PROJETO DE GRADUAO

ANLISE COMPUTACIONAL DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

Por, Rodrigo Vasconcelos Fernandes

Braslia, 14 de Julho de 2006.

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UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica

PROJETO DE GRADUAO

ANLISE COMPUTACIONAL DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

POR,

Rodrigo Vasconcelos Fernandes

Relatrio submetido como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

Banca Examinadora

Prof. Joo M. D. Pimenta, UnB/ ENM (Orientador)

Prof. Jos Luiz A. F. Rodrigues, UnB/ ENM

Prof. Lucio B. Reno Salomo, UnB/ ENM

Braslia, 14 de Julho de 2006

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Dedicatria(s)

Dedico este trabalho a minha me Rosa e ao meu pai Georges por todo apoio e dedicao e ao mais novo amor da minha vida, minha filha Jlia, que mesmo antes de nascer foi, junto com a minha esposa Ktia, fonte inspiradora, e me motivaram a concluir essa etapa da minha vida.

Rodrigo Vasconcelos Fernandes

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RESUMO

Um modelo computacional baseado em Fortran, previamente desenvolvido para simular um sistema de ar condicionado automotivo em regime permanente, foi modificado de modo a retratar com maior fidelidade um sistema real de climatizao automotiva. A modelagem inclui um compressor de capacidade varivel do tipo swash plate , vlvula de expanso termosttica, evaporador do tipo cooling coil e um condensador do tipo micro channels, submetidos a uma razo de compresso, temperatura de superaquecimento e efeito do volume nocivo. Devido interface com o usurio, o programa permite a variao de certos parmetros do sistema, como a temperatura do ar no evaporador e no condensador, bem como o tipo de refrigerante e o modelo do compressor. Dessa forma, foram analisadas as variveis de desempenho perante variaes pertinentes, tais como, o coeficiente de performance, vazo mssica de refrigerante no sistema e a capacidade de refrigerao. Os resultados obtidos foram comparados com os previamente simulados e com resultados experimentais publicados recentemente. Concluiu-se que o modelo atual retrata com maior verocimidade a operao do aparato real. Verificou-se que em sistemas munidos de compressores de capacidade varivel, a vazo mssica de refrigerante e a capacidade de refrigerao permanecem constantes independentes da rotao do compressor acompanhado do decrscimo no COP. Observou-se ainda que a eficincia volumtrica obteve resultados mais prximos de resultados reais, fornecidos por fabricantes, quando simulada em funo da razo de compresso e de um fator de correo representando as caractersticas geomtricas do compressor, incluindo o efeito do volume nocivo.

Palavras-chave: Ar condicionado, automotivo, compressor, capacidade, desempenho, modelagem, simulao.

ABSTRACT

A computer modeling based on Fortran, previously developed, to simulate a steady state automotive air conditioning system, was modified in order to reflect with more fifelity a real automotive acclimation system. The modeling includes a variable capacity compressor, an expansion valve, a cooling coil evaporator and a micro channel condenser under the effect of a pressure ratio, a superheating temperature and the effects os clearence volume. Because of the interface with the user, the program allows the variation of certain parameters of the system, like as, the air temperature on the evaporator and on the condenser, the refrigerant type, and the compressor model. From that, it was analyzed the performance variables along the relevant variations, like as, the coeficient of performance, the mass flow rate of the refrigerant in de system and the refrigerantion capacity. The results were compared with some previously simulated and experimental ones published recently. It was concluded that, the actual model reflects with more accuracy the operation of a real system. It was verified that, in a system powered by variable displacement compressors, the mass flow rate of refrigerant and the refrigeration capacity remains constant, independently of the compressor speed, followed by the decrease of COP values. It was observed yet, that volumetric efficiency values were closer to the ones on catalog performance data, when simulated as a function of the compressor ratio and a clearence factor representing the geometric characteristics of the compressor.

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SUMRIO

1. INTRODUO ................................................................................................................................. 1 1.1.ESTUDO PROPOSTO E A SUA IMPORTNCIA.................................................................1 1.2 ESTADO DA ARTE

SISTEMA DE CLIMATIZAO AUTOMOTIVO........................3 1.2.1. REFRIGERANTES.........................................................................................................3

1.2.2. SIMULAO COMPUTACIONAL E EXPERIMENTAL...........................................5 1.3.OBJETIVO DO TRABALHO..................................................................................................8

1.4.METODOLOGIA.....................................................................................................................8

1.5.ESTRUTURA DO TRABALHO.............................................................................................9 2.CONCEITOS TERICOS..................................................................................................................10 2.1.CICLO DE COMPRESSO A VAPOR.................................................................................10 2.2.PSICROMETRIA....................................................................................................................12

2.2.1 DIAGRAMA PSICROMTRICO.................................................................................15 2.2.2. PROCESSOS..................................................................................................................15

2.3.FLUIDOS REFRIGERANTES...........................................................................................16 2.3.1. CLOROFLUORCARBONOS (CFCS)........................................................................17 2.3.2. FLUIDOS REFRIGERANTES ALTERNATIVOS......................................................18

2.4. SISTEMAS DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO.................................................21

2.4.1. COMPRESSOR AUTOMOTIVO..................................................................................22

2.4.2. RECEPTOR...................................................................................................................24

2.4.3. CONDENSADOR..........................................................................................................24

2.4.4. EVAPORADOR............................................................................................................25 2.4.5. VLVULA DE EXPANSO........................................................................................26

3.MODELAGEM MATEMTICA....................................................................................................27 3.1.MODELAGEM DO SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO....................27

3.1.1. COMPRESSOR DE CAPACIDADE VARIVEL........................................................27 3.1.2. TROCADORES DE CALOR........................................................................................29 3.1.3 VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA........................................................34 3.1.2 TROCADORES DE CALOR.........................................................................................29 3.1.3 VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA........................................................34

4.SIMULAO COMPUTACIONAL...............................................................................................36 4.1.VISO GERAL DA SIMULAO COMPUTACIONAL...................................................36 4.2.PRINCIPAIS ROTINAS, FUNES E MDULOS EMPREGADOS................................37 5.RESULTADOS E ANLISES..........................................................................................................42 5.1.SIMULAO, RESULTADOS E ANLISE DE DADOS................................................42

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5.1.1 SIMULAO 1 - VELOCIDADE DE ROTAO.....................................................46 5.1.2 - SIMULAO 2 - TEMPERATURA DE RETORNO NO EVAPORADOR...............46

5.1.3 VALIDAO DA SIMULAO COMPUTACIONAL.............................................49 6.CONCLUSES FINAIS...................................................................................................................51 REFERNCIAS....................................................................................................................................42 ANEXO I...............................................................................................................................................45 ANEXO II..............................................................................................................................................48 ANEXO III............................................................................................................................................50

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Rep. esq. do ciclo de compresso (Litzinger, 2004)...............................................10 Figurea 2 Ciclo de Compresso a Vapor ideal no Diagrama de Mollier ..............................11 Figura 3 Diagrama de Mollier................................................................................................15 Figura 4 Sistema ar condicionado autom otivo......................................................................22 Figura 5 Compressor tipo Swash Plate..................................................................................23 Figura 6 Filtro Secador..........................................................................................................24 Figura 7 Condensador do sistema de ar condiconado automotivo.........................................25 Figura 8 Evaporador de sisrtema de ar condicionado automotivo.........................................25 Figura 9 Vlvula de expanso do sistema automotivo (DENSO, 2006)................................26 Figura 10 Diagrama de entrada da sub-rotina menu (Salviano, 2005)..................................37 Figura 11

Diagrama de entrada da sub-rotina evaporador (Salviano, 2005).........................38 Figura 12

Diagrama dos par. de ent., interm. e de sada do compressor (Salviano, 2005)...39 Figura 13 Diagrama dos par. de ent., interm. e de sada do condensador (Salviano, 2005).39 Figura 14 Diagrama dos par. de entrada e sada da rotina sistema (Salviano, 2005)............40 Figura 15

