vaporizao elevada;

- Baixa temperatura de saturao presso atmosfrica;

- Presses de saturao no muito elevadas;

- Temperatura crtica elevada.

Os crescentes estudos iniciados na dcada de 70 sobre a relao entre o CFC

(Clorofluorcarbono) e a camada de oznio e posterior constatao da diminuio de espessura

da camada de oznio estratosfrica, levaram assinatura de acordos mundiais vizando


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diminuir a utilizao de substncias que sejam prejudiciais camada de oznio, como o

caso do CFC e HCFC (Hidroclorofluorcarbono), conforme apresenta Tribess (2004).

Por esse motivo, a utilizao dos fludos refrigerantes R-12 e R-502 foi banida nos

pases desenvolvidos. Alternativamente ao R-12, que era o fludo refrigerante at ento usado

em sistemas de ar condicionado automotivo, foi implementado o R-134a conforme citam

Brown et al (2001).

Mais recentemente com o avano dos estudos relacionados ao aquecimento global,

tem se criado uma corrente de pensamento direcionada para a utilizao dos chamados

fludos naturais, tais como o CO2 (R-744) e os hidrocarbonetos propano (R-290) e

isobutano (R-600a), em substituio do R-134a. Brown et al (2001), citam que o fludo R-

134a possui um GWP (potencial de aquecimento global) 1300 vezes maior que alguns fludos

naturais, como o CO2.

Brown et al. (2001) realizaram um estudo comparativo de performance entre R-134a e

o CO2. Suas concluses mencionam que um sistema com CO2 fornece um COP inferior a um

sistema com R-134a, se mantido os mesmos trocadores de calor.

Joudi et al. (2003), que executaram um estudo de performance de dois sistemas ( um

deles com uma mistura de hidrocarbonetos R-290/R-600a e outro com R-12), verificaram que

existem vantagens e desvantagens do uso desta mistura como fludo refrigerante: o tempo

requerido para o alcance do conforto trmico no habitculo de um veculo equipado comsistema de AC R-290/R-600a menor que para um sistema com R-12. Verificou-se tambm

um superior consumo de energia no sistema R-290/R-600a se comparado ao sistema R-12.


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2.2.2.3.6 Reservatrio de Lquido

O reservatrio de lquido, em sistemas que utilizam vlvula de expanso,

posicionado entre o condensador e a vlvula de expanso na linha de alta presso. Tribess

(2004) cita que o motivo disso garantir que apenas lquido seja encaminhado vlvula de

expanso, garantindo a correta operao do sistema. Alm de atuar como meio de

armazenamento e separao de fludo, o reservatrio possui um desumidificador (que remove

a umidade do sistema) e um filtro que impede a passagem de impurezas que possam

prejudicar o desempenho do sistema.

Caso o sistema utilize tubo de orifcio como dispositivo de expanso, o

posicionamento do reservatrio alterado, havendo seu deslocamento para a linha de baixa

presso, entre o evaporador e o compressor. Isso torna-se necessrio, a fim de garantir que

apenas gs seja encaminhado ao compressor, fazendo com que o excesso de fludo que sai do

evaporador fique armazenado no reservatrio. Tribess (2004) informa que a entrada de lquido

no compressor provoca danos ao compressor, o chamado calo hidrulico. Neste caso o

reservatrio possui algumas peculiaridades construtivas correto funcionamento nesta diferente

condio.

2.2.2.3.7 Interruptores de Alta e Baixa Presso

Os interruptores de alta e baixa presso so dispositivos de segurana do sistema. O

interruptor de baixa presso pode estar disposto tanto na linha de alta como na linha de baixa

presso, conforme citado por General Motors (2003). Sua funo garantir que o sistema

seja desligado caso a presso do sistema esteja muito abaixo do limite inferior de trabalho,


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O fludo de arrefecimento quente direcionado para um trocador de calor disposto

dentro da caixa de distribuio de ar do veculo. L existe a passagem forada de ar pelo

trocador, havendo assim o aquecimento do ar e encaminhamento para o habitculo.