Diagrama dos par. de entrada e sada da rotina impresso (Salviano, 2005)........40 Figura 16 Vazo mssica de refrigerante versus rotao do compressor ..............................43 Figura 17 Eficincia volumtrica ( SANDEN) versus Rpm .................................................44 Figura 18 Capacidade de refrigerao versus rotao do compressor ..................................44 Figura 19 Potncia do compressor.........................................................................................45 Figura 20 COP versus Rpm...................................................................................................46 Figura 21 Fluxo mssico de refrigerante versus temperatura no evaporador........................48 Figura 22 Capacidade de rfrigerao versus temperatura de retorno.....................................48 Figura 23 COP versus temperatura no evaporador................................................................49 Figura 24 Potncia no compressor versus temperatura de retorno........................................49 Figura 25 Eficincia volumtrica versus Rpm (CVC 125)....................................................50 Figura 26 Eficincia volumtrica versus Rpm (CVC 165)....................................................51

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Propriedades dos principais refrigerantes CFCs ( Calm e Hourahan, 2001).........17 Tabela 2 Propriedades fsicas, de segurana e ambientais ( Mahmoub Ghodbane1 1999)...20 Tabela 3 Valore adotados para simula 1.............................................................................43 Tabela 4 Resultados da simulao 1......................................................................................46 Tabela 5 Continuao dos resultados da simulao 1............................................................46 Tabela 6 Valores adotados para simulao 2.........................................................................47 Tabela 7 Resultados da simulo 2........................................................................................50

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LISTA DE SMBOLOS Smbolos Simples

A rea [m] 0A constante determinada por Jabardo para o

compressor (2002) valA ,0 mnima rea de vazo atravs do orifcio

da vlvula [m] 1A constante determinada por Jabardo para o

compressor (2002) 0B constante determinada por Jabardo para o

compressor (2002) 1B constante determinada por Jabardo para o

compressor (2002) VA constantes determinada por Jabardo para a

vlvula (2002) VB constantes determinada por Jabardo para a

vlvula (2002) 1C taxa de capacidade calorfica do fluido

refrigerante [kW/K] 2C taxa de capacidade calorfica do ar [kW/K] minC mnima capacidade calorfica [kW/K] maxC mxima capacidade calorfica [kW/K]

refC razo entre minC e maxC

vazoC coeficiente de vazo da vlvula COP Coeficiente de Performance g acelerao da gravidade [m/s] H coeficiente de transferncia de calor por

conveco [W/mK] j fator de Stan-Colburn h entalpia especfica [kJ/kg]

AK parmetro determinado por Jabardo (2002) m frao de espao nocivo do compressor m

vazo mssica [kg/s] n rotao do compressor [rpm] NR Nmero do fluido Refrigerante NUT nmero de unidades de transferncia P presso [MPa] p presso [MPa] PG Propriedades Geomtricas PTA Propriedades Termodinmicas do Ar

cdq calor rejeitado [kJ/kg] evq efeito de refrigerao [kJ/kg]

cdQ

taxa de calor rejeitado [kW] evQ

capacidade de refrigerao [kW] u velocidade do ar [m/s]

dV volume deslocado pelo compressor [m] x ttulo w trabalho especfico de compresso [kJ/kg]

cpW

potncia do compressor [kW]

Letras Gregas

variao entre duas grandezas similares

efetividade de um trocador de calor

0

eficincia global de uma superfcie aletada

c

eficincia de compresso [%]

V

eficincia volumtrica do compressor [%]

ref

massa especfica do refrigerante [kg/m]

volume especfico [m/kg]

sobrescrito

0 estado de referncia

subscrito

1 suco do compressor 2 descarga do compressor 3 entrada do condensador 4 sada do condensador 5 entrada da vlvula de expanso 6 sada da vlvula de expanso 7 entrada do evaporador 8 sada do evaporador ar ar asp aspirado no compressor car Carnot cd condensador cp compressor d deslocado des descarga do compressor desu desuperaquecimento dep desuperaquecimento ev evaporador ent entrada f aleta i interno l lquido med mdio mix mistura o externo ref fluido refrigerante sai sada v volume constante val vlvula

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1 INTRODUO Este captulo apresenta informaes sobre o estudo proposto e sua importncia, uma reviso bibliogrfica sobre o assunto estudado, alm dos objetivos e da metodologia a ser adotada.

1.1 ESTUDO PROPOSTO E A SUA IMPORTNCIA

Atualmente, o sistema de ar condicionado se tornou um opcional bastante necessrio na maioria dos automveis, proporcionando conforto e segurana para seus passageiros. Sistemas modernos integram resfriamento, aquecimento e controle de umidade com um simples toque nos comandos do painel. Pelo fato dos consumidores esperarem um alto nvel de conforto e segurana, sistemas de ar condicionado eficientes so considerados primordiais para a aceitao de futuros veculos eltricos, hbridos ou dotados de clulas de combustvel.

Desde a introduo do sistema de ar condicionado para automveis em 1940 existiram diversas melhorias e modificaes no sistema original. Esses desenvolvimentos ocorreram devido necessidade de prover maior durabilidade ao sistema e conforto aos passageiros, bem como a grande importncia que vem sendo dada ao meio ambiente no decorrer dos tempos.

Os sistemas de ar condicionado automotivo apresentam algumas peculiaridades em relao aos sistemas industriais e comerciais. Por outro lado, as aplicaes automotivas so caracterizadas por uma significativa variao de carga trmica, que depende, dentre outros fatores da hora do dia ou o

nmero de passageiros dentro do automvel. Dessa forma, esse tipo de sistema de refrigerao deve prover um conforto trmico dentro de condies altamente transientes e ao mesmo tempo serem compactos e eficientes. Alm disso, pelo fato do compressor ser propelido pelo motor do automvel, ele deve operar dentro de um grande intervalo de rotao. Todos esses parmetros tornam o conforto trmico dentro da cabine um problema altamente complexo.

Ao longo das duas ltimas dcadas, os sistemas de ar condicionado automotivo vm sofrendo uma enorme evoluo devido ao crescimento populacional e a sua popularizao. No Brasil, por exemplo, cerca de 2,2 milhes de veculos foram produzidos no ano de 2004, sendo 42% equipados com sistemas de climatizao. (Stuani, 2004). Com isso, faz-se necessrio o desenvolvimento de novas tecnologias para acompanhar as necessidades de mercado.

Entretanto novas tecnologias necessitam ser testadas para garantir o sucesso de novos projetos, assim vrias ferramentas se tornaram importantes e muita utilizadas para analisar o desempenho desses novos sistemas. Programas computacionais e aparatos experimentais so desenvolvidos para se obter

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resultados que mostrem caractersticas relevantes do sistema em questo. Atravs desses modelos, pode-se testar todos os componentes e tipos de refrigerante, bem como a quantidade necessria de fluido refrigerante, sob diversas condies de uso e, dessa forma prever o comportamento do sistema para promover melhorias julgadas necessrias.

Dentro dessas novas tecnologias pode-se destacar dois componentes merecedores de destaque. O primeiro o compressor alternativo de capacidade varivel e o segundo um condensador do tipo micro channel de escoamento paralelo feito de alumnio extrudado, proporcionando leveza e excelente performance trmica ambos para uma reduzida carga de refrigerante. Ambos os equipamentos foram considerados no presente estudo.

Tendo em vista a carga de refrigerante em um sistema de ar condicionado automotivo e a preocupao com a conservao do meio ambiente, os modelos computacionais esto sendo utilizados para testar novos tipos de fluidos refrigerante, alternativos queles que so base de flor. Desde a assinatura do

Protocolo de Montreal, todas as vinte e trs naes signatrias do protocolo se comprometeram com a preservao da Camada de Oznio, limitando o uso e a produo de substncias que comprometam sua integridade. Dentre essas substncias esto os clorofluorcarbonos, os CFCs feitos de cloro, flor e carbono. Esse gs foi vastamente usado na indstria por dcadas, devido a sua estabilidade qumica, no-flamabilidade e por ser no-txico.

Para tentar amenizar esses efeitos e evitar outros piores, algumas medidas j foram tomadas no intuito de reverter ou mesmo diminuir a agresso Camada de Oznio da atmosfera terrestre. Entre elas, as mais importantes foram a Conveno de Vienna e o Protocolo de Montreal. O primeiro passo foi dado com a Conveno de Vienna, realizado em 1985 onde vinte naes concordaram em tomar medidas apropriadas para proteger o meio ambiente contra os efeitos adversos resultantes de atividades humanas que modificam a Camada de Oznio. O principal objetivo da Conveno de Vienna foi encorajar a pesquisa e provocar uma cooperao geral entre os pases a trocar informaes sobre o assunto. Posteriormente, em dezesseis de janeiro de 1987, o Protocolo de Montreal em Substncias que Reduzem a Camada de Oznio foi adotado e em primeiro de janeiro de 1989, vinte e nove pases ratificaram o acordo que determinava a reduo de produo e uso do CFC pela metade at o ano 2000 e completa paralisao at 2010, hoje j so mais de cento e setenta pases que ratificaram o protocolo.