Bosch (2000) cita ainda que existem formas distintas de controle do aquecimento: a

primeira opo pode ser feito atravs do controle do fludo de arrefecimento, necessitando

assim de vlvulas que permitam um controle preciso do fluxo de fludo de arrefecimento ao

longo do trocador de calor; a outra forma, que a mais utilizada consiste no livre fluxo de

fludo de arrefecimento, onde o controle do aquecimento feito pelo fluxo de ar pelo trocador

de calor. Essa opo no entanto demanda um maior volume na caixa de distribuio de ar,

uma vez que necessrio a existncia um circuito by-pass para redirecionamento do fluxo

de ar que no necessita ser aquecido.

Sistemas Auxiliares de aquecimento que no dependem do calor gerado por motores

de combusto interna, utilizam uma cmara de combusto, alimentada por um reservatrio de

combustvel. Neste caso, os gases de exausto so direcionados para o trocador de calor que

por sua vez pode trabalhar de duas formas: trocando calor com ar, que por sua vez

direcionado ao habitculo; ou trocando calor com o fludo de arrefecimento que ao mesmo

tempo circular por um trocador de calor na caixa de distribuio de ar e ao mesmo tempo

circular pelo motor otimizando a partida do motor em ambientes de baixa temperatura,

conforme cita Bosch (2000).

2.2.4 Sistema de desumidificao

Quando o ar umido presso de vapor constante refrigerado at uma temperatura

inferior sua temperatura de orvalho, existe a condensao do vapor de gua contida na

mistura. Desta forma, um sistema de desumidificao pode ser baseado em tal conceito.


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Volumede Controle (a)(Seo de Resfriamentoe Desumidificao) Condensado Saturado

Tw,m'w

Ar midoT1, , m'a , 1 Serpentina

com FludoAquecido

Serpentinacom FludoRefrigerado

Volumede Controle (b)(Seo de Aquecimento)

Ar secoT2 < T1 ,2 < 1

Ar secoT3 > T23 = 2

(1) (2) (3)

A figura 27 apresenta um exemplo de um sistema de ar condicionado que realiza a

desumidificao do ar.

Figura 27. Sistema de desumidificao

No sistema representado na figura 27, o ar com umidade relativa 1, temperatura T1,

umidade absoluta 1 com uma vazo em massa ma, entra no volume de controle (a). Ao

passar pela serpentina com fludo refrigerante, existe a reduo de temperatura at abaixo da

temperatura de orvalho do ar mido, causando a condensao do vapor dgua que resulta

numa vazo em massa de gua mw a uma temperatura Tw. O ar mido sai do volume de

controle (a) a uma temperatura T2 com umidade relativa 100% e uma umidade absoluta 2

inferior condio de entrada 1. Uma vez que o ar mido que sai do volume de controle (a)

est em condio saturada a uma temperatura bem inferior temperatura de entrada, este se

encontra em condies imprprias para o ambiente da cabine. Por esse motivo, o ar mido

direcionado ao volume de controle (b), onde forado a passar por uma serpentina com fludo

refrigerante aquecido, resultando assim no aquecimento do ar mido at uma temperatura 3,

umidade relativa 3, mas mantendo a mesma umidade absoluta de 2. Essa condio

resultante de ar mido representa ser mais confortvel para os ocupantes do habitculo


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2.2.5 Caixa de Distribuio de Ar

A caixa de distribuio de ar consiste num dispositivo dotados de dutos e

compartimentos, onde um fluxo de ar antes de ser transferido para o habitculo dos

passageiros, ter sua temperatura e umidade ajustada conforme desejo do condutor do veculo.

Desta forma, o evaporador, assim como o aquecedor e o ventilador, so alocados em

compartimentos dentro da caixa de ar.