O Brasil aderiu Conveno de Vienna e ao Protocolo de Montreal em dezenove de maro de 1990. Essa adeso forou a elaborao de diversas normas e o estabelecimento de um plano de eliminao do uso de um agrotxico, o brometo de metila, alm da defesa de projetos nacionais no Fundo Multilateral para a Implementao do Protocolo de Montreal. Uma resoluo do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) estabeleceu como data limite, o ano de 2007, para banir as importaes de CFCs, produto este que no mais produzido no pas desde 1999.

Preocupaes com relao ao aquecimento global e o impacto do uso de fluorcarbonos como gs refrigerante pressionaram as empresas de climatizao e refrigerao a considerar o uso de refrigerantes inflamveis, tais como o propano (R-290), o isobutano (R-600) e outros hidrocarbonetos.

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Tais refrigerantes podem ser simulados em programas computacionais para estudar a viabilidade do uso na indstria automobilstica.

1.2 ESTADO DA ARTE SISTEMA DE CLIMATIZAO AUTOMOTIVO

1.2.1 REFRIGERANTES

Segundo Lorentzen e Pettersen (1992), o dixido de carbono CO2 oferece uma completa soluo para os problemas ambientais em vrias reas da refrigerao. Os autores estudaram que o ciclo de compresso a vapor deveria se adaptar as propriedades dos fluidos alternativos que se pretende usar ao contrrio de se tentar desenvolver um componente qumico que satisfaa as condies do ciclo. Em termos ambientais, econmicos e de segurana, o CO2 algo como um refrigerante ideal comparado com a gua, ar e amnia. Os resultados dos testes experimentais realizados pelos autores em uma bancada de ar condicionado automotivo mostraram que o COP (coeficiente de performance) do sistema abastecido com CO2 to significativo, ou ligeiramente melhor, quanto o sistema padro com CFC12.

Abboud (1994) mediu a performance do ar condicionado de cinco automveis populares com R12 e posteriormente com uma mistura de LPG (Liquefied Petrolium Gas) em laboratrio. O autor recomendou 60% em massa de propano comercial da Bass Strait e 40% de butano. Com isso ele obteve resultados de 10% a mais de resfriamento com a mistura do que com R22 com um super-resfriamento satisfatrio e 8% a mais de presso de condensao.

Purkayastha e Bansal (1997) estudaram, experimentalmente, a performance de refrigerantes hidrocarbonetos como a mistura de propano e gs de petrleo liquefeito (LPG), como possveis substitutos do HCFC 22 em aplicaes de refrigerao e bombas de calor. A anlise do experimento mostrou que os refrigerantes hidrocarbonetos obtiveram uma melhor performance comparada com o HCFC 22, contudo apresentaram uma pequena perda na capacidade de condensao. Segundo os resultados, a vazo mssica e a temperatura de descarga no compressor se mostraram significativamente menor do que com HCFC 22. A performance da mistura de LPG testada apresentou melhores resultados do que com HC290 em altas temperaturas de condensao, mas piores em temperaturas inferiores. Os estudos revelaram que a mistura testada de LPG e propano podem ser excelentes refrigerantes em aplicaes de bombas de calor e refrigerao.

Kern e Wallner (1998) estudaram o impacto do Protocolo de Montreal em sistemas de ar condicionado automotivo. Segundo os autores o protocolo em questo trouxe definitivamente um grande impacto nas indstrias automotivas do mundo, principalmente dos Estados Unidos e Japo, devido ao alto consumo de R22 nesses pases. Somente as medidas bsicas para a introduo de servios de precauo e reparo para que esse gs no seja depositado na atmosfera foi tecnicamente complicado, mais especificamente, em termos de armazenamento do R22. Mesmo que introduzidos rapidamente,

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os efeitos dessas medidas no sero sentidos em menos de dez anos. Segundo os autores, os custos requeridos so estimados em cem milhes de dlares somente nos Estados Unidos. Para eles a introduo de fluidos alternativos tomar mais tempo, pois mudanas extensivas nos equipamentos sero necessrias. Os custos para essas mudanas ficaram na ordem de um bilho de dlares.

Em um outro estudo, Maclaine-cross (1999) mostrou que os HC s se destacavam como uma soluo vivel e eficiente. Alm de possurem boas propriedades, poderiam ser utilizadas misturas de dois ou mais HC s, ou at mesmo misturas com outras substncias que no fossem hidrocarbonetos. Algumas das vantagens dos HC s so: desempenho, compatibilidade com leo mineral, baixa toxicidade e impacto ambiental nulo.

Maclaine-cross (1999) mostrou, tambm, que alguns HC s so naturalmente abundantes e com uma elevada pureza. Ele tambm concluiu que a reduo nos gastos, com a adoo de HC s como fluidos refrigerantes para sistemas de climatizao automotiva, seria de 50%.

Ghodbane (1999) em seu artigo avaliou experimentalmente o uso do R152a e os hidrocarbonetos R290, RC270 e R600a como potenciais substitutos para o R134a em ar condicionado automotivo. Ele tambm avaliou o uso de um segundo circuito no sistema para esses refrigerantes. Os resultados obtidos, excluindo a questo de flamabilidade, mostraram que o R152a e o RC270 exibiram uma superioridade como refrigerantes comparados com o R134a. Em termos de performance, os resultados mostraram claramente que o R152a pode ser usado como um timo substituto para o R134a ao passo que o ciclopropano (RC270) mais do que adequado. Essa anlise feita por Ghodbane provou que o isobutano (R600a) no a melhor opo para ar condicionado automotivo, pois seu COP foi considerado baixo, alm de requer um alto deslocamento para o compressor devido a sua baixa presso de operao. Comparativamente o R152a e o ciclopropano obtiveram um COP mais alto que o R134a. Na anlise de um circuito secundrio, o autor provou que o potencial de flamabilidade desses gases pode ser significativamente reduzido, se no eliminado. Esse tipo de sistema preveniria que o refrigerante entrasse no compartimento de passageiros. A sua nica influncia seria na questo de consumo de energia que seria relativamente maior.

Jung e Park (1999) examinaram a performance de uma mistura de propano/isobutano (R290/R600a) para refrigeradores domsticos. Um ciclo termodinmico foi analisado e os autores concluram que uma mistura de propano/isobutano em uma faixa de 0,2 a 0,6 de frao mssica de propano proporcionou um crescimento no coeficiente de performance (COP) de 2,3% se comparado com o CFC 12. Os resultados experimentais indicaram que a mistura com frao mssica de 0,6 de propano obteve um aumento de 3 a 4% de eficincia energtica e uma taxa de resfriamento mais rpida do que com o CFC 12. Os autores concluram que a mistura proposta de hidrocarbonetos um bom candidato para substituir o CFC 12 / HFC134a considerando a conservao de energia com a mnima mudana nos refrigeradores testados.

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Granryd (2000) estudou as possibilidades de problemas do uso de hidrocarbonetos como fluidos de trabalho em equipamentos de refrigerao. Diferentes tipos de hidrocarbonetos foram estudados com base em suas propriedades termodinmicas assim como em transferncia de calor. O autor pde concluir que os hidrocarbonetos oferecem alternativas interessantes como refrigerante em termos de eficincia energtica e interesses ambientais. Entretanto, Granryd afirma que certas precaues devem ser tomadas considerando a flamabilidade dos hidrocarbonetos. Segundo ele, para algumas aplicaes, essas modificaes de segurana podem ser feitas com baixo ou nenhum custo de instalao, mas para o caso geral isso no acontece.

1.2.2 SIMULAO COMPUTACIONAL E EXPERIMENTAL

Um modelo computacional foi desenvolvido por Raman e Ali (1995) para um circuito de refrigerao de um sistema de ar condicionado automotivo. O programa inclua trs modelos de condensadores e evaporadores de alumnio, um compressor alternativo de capacidade constante e uma vlvula de expanso termosttica. O modelamento dos trocadores de calor foi desenvolvido dividindo a rea de troca de calor em regies associadas fase do refrigerante dentro dos canais. O conjunto de equaes algbricas no lineares foi resolvido atravs de diversos procedimentos de substituio.

Aisbett e Pham (1997) montaram um modelo computacional para prever o consumo de refrigerante de ar condicionado automotivo e os seus efeitos na reduo da camada de oznio e no aquecimento

global na China, ndia, Coreia do Sul e sia. Os autores consideraram tanto refrigerantes sintticos, como o HFC 134, e naturais, como os hidrocarbonetos. Aisbett e Pham previram atravs de clculos que o uso de hidrocarbonetos ir contribuir significativamente para a reduo do potencial de aquecimento global e uma grande economia monetria. Segundo eles a opo de uso por HFCs ir custar mais de um bilho de dlares por ano aps 2005.

Purkayastha e Bansal (1997) estudaram, experimentalmente, a performance de refrigerantes hidrocarbonetos como a mistura de propano e gs de petrleo liquefeito (LPG), como possveis substitutos do HCFC 22 em aplicaes de refrigerao e bombas de calor. A anlise do experimento mostrou que os refrigerantes hidrocarbonetos obtiveram uma melhor performance comparada com o HCFC 22, contudo apresentaram uma pequena perda na capacidade de condensao. Segundo os resultados, a vazo mssica e a temperatura de descarga no compressor se mostraram significativamente menor do que com HCFC 22. A performance da mistura de LPG testada apresentou melhores resultados do que com HC290 em altas temperaturas de condensao, mas piores em temperaturas inferiores. Os estudos revelaram que a mistura testada de LPG e propano podem ser excelentes refrigerantes em aplicaes de bombas de calor e refrigerao.

Huang (1999), props uma programa de simulao dinmica envolvendo sucessivamente o circuito de refrigerao e a cabine de passageiros. Efeitos de inrcia foram negligenciados no compressor enquanto nos modelos do evaporador e do condensador incluam suas respostas transientes. Os

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resultados da simulao correlacionaram razoavelmente bem com dados experimentais obtidos de um carro esporte em um tnel de vento.

Na maioria dos sistemas de ar condicionado automotivo, o compressor opera em ciclos de liga e desliga, de forma a garantir as necessidades de refrigerao constante dentro da cabine de passageiros. Por ser o compressor movido por uma correia acoplada ao eixo do motor do automvel, essa razo de ciclos diretamente relacionada com a velocidade do veculo. As perdas no sistema de refrigerao crescem com o aumento da velocidade e conseqentemente com a quantidade de ciclos do compressor. Ratts e Brown (1999) identificaram e quantificaram as perdas individuais no sistema de refrigerao automotivo durantes os ciclos do compressor. Os autores quantificaram as perdas termodinmicas dos componentes individuais do sistema de refrigerao dentro de condies de velocidade constante, 30 mph, 60 mph e parado. A anlise mostrou que a performance do sistema se degrada com o aumento da velocidade do veculo. Perdas termodinmicas aumentam de 18% desde o

estado estacionrio a 30mph e aumentam de 5% quando a velocidade cresce de 30 para 60mph. Segundo Ratt e Brown o compressor foi o componente que apresentou uma maior perda termodinmica se comparado a outros elementos do sistema de refrigerao.

De acordo com Lee e Yoo (2000), os tipos de trocadores mais utilizados nos sistemas de ar condicionado automotivo so o evaporador do tipo laminado e o condensador de fluxo de ar paralelo. A vlvula de expanso mais utilizada a termosttica e o compressor mais aplicado o compressor do tipo swash plate, um compressor com dimenses reduzidas.

Alm da importncia dada aos componentes do sistema, um outro fator importante a comparao feita entre os resultados da simulao numrica com os resultados experimentais. Lee e Yoo (2000) compararam os resultados obtidos em suas anlises computacionais do sistema de climatizao automotiva com os resultados de uma bancada experimental. Os resultados da simulao numrica concordam com os resultados experimentais em uma taxa de variao de 7%.

J.M. Jabardo e M.R. Ianella (2001) desenvolveram um modelo de simulao computacional de um circuito de refrigerao automotivo. Essa simulao inclua um compressor de capacidade varivel e uma vlvula de expanso termosttica junto com um evaporador e um condensador com escoamento de micro canais paralelos. A bancada experimental foi desenvolvida a partir de componentes originais de um sistema de ar condicionado de um automvel compacto. O circuito de refrigerao foi equipado com um compressor de capacidade varivel movido por um motor eltrico controlado por um variador de freqncia. Os autores avaliaram experimentalmente os efeitos de performance do sistema baseados em parmetros operacionais, tais como, velocidade do compressor, temperaturas de retorno no evaporador e no condensador e posteriormente simulados no modelo computacional desenvolvido. Jazardo e Ianella verificaram que os resultados do modelo desviaram de aproximadamente 20% dos obtidos experimentalmente. O carregamento de refrigerante tambm foi avaliado e os resultados mostraram nenhum efeito na performance do sistema diante dessa variao.

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Brown et al. (2001), realizou uma simulao de um sistema de ar condicionado automotivo com gs carbnico e R134a, sendo que o sistema que utilizava R134a possua um compressor, um condensador, uma vlvula de expanso e um evaporador. J no sistema com o gs carbnico, alm dos componentes citados, havia ainda trocadores de calor nas linhas de lquido e suco. Com essa anlise, eles mostraram que o Coeficiente de Performance (COP) do R134a era superior ao COP do gs carbnico em 21% e, em alguns casos, essa superioridade chegou a 34%.

Joudi, Mohammed e Aljanabi (2003) estudaram a performance de sistemas de ar condicionado automotivo com gases refrigerantes alternativos, experimentalmente e em analise computacional.

Nesse estudo os autores tinham como objetivo determinar o refrigerante alternativo mais interessante em substituio ao R-12. Nesse caso, os efeitos de vrios parmetros do sistema, como temperatura de evaporao, condensao e velocidade rotacional do compressor, foram investigados. Eles estudaram cinco refrigerantes para esse modelo, incluindo R-12, R-134a, R-290 (propano), R-600a (isobutano), e uma mistura desses dois ltimos. O modelo mostrou que a mistura de propano e isobutano foi alternativa mais conveniente em substituio ao R-12 e que diversas modificaes deveriam ser feitas quando utilizados os outros refrigerantes estudados em sistemas j preparados para R-12. A anlise dos autores mostrou que a performance da mistura R290/R600a foi similar quela do R-12 com pequena superioridade para o gs original em presso de trabalho, consumo de energia e valores de COP, enquanto a mistura superou em temperaturas de subresfriamento, superaquecimento na descarga de ar no evaporador.

Joudi et al. (2003) analisaram o valor do COP para dois fluidos refrigerantes: o R12 e a mistura R290/R600a. A comparao de COP foi feita para duas temperaturas ambientes (40C e 50C) e para duas cargas trmicas (2000 W e 3000 W). Em termos de desempenho, a mistura em questo foi considerada um timo substituto para o R12. Dentre outras concluses, o sistema que possui R290/R600a como fluido refrigerante acarreta um conforto trmico mais rpido para o passageiro, quando comparado com o sistema que utiliza R12. Alm disso, o consumo de potncia do sistema com R290/R600a pouco superior ao sistema com R12.

Recentemente, Dias (2004) desenvolveu um programa computacional que simulava um sistema de ar condicionado automotivo com os fluidos refrigerantes R12, R134a e alguns hidrocarbonetos. Nesta simulao, foi implementado um programa computacional para comparar o desempenho energtico dos refrigerantes alternativos com o R134a, por meio de um ciclo padro de compresso a vapor, e outro, para analisar um sistema real de refrigerao automotiva com esses refrigerantes. De acordo com o autor, alguns hidrocarbonetos mostraram boa aplicabilidade nos sistemas de refrigerao em questo, enquanto outros tiveram desempenho insatisfatrio, quando comparados com o R134a.