Tribess (2004) cita a dificuldade de executar a correta distribuio do fluxo de ar

condicionado de modo a prover o conforto trmico dos passageiros. Numa tentativa de prover

conforto trmico, a caixa de distribuio de ar possui inmeras sadas de ar que devem

atender a uma circulao geral sobre os ocupantes.

A passagem do ar atravs dos diferentes trocadores e dutos dentro da caixa de ar

definir a natureza do ar (refrigerao, aquecimento, ar natural, desembaamento, etc...).

citado ainda por Tribess (2004) que, frequentemente no se consegue efetuar o

resfriamento da regio traseira do habitculo, que leva mais tempo, uma vez que o fluxo de ar

deve passar primeira pela parte dianteira do habitculo. Na tentativa de ultrapassar tal

dificuldade, alguns veculos utilizam um sistema de distribuio complexo, com a existncia

de dutos de distribuio passando pelo assoalho e colunas do veculo. As sadas de tais dutos

fornecem o ar climatizado diretamente regio traseira do habitculo, conforme pode servisualizado na figura 29.


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Figura 29. Exemplo de um sistema complexo de distribuio de ar de um veculo Maybach 57/62 (BIRCH,2002)

2.2.6 Modos de operao do Sistema de Ar Condicionado

Forrest e Bhatti (2002) citam que os atuais sistemas de ar condicionado operam

atravs de dois modos: ventilao e recirculao. Operando no modo ventilao, o ar

ambiente limpo, refrigerado, desumidificado, passando atravs do habitculo e sendo

exaurido para o ambiente. Operando no modo recirculao, existe a combinao do ar

recirculado com o ar do ambiente externo. Forrest e Bhatti (2002) citam que na operao por

recirculao possvel manter o conforto desejado satisfazendo as normas de qualidade de ar

interno definidas pela ASHRAE. Alm disso, Forrest e Bhatti (2002) citam ainda uma

economia de energia na operao por recirculao uma vez que necessria uma capacidade

de refrigerao inferior a fim de alcanar os requisitos de temperatura e umidade necessrios.

Jackson (1961) apud Forrest e Bhatti (2002), citam que uma mistura dos fluxos

obedecendo uma razo de 25% ar fresco externo e 75% de ar recirculado ajuda a preservar a

qualidade do ar do habitculo a um nvel aceitvel.


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2.3 Sistemas regenerativos de frenagem

2.3.1 Introduo

A constante mudana nas legislaes no sentido de minimizar as emisses de gases ao

ambiente, tem obrigado uma mudana nos meios de transporte. Schaible e Szabados (1994)

citam que uma das formas possveis de eliminar as emisses presentes nos motores atuais,

seria a substituio dos motores de combusto interna por motores eltricos. Uma outra forma

de minimizao das emisses a utilizao de sistemas regenerativos de frenagem.

No ato da frenagem de um veculo, observam-se dois processos termodinmicos,

conforme citam Wicks e Donnelly (1997). O primeiro processo termodinmico consiste na

atrito, o qual a energia ordenada do veculo convertida em energia interna desordenada nos

freios, que resulta num aumento de temperatura dos mesmos durante o processo de parada do

veculo. O segundo processo termodinmico, consiste na dissipao da energia dos freios para

o ambiente. Com isso, conforme observado por Wicks e Donnelly (1997), durante o processo

de frenagem existe a perda irreversvel de energia disponvel para o ambiente.

Os sistemas regenerativos de frenagem, trabalham no conceito do reaproveitamento de

parte da energia que seria dissipado para o ambiente no ato da frenagem, de forma que tal

energia possa ser reutilizado posteriormente, miminizando assim o consumo de combustvel.