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1.3 OBJETIVO DO TRABALHO

O objetivo do presente trabalho implementar novas varireis a um programa computacional para simulao de sistemas de ar condicionado automotivo, tais como razo de compresso, temperatura de superaquecimento e efeito de volume nocivo do compressor, bem como enfatizar a influncia do

compressor de capacidade varivel no sistema com o intuito de torna os resultados mais prximos queles obtidos por um sistema de climatizao real.

Com base nessas modificaes, simular o programa para diversos parmetros de entrada e comparar as variveis de performance obtidas com aquelas resultantes da simulao do programa original. Posteriormente, comparar e analisar esses resultados tendo como referncia dados experimentais publicados na literatura recente e dados obtidos em catlogos de performance de fabricantes como forma de validao do estudo proposto.

Como objetivo secundrio pretende-se, realizar uma modelagem matemtica do problema tendo em vista as modificaes propostas, dessa forma tem-se uma melhor compreenso do funcionamento dos

principais componentes presente no sistema de climatizao automotiva bem como das alteraes implementadas na simulao computacional. Os componentes so um compressor de capacidade varivel, um evaporador tipo cooling coil, um condensador tipo micro channels de fluxo paralelo e uma vlvula de expanso termosttica.

1.4 METODOLOGIA

Para que as modificaes no programa computacional sejam compreendidas pretende-se explanar o funcionamento de um sistema de ar condicionado automotivo e de seus componentes individualmente, visto que cada componente do sistema tem influncia direta no comportamento do equipamento vizinho respeitando o fechamento do ciclo e a premissa que a simulao em regime permanente. Para tanto, devem-se realizar uma modelagem matemtica para que a implementao possa ser realizada.

Posteriormente, a modelagem matemtica deve ser traduzida para linguagem de programao FORTRAN (Compaq Visual Fortran 6, 1999), no qual a simulao foi realizada. A partir desse ponto algumas condies de operao devem ser determinadas de modo a traduzirem o comportamento esperado para que uma anlise possa ser realizada a partir de relatrios emitidos pelo programa contendo as informaes mais importantes da simulao.

E em uma anlise final, todos os resultados, aqueles obtidos pelo programa original e aqueles obtidos pelo presente trabalho, devem ser comparados com dados experimentais encontrados na literatura recente e com catlogos de desempenho fornecidos por fabricantes.

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1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho pretende introduzir modificaes atravs de novos parmetros em uma simulao de um sistema de ar condicionado automotivo existente e para tanto faz-se necessrio um demonstrativo da organizao do estudo.

No Captulo 1 foi mostrado a importncia do estudo. Nele foi realizada um introduo que localizou o tema em um contexto histrico, alm de mostrar publicaes j realizadas em relao ao assunto e trazendo uma metodologia para o cumprimento dos objetivos propostos, bem como mostrar a importncia do estudo e obter um guia para as decises a serem tomadas. Nesse captulo o assunto foi problematizado e objetivos foram traados de forma a facilitar o desenvolvimento do estudo.

No Captulo 2 ser realizada uma explanao a respeito dos aspectos envolvidos no estudo de climatizao automotiva. Posteriormente, o Ciclo de Compresso a Vapor ser analisado e seus conceitos sero evidenciados, juntamente com conceito psicromtricos. Haver um desenvolvimento das equaes pertinentes ao clculo das propriedades e dos parmetros de desempenho do ciclo e

conceitos terico sero apresentados.

No Captulo 4, a simulao numrica ser comentada, mostrando as rotinas e sub-rotinas j existentes bem como as modificaes propostas de modo a tornar o processo mais compreensivo e aparente.

No captulo 5, ser mostrado os resultados pertinentes s implementaes dos novos parmetros juntamente com uma comparao e anlise dos dados obtidos atravs das simulaes e de dados experimentais e de fabricantes de modo a validar as alteraes propostas.

No Captulo 6, as concluses finais sero discutidas e comentadas alm de novas propostas de continuao para desenvolvimento do programa em questo.

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2 CONCEITOS TERICOS No presente captulo, os conceitos tericos do ciclo padro de compresso a vapor sero abordados ,enfatizando os parmetros de performance do ciclo. Posteriormente, alguns dos fluidos refrigerantes mais utilizados no processo de refrigerao por compresso sero abordados com suas principais vantagens e desvantagens. Por fim, introduzida uma abordagem do sistema de climatizao automotivo, comentando seus principais aspectos

2.1 CICLO DE COMPRESSO A VAPOR O ciclo de compresso a vapor um ciclo trmico que permite a aplicao em sistemas de ar condicionado e refrigerao. A refrigerao por compresso muito utilizada em diversas aplicaes como residncias, comrcios, transportes, etc. O seu princpio de funcionamento objetiva, como qualquer sistema de refrigerao, a retira de calor de um recinto fechado e o transporte para o exterior, produzindo assim o efeito desejado tal como congelamento ou resfriamento, como mostrado na Fig. (1). Nesse ciclo, o vapor comprimido, condensado, tendo posteriormente sua presso diminuda de modo que o fluido possa evaporar a baixa presso.

Figura. 1 - Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso a vapor (Litzinger, 2004)

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Figura. 2 Ciclo de Compresso de vapor ideal no Diagrama de Mollier (Frana,2004)

A Fig. (2) representa o ciclo de compresso a vapor e os processos termodinmicos que constituem o ciclo terico, e seus respectivos equipamentos so:

1-2 Ocorre no compressor, um processo adiabtico reversvel isentrpico. O refrigerante entra no compressor presso do evaporador e com ttulo x = 1. O refrigerante ento comprimido at atingir a presso de condensao, e neste estado ele superaquecido com temperatura maior que a de condensao

2-3 Ocorre no condensador e um processo reversvel de rejeio de calor a presso constante at que todo o vapor tenha-se tornado lquido saturado na presso de condensao

3-4 Ocorre na vlvula de expanso, uma expanso irreversvel a entalpia constante desde a presso de condensao at a presso do evaporador. Por ser um processo irreversvel a entropia do refrigerante ao deixar a vlvula de expanso maior que a entropia do refrigerante ao entrar na vlvula.

4-1 Ocorre no evaporador e um processo de transferncia de calor a presso constante,

conseqentemente a temperatura permanece constante desde o vapor mido no estado 4 at atingir o estado de vapor saturado seco x = 1, somente mudando seu estado.

2.1.2 DESEMPENHO DO CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR

Algumas das caractersticas fundamentais de um ciclo de refrigerao podem ser determinadas a partir do diagrama presso-entalpia, Fig. (2) descritas a seguir:

12

Capacidade frigorfica do ciclo

A capacidade frigorfica do ciclo )(Q a quantidade de calor por unidade de tempo retirada do meio que se quer resfriar atravs do evaporador do sistema, entre as temperaturas de condensao e do evaporador. Para o sistema operando em regime permanente desprezando-se a variao de energia cintica e potencial, da primeira lei da termodinmica, temos:

)( 41 hhmQ f (1)

O fluxo de massa de refrigerante )( fm

deve ser mantido pelo compressor. Normalmente se conhece a

capacidade frigorfica do sistema de refrigerao o qual deve ser igual carga trmica. A quantidade de calor retirada por um quilo de refrigerante atravs do evaporador chamada de efeito de refrigerao (E.R), cujo conhecimento necessrio, uma vez que esse processo representa o objetivo principal do sistema, assim:

41.. hhRE

(2)

Potncia Terica do Compressor

A potncia terica do compressor ( cW ) a quantidade de energia por unidade de tempo fornecida pelo compressor ao refrigerante, para que ele passe do estado 1, na

suco, para o estado 2, na descarga, sendo um processo isentrpico. Da mesma forma, aplicando-se a primeira lei da termodinmica, desprezando a energia cintica e potencial e considerando regime permanente, tem-se:

)( 12 hhmW fc

(3)

Fluxo de Calor Rejeitado no Condensador

a quantidade de calor por unidade de tempo )( cQ a ser rejeitada no condensador para o sistema. A metodologia a mesma utilizada para o clculo da capacidade frigorfica do ciclo:

)( 32 hhmQ fc

(4)

Coeficiente de Eficcia do Ciclo

O coeficiente de eficcia (COP) um parmetro importante na anlise de instalaes frigorficas. A eficcia do ciclo uma funo somente das propriedades do refrigerante e conseqentemente das temperaturas de condensao e vaporizao. O coeficiente de eficcia deve ser sempre maior que um, quanto mais prximo de um pior.

12

41

hhhh

WQ

EnergiaEnergiaCOP

cgasta

til

(5)

Equaes descritas acima relacionam os parmetros mais importante de um ciclo de compresso a vapor com eles definidos o ciclo est caracterizado.

2.2 PSICROMETRIA

A Psicrometria definida como o ramo da fsica relacionado com a medida ou determinao das condies do ar atmosfrico, particularmente com respeito mistura ar seco

vapor d gua. Em ar

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condicionado o ar no seco e sim uma mistura de ar e vapor de gua, resultando da a importncia da psicrometria. Em alguns processos a gua removida do ar, enquanto em outros adicionada.

Ar seco

Por definio, ar seco a mistura dos gases que constituem o ar atmosfrico com excluso do vapor d gua, i.e., quando todos os contaminantes so removidos do ar atmosfrico. A composio do ar seco relativamente constante, tendo pequenas variaes na quantidade dos componentes com o tempo, localizao geogrfica e altitude.

Ar mido

A mistura ar seco-vapor d gua denominada de ar mido. A quantidade de vapor d gua presente na mistura pode variar de zero at um valor correspondente condio de saturao. Isso corresponde quantidade mxima de vapor d gua que o ar pode suportar em uma determinada condio de temperatura.

Diversas propriedades termodinmicas fundamentais esto associadas com as propriedades do ar mido de maneiras diferentes.

Trs propriedades esto associadas com a temperatura:

a) Temperatura de bulbo seco (tBS);

b) Temperatura de bulbo mido (tBU);

c) Temperatura do ponto de orvalho (t0).

Algumas propriedades termodinmicas caracterizam a quantidade de vapor d gua presente no ar mido:

d) Presso de vapor (PV);

e) Razo de umidade ou ttulo (x);

f) Umidade relativa ( );

g) Grau de saturao ().

Outras propriedades de fundamental importncia so relacionadas com o volume ocupado pelo ar e com a energia:

h) Volume especfico ( ) e

i) Entalpia (h).

Temperatura de Bulbo Seco (tBS)

a temperatura indicada por um termmetro comum, no exposto a radiao. freqentemente denominada apenas por temperatura do ar.

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Temperatura de Bulbo mido (tBU) a temperatura indicada por um termmetro cujo bulbo foi previamente envolto por algodo mido, at que se atinja o equilbrio trmico. Nesse tipo de termmetro, a mistura ar seco-vapor d gua sofre um processo de resfriamento adiabtico, pela evaporao da gua do algodo no ar, mantendo-se a presso constante. Para se fazer leitura dessa temperatura, necessrio o uso de um psicrmetro.

Temperatura do Ponto de Orvalho (t0)

a temperatura na qual o vapor se condensa ou solidifica quando resfriado a presso constante e contedo de umidade constante.

Presso de Vapor (Pv)

A presso de vapor a presso parcial exercida pelas molculas de vapor d gua presentes no ar mido.

Presso de Vapor Saturado (Pvs)

Ocorre quando o ar est totalmente saturado de vapor d gua.

Razo de umidade ou ttulo (x)

definida como a razo entre a massa de vapor d gua e a massa de ar seco em um dado volume da mistura.

Umidade Relativa

definida como sendo a relao entre a presso parcial do vapor d gua na mistura e a presso de saturao correspondente temperatura de bulbo seco da mistura e pode ser determinada pela equao

atemperaturmesmaaparaguadsaturaodepressoguadvapordoparcialpresso

'

'

(6)

Grau de Saturao

a relao entre a razo da umidade atual da mistura (x) e a razo de umidade do ar na condio de saturao mesma temperatura e presso atmosfrica.

Volume especfico ( )

definido como o volume ocupado pela mistura ar seco-vapor d gua por unidade de massa de ar seco.

Entalpia para o Ar mido (h) a energia do ar mido por unidade de massa de ar seco, acima de uma temperatura de referncia. Visto que somente a diferena de entalpia de interesse prtico da engenharia, o valor escolhido para

a temperatura de referncia torna-se irrelevante.

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2.2.1 DIAGRAMA PSICROMTRICO

As propriedades termodinmicas da mistura ar seco-vapor d gua que constituem o ar atmosfrico podem ser convenientemente apresentadas em forma de diagramas denominados Diagramas Psicromtricos ou Cartas Psicromtricas. Estes so construdos para determinada presso atmosfrica,

embora, s vezes, existam curvas de correo disponveis para outras presses.

H diferentes diagramas psicromtricos em uso. Os grficos diferem com respeito presso baromtrica, faixa de temperaturas, nmeros de propriedades includas, escolha das coordenadas e temperatura de referncia para a entalpia. Os dois diagramas usados so o Diagrama de Carrier e o Diagrama de Mollier. O Diagrama de Mollier possui a razo de umidade e entalpia como coordenadas. J no Diagrama de Carrier a razo de umidade e/ou presso de vapor, que uma das coordenadas, traada versus a temperatura de bulbo seco juntamente com uma outra coordenada oblqua, a entalpia, como mostrado na Fig (3).

Figura. 3 - Diagrama de Mollier

2.2.2 PROCESSOS

Os processos com ar mido podem ser representados graficamente em uma carta psicromtrica, onde so facilmente interpretados. A carta tambm pode ser utilizada para determinao de variaes de

propriedades como temperatura, umidade absoluta e entalpia que ocorrem nos processos. Alguns processos bsicos so:

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a) Resfriamento e aquecimento

Referem-se taxa de transferncia de calor que provoca somente a variao da temperatura de bulbo seco. No ocorre mudana na umidade absoluta.

b) Resfriamento e desumidificao

Resultam em uma reduo da temperatura de bulbo seco e da umidade absoluta. O equipamento que realiza esse processo a serpentina de resfriamento e desumidificao.

c) Mistura

A mistura de duas correntes de ar um processo muito comum em ar condicionado. Nesse caso duas correntes de ar distintas e com propriedade diferentes se encontram, resultando em uma nica corrente.

2.3 FLUIDOS REFRIGERANTES

O fluido de trabalho em um sistema de refrigerao denominado refrigerante. Por meio de compresso e expanso eles so capazes de adicionar ou retirar energia trmica do sistema.

Os refrigerantes mais comuns so os hidrocarbonetos fluorados, porm outras substncias podem funcionar com refrigerantes, includo compostos inorgnicos e hidrocarbonetos.

At recentemente a aplicabilidade dos fluidos refrigerantes para uma dada temperatura de refrigerao e capacidade era medida somente pelas suas propriedades fsicas e qumicas. Segurana era considerada somente em termos de risco de exploso, fogo ou vazamentos no caso de substncias txicas. Esse modo de enxergar os refrigerantes mudou com a descoberta dos danos que alguns podem causar ao meio ambiente.

Propriedades fsicas, qumicas e outras restringem o universo das substncias fluidas que podem ser usadas em circuitos de refrigerao.

Os seguintes atributos so desejveis para um fluido refrigerante:

No txico

Alto calor de vaporizao para minimizar a quantidade de refrigerante e o tamanho do equipamento;

Baixo volume especfico no estado vapor para minimizar o tamanho do compressor;

Baixo calor especfico no estado lquido para minimizar a transferncia de calor no sub-resfriamento do lquido condensado;

Condensar-se a presses moderadas para evitar compressores de alta presso;

Evaporar-se a presses acima da atmosfrica;

Ser quimicamente estvel, no se alterar apesar das repetidas mudanas de estado no circuito de refrigerao;

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No ser corrosivo;

No ser explosivo;

No ser txico;

Permitir fcil localizao de vazamentos;

No atacar o leo lubrificante ou ter qualquer efeito indesejvel sobre os outros materiais da unidade;

No atacar a camada de oznio, em caso de vazamento.