Na maior parte dos casos, os sistemas regenerativos so aplicados a veculos eltricos

que j dispe de um motor eltrico que poderia trabalhar no sentido contrrio como um

gerador, conforme cita Schaible e Szabados (1994). Neste processo, seria fornecido um torque

ao gerador que por sua vez converteria a energia mecnica de movimento do eixo em energia

eltrica que seria armazenado em um banco de baterias.


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Wicks e Donnelly (1997) alertam no entanto, que as vantagens fornecidas por um

veculo com um sistema de frenagem regenerativo, podem resultar aumento de consumo de

combustvel e custos, caso no haja o correto dimensionamento. Um exemplo de um sistema

em tais condies seria o caso de um veculo com excesso de peso de baterias de

armazenamento, longa distncia entre paradas e paradas muito rpidas (a taxa de transferncia

de energia mecnica em eltrica no suficiente para o recarregamento das baterias).

Existem caso em que o sistema regenerativo aplicado a veculos com sistemas de

propulso convencionais, dotados de motores de combusto interna. Chicurel (1999) cita um

exemplo da utilizao de um sistema combinado regenerativo-dissipativo de frenagem dotado

de um acumulador hidropneumtico. Neste caso, o acumulador hidropneumtico executa a

funo do banco de baterias, acumulando energia na forma de fludo pressurizado, para ser

utilizada posteriormente.

2.3.2 Sistemas de frenagem regenerativos eltricos

Os sistemas de frenagem regenerativos eltricos so geralmente incorporados em

veculos hbridos, que dispe de baterias de armazenamento de energia conforme cita Cikanek

(2002).

O veculo hbrido combina o conceito de propulso de veculo eltrico com o conceito

de propulso de um veculo convencional. Cikanek (2002) cita ainda que os modos de

trabalho do sistema de propulso de tais veculos pode ser: a) somente motor de combusto

interna, b) somente motor eltrico ou c) propulso hbrida. O sistema de frenagem

regenerativo atuar somente nas condies b) e c) onde o motor prover uma trao negativa

absorvendo a energia cintica do veculo e convertendo em energia eltrica a ser armazenada

em baterias, conforme apresentado na figura 30:


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Figura 30. sistema de frenagem regenerativo toyota THS II (TOYOTA, 2005)

2.3.3 Sistema de Frenagem Regenerativo-Dissipativo Hidropneumtico

O sistema combinado regenerativo-dissipativo citado por Chicurel (1999) composto

basicamente por um acumulador hidropneumtico, um motor-bomba e um sistema de controle

composto de uma vlvula direcional 3 posies 2 vias. A figura 31 apresenta o esquema de tal

sistema.

Figura 31. Sistema de frenagem regenerativo-dissipativo (CHICUREL, 1999)

Uma moto-bomba hidrulica est ligada transmisso do veculo, sendo que o seu

modo de operao determinado atravs da vlvula direcional. O posicionamento da vlvula

depende da condio de fora f, aplicada ao pedal de freio do veculo e das foras resistivas f1


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e f2 respectivamente as foras resistivas provenientes da presso de descarga do motor-bomba

e do freio dissipativo.

No caso da fora f ser igual ou menor que f1, a fora total do pedal ser transmitida

para o freio dissipativo, uma vez que o cilindro que fornece uma fora f1 no ser deslocado.

No entanto, se a fora f for maior que f1, haver o deslocamento do cilindro com a fora f1 que

por sua vez deslocar a vlvula direcional para a direita, fechando o circuito com o

acumulador hidropneumtico. Um possvel aumento de presso na linha devido ao

armazenamento de fludo no acumulador, resultar num aumento de f1 at que f seja igual a f1

quando toda a fora f do pedal ser transmitida ao freio dissipativo e a vlvula disposta

novamente na posio neutra.

No caso da acelerao do veculo, Chicurel (1999) cita que o controle realizado por

por um transdutor de deslocamento posicionado no pedal do acelerador. Esse transdutor de

deslocamento converte o deslocamento em informao de torque do motor Mt, que seria

desenvolvido ca

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