2.3.1 CLOROFLUORCARBONOS (CFCS) Nome do Refrigerante Cdigo Massa

Molecular

[g]

Temp. de Ebulio [C]

Temp. Crtica

[C]

Presso Crtica [Mpa]

ODP

GWP

Tricloromonofluormetano R11 132,32

23,7 198,0 4,41 1,00

4600

Diclorodifluormetano R12 120,91

-29,8 112,0 4,14 0,82

10600

Monoclorotrifluormetano R13 104,46

-81,3 28,9 3,88 1,00

14000

Triclorotrifluoretano R113

187,37

47,6 214,1 3,39 0,90

6000

Diclorotetraflouretano R114

170,92

3,6 145,7 3,26 0,85

9800

Monocloropentafluoretano R115

154,47

-38,9 80,0 3,12 0,40

7200

Tabela 1 - Propriedades dos principais refrigerantes clorofluorcarbonos (Calm and Hourahan, 2001)

Os CFCs so compostos orgnicos que contm um ou mais tomos de carbono e flor. tomos de cloro, bromo e hidrognio tambm podem estar presentes. Entres as principais caractersticas esto a no-flamabilidade, baixas toxicidades, excelente estabilidade trmica e qumica, alta densidade associada ao baixo ponto de ebulio, baixa viscosidade e baixa tenso superficial. Na Tabela 7 esto

listadas algumas propriedades dos refrigerantes mais conhecidos.

Apesar da baixa toxicidade alguns cuidados devem ser tomados ao se manusear os CFCs . Se inalados podem causar intoxicao podendo levar morte e pelo fato desses refrigerantes tenderem a remover os leos naturais da pele, os CFCs podem causar srias irritaes ou at congelamento da pele. Apesar desses efeitos so bastante eficiente para uso na refrigerao e por isso largamente usados.

Algumas das principais aplicaes so:

R12

Muito usado na refrigerao domstica, de carros, comerciais e nos sistemas de ar condicionado azetropos e em forma de alta pureza, aprovado como agente congelador de contato direto com os alimentos;

R114

Utilizado em grandes sistemas de processo industrial de refrigerao e de ar condicionado que utilizem compressores.

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R11

Largamente usado em compressores centrfugos para sistema de ar condicionado industrial e comercial, e para refrigerao de gua e salmoura de processo. Sua baixa viscosidade e ponto de congelamento permitem o uso como lquidos de arrefecimento de baixa temperatura.

R113

Utilizado em ar condicionado industrial e comercial, e gua ou salmoura de processamento para resfriamento em compressores centrfugos especialmente em aplicaes de pequena tonelagem.

2.3.2 FLUIDOS REFRIGERANTES ALTERNATIVOS

Ao longo dos anos, a indstria automotiva tem feito algum progresso no controle de emisso de fluidos nocivos ao meio ambiente com algumas medidas, tais como, reduo de carga desses gases, introduo de novos mtodos de deteco de vazamento e aperfeioamento de juntas e materiais de vedao.

Mas para que as cotas de consumo estabelecidas pelo Protocolo de Montreal fossem cumpridas, as empresas do ramo de climatizao viram-se pressionadas a tomar medidas mais eficientes e uma dessas medidas foi introduo dos refrigerantes alternativos.

Alm de serem ecologicamente seguros, os refrigerantes alternativos devem ser no-txicos e ao mesmo tempo encontrarem todos os requerimentos termodinmicos, operacionais e econmicos, tais como: propriedades trmicas, calorficas, frigorficas, estabilidade qumica e compatibilidade com leos lubrificantes.

Alguns dos principais fluidos refrigerantes alternativos para a indstria automotiva esto listados abaixo.

- R134a

O R134a (1,1,1,2 Tetrafluoretano) tem propriedades fsicas e termodinmicas similares ao R-12. Pertence ao grupo dos HFCs. Fluorcarbonos parcialmente halogenados, com potencial de destruio

do oznio (ODP) igual a zero, devido ao menor tempo de vida na atmosfera. Apresenta uma reduo no potencial do efeito estufa de 90% comparado ao R-12. Alm disso, no-inflamvel, no-txico, possui alta estabilidade trmica e qumica, tem compatibilidade com os materiais utilizados nos equipamentos de refrigerao e tem propriedade fsicas e termodinmicas. adequadas.

- CO2

Dixido de carbono um componente qumico formado pela combinao de um tomo de carbono e dois tomos de oxignio sendo expresso pelo smbolo qumico de CO2. A versatilidade do dixido de carbono vem estimulando sua aplicao em vrias reas da indstria. Desde 1950 seu uso bastante extensivo como refrigerante, devido a sua segurana inerente e outras caractersticas bem vantajosas para essa aplicao que se destacam diante de outros refrigerantes.

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Em termos de flamabilidade e toxicidade, o CO2 no mnimo to bom quanto os compostos baseados em FC. Quanto ao meio ambiente, custo e segurana, o dixido de carbono um refrigerante quase ideal comparado com o ar, nitrognio e gua.

Outra caracterstica importante e vantajosa do CO2 para um refrigerante a sua alta presso de trabalho que faz reduzir drasticamente o volume necessrio do compressor. A sua baixa massa molar corresponde a uma alta entalpia de evaporao e por isso reduz a vazo mssica e a rea de vazo requerida nas vlvulas do compressor e no sistema de tubulao em geral.

Calor especfico, entalpia de evaporao, condutividade trmica e viscosidade cinemtica so caractersticas importantes em relao transferncia de calor e queda de presso. Nesses termos o CO2 oferece melhores caractersticas que os fluorcarbonos, mas so inferiores em comparao com a amnia (NH3). Uma exceo importante a baixa viscosidade do CO2, um fator que explorado positivamente em design de componentes para melhorar a transferncia de calor e reduzir as

dimenses e peso pelo aumento das velocidades de vazo.

- Amnia

A Amnia um fluido refrigerante alternativo para os sistemas de ar condicionados e de refrigerao, novos ou j existentes. A Amnia tem um baixo ponto de ebulio: (-33,33C a 101 kPa), um potencial de reduo de oznio de zero quando lanado atmosfera. E um alto calor de vaporizao latente (nove vezes maior que R-12 ou R-22). Alm disso, a amnia na atmosfera no contribui diretamente para o aquecimento global. Estas caractersticas resultam numa refrigerao altamente eficiente em energia com mnimos riscos ambientais. A aplicao dos sistemas de refrigerao a base de amnia incluem sistemas de estocagem trmica, HVAC chillers, e equipamentos para processar refrigerao e ar condicionados.

- Hidrocarbonetos

Assuntos ligados aos impactos de aquecimento global dos refrigerantes hidrofluorcarbonos (HFC) tm pressionado os fabricantes de ar condicionado e equipamentos de refrigerao a considerarem o uso de

fluidos hidrocarbonetos como gs refrigerante, tais como propano (R-290) e isobutano (R-600), em seus equipamentos.

Hidrocarbonetos so designados como refrigerantes A3 pelo Padro 34 da ASHRAE, o padro de classificao de hidrocarbonetos para indstrias. Refrigerantes A3 so altamente inflamveis, sendo definidos por possuir um limite de flamabilidade (LFL) menor ou igual a 0,10 kg/m3 a 21o C e 101 kPa ou um calor de combusto maior ou igual a 19.000kJ/kg. Atualmente, na indstria, os refrigerantes A3 de maior relevncia em uso ou sobre considerao, so o propano, butano, isobutano, etano e propileno alm de marcas proprietrias de hidrocarbonetos.

Hidrocarbonetos podem ser formulados para oferecer caractersticas de temperatura e presso

similares aos CFCs e HCFCs, alm de possurem ndices de impacto de aquecimento global perto de

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zero. Eles tambm possuem o potencial de serem mais baratos que os HFCs e operarem com leo mineral, diferentemente dos HFCs que requerem leos sintticos.

Abaixo so listadas algumas das vantagens e benefcios dos refrigerantes hidrocarbonetos:

Excelente miscibilidade com leos minerais convencionais tradicionalmente usados em compressores;

Baixo custo se comparado com refrigerantes fluorqumicos;

Boa compatibilidade com uma grande variedade de materiais;

Melhores propriedades de transporte, resultando em altos coeficientes de transferncia de calor e quedas de presso;

No mbito econmico, poucas informaes tm sido publicadas com a inteno de se estimar a economia de custos que pode-se obter com o uso de hidrocarbonetos. Atualmente, os hidrocarbonetos so significativamente mais baratos que os equivalentes fluorqumicos, por exemplo, o isobutano contra o HFC-134a. Entretanto, os sistemas com hidrocarbonetos operam tipicamente com menores cargas de refrigerante, assim os custos gerais ficam menores. Alm disso, se a base de fornecedores e a escala de produo fossem maiores para a demanda atual, provvel que os custos dos refrigerantes hidrocarbonetos seriam menores. E sendo independentes de indstrias dotadas de alta tecnologia ou substncias patenteadas, tais como os HFCs, HCFCs e leos sintticos, a produo de hidrocarbonetos no depende de pases industrializados e nem necessita de licena para serem adquiridos. Dessa forma,

reduz-se os custos de produo, alm de poderem ser obtidos em qualquer refinaria de todos os continentes sem estarem sujeitos a patentes.

Refrigerante R134a R152a R290 R600a RC270

(Propano) (Isobutano) (Ciclopropano) Formula Qumica CH2 FCF3 CH3 CHF2 CH3 CH2 CH3 CH(CH3 )2 CH3 CH2 CH2CH2 Molecular Mass 102.03 66.05 44.10 58.12 42.08 Temperatura Crtica ( F) 214.00 235.90 206.20 275.00 257.40 Presso Crtica (psia) 589.00 656.00 616.00 529.00 809.00 Temp. de evaporao ( F) 15.00 -11.20 -43.80 10.80 -28.30 Estabilidade Estvel Estvel Estvel Estvel N/A Flamabilidade (% Vol. do ar) Nenhuma 4.80 2.10 1.70 2.40 Calor de Combusto (Btu/lbm)

1806 7481 21625 21238 20800 Temp. de Auto Ignio ( F) 1418 851 878 860 900 Tempo de vida na atm. (ano.) 14 2

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CFC-12. Apesar das precaues com a flamabilidade, nenhuma medida extra em relao produo necessria se comparada com os procedimentos padres de produo do CFC-12.

A empresa britnica Color Gas desenvolveu uma marca comercial para os hidrocarbonetos sobre o nome de CARE. Atravs de testes realizados em seus laboratrios a companhia comparou o COP das misturas R600/R290, R290/R170 e do R290 com o COP do R12, R22 e do R502 respectivamente e verificaram a superioridade dos hidrocarbonetos.

Outro aspecto dessas substncias a necessidade de pouca carga, como foi mencionado, se comparado com os HFCs. De modo geral somente 50% de hidrocarboneto, em massa, necessrio nas mesmas instalaes com a mesma capacidade sem nenhuma modificao na estrutura do sistema de refrigerao.

Enquanto CFCs e suas variaes necessitam de medidas especiais de manuseio e leo, hidrocarbonetos so estveis. E ao mesmo tempo o requerimento de leo simples. leos minerais padres so bastante adequados e podem operar sobre condies extremas sem qualquer comprometimento.

2.4 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

Como pode ser visto na figura 5, os principais componentes de um sistema de ar condicionado automotivo so o compressor, o evaporador, o condensador e a vlvula de expanso.

O compressor o corao do sistema. Ele montado no motor do veculo onde acoplado por uma correia que o movimenta. Na frente do compressor existe uma embreagem magntica que, quando a potncia fornecida, engrena no compressor. O condensador fica geralmente na frente do radiador. A vlvula de expanso controla a vazo de refrigerante para dentro do evaporador. A vlvula de expanso tem um tubo capilar com um bulbo trmico que controla sua abertura e fechamento.

O bulbo trmico e a presso interna do refrigerante gerenciam a exata quantidade de refrigerante

necessria. Esse bulbo fixado na sada do evaporador e quando o escoamento de refrigerante no suficiente para resfriar o evaporador o bulbo detecta essa falta e abre mais a vlvula. Esse comportamento tambm ocorre no sentido contrrio para fechamento da vlvula.

O evaporador um trocador de calor que remove calor de dentro do veculo. Ele localizado dentro ou adjacente ao compartimento de passageiros. Durante a passagem do refrigerante pelo evaporador, o calor retirado para o ar que escoa atravs do aparato, resultando na vaporizao do refrigerante e resfriamento do ar. O refrigerante em estado gasoso sai do evaporador e comprimido no compressor a uma alta presso elevando assim sua temperatura. Posteriormente, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante se transforma em lquido novamente atravs da troca de calor com o ar que passa atravs do condensador. Finalmente, o refrigerante entra na vlvula de expanso e expande at a presso do evaporador. O refrigerante sai da vlvula como uma mistura de lquido e vapor e entra no evaporador para comear o ciclo novamente. O ar que passa pelo evaporador pode ser

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ar recirculado de dentro da cabine de passageiros, pode ser ar externo ou uma mistura dos dois dependendo da vontade dos ocupantes.

Figura. 4 Sistema ar condicionado automotivo (SmartTrac, 2005) O sistema de refrigerao atinge uma condio de regime permanente de operao quando a razo de escoamento mssico de ar atravs do compressor igual quantidade de vapor gerada no evaporador. O sistema de ar condicionado automotivo projetado para operar em uma larga escala de condies de carregamento trmico, por isso a capacidade de volume fixo do compressor maior do que a necessria em algumas condies de operao. Para permitir que o sistema funcione dentro dessa larga faixa de condies ambientais, o compressor liga e desliga, em funo de uma embreagem eletro-magntica, respeitando um comportamento cclico baseado no lado de baixa presso do refrigerante. O compressor desligado quando a presso no evaporador cai abaixo de um valor pr-determinado que escolhido para assegurar que o condensado no congele dentro do evaporador. Mesmo depois que o compressor desligado, ainda existir uma diferena de presso dentro da vlvula de expanso que ir forar o refrigerante a escoar do condensador para o evaporador. medida que o evaporador abastecido com refrigerante a presso sobe e assim que o lado de baixa presso atinge o nvel predeterminado, o compressor religado. Dessa maneira o compressor continuamente ligado e desligado. Como o compressor gira por uma correia acoplada ao motor, quando a velocidade de rotao do motor se altera a velocidade do compressor tambm muda, o que resulta em uma flutuao

2.4.1 COMPRESSOR AUTOMOTIVO

O compressor mostrado na figura 6 o corao do sistema de refrigerao automotivo. usado para recuperar o refrigerante em estado gasoso da sada do evaporador, comprimi-lo para ser mandado a alta temperatura e presso ao condensador, fechando, assim, o ciclo. Normalmente o compressor est

23

localizado na parte dianteira do veculo, junto com o motor. acionado pela polia da rvore-de-manivela, por intermdio de uma correia especfica acoplada a uma embreagem magntica. Essa embreagem usada para conectar e desconectar o compressor ao motor do veculo de acordo com a necessidade de refrigerao.

Figura. 5 Compressor tipo swash plate (DENSO, 2006)

Os compressores podem ser classificados de acordo com o mtodo de compresso e estrutura. No caso de climatizao automotiva, o tipo mais utilizado atualmente o swash plate, mas o uso de outros tipos de compressores, tipo Scroll e Aletas est crescendo devido resposta do mercado com a necessidade de unidades menores e silenciosas.

A caracterstica de um compressor tipo swash plate se deve a existncia de um disco fixado no eixo de rotao do compressor, como mostrado na figura 8. Esse disco disposto a formar um ngulo em relao ao eixo. Cinco pares de cilindros so distribudos e fixados ao longo de uma face desse disco. Quando um lado est entrando no estgio de compresso, o outro est entrando em fase de suco. Assim, quando o eixo completa a rotao, os dez cilindros realizaram seus trabalhos de compresso e suco. Esse mtodo de funcionamento alivia a flutuao do torque e descarga de presso, tornando o processo mais silencioso.

O ngulo do swash plate determina o deslocamento do pisto. Em um compressor com deslocamento varivel, esse ngulo pode variar, mudando a capacidade volumtrica dentro do cilindro, determinando a quantidade de refrigerante admitido em cada estgio de compresso. Essa variao do ngulo do disco determinada de acordo com a variao de presso no evaporador, determinada pela vlvula MFCV (Mass Flow Compensation Valve) que age de acordo com a presso de descarga, que afetada pela variao de carga trmica. Quando existe um aumento de temperatura na cabine, a temperatura do evaporador tambm varia, aumentando assim a presso no evaporador. Com isso a vlvula ajusta a presso de suco atravs da angulao do disco do compressor, de modo a manter a temperatura de evaporao constante.

24

2.4.2 RECEPTOR

O receptor est localizado entre o condensador e a vlvula de expanso. Este equipamento separa o refrigerante gasoso do lquido por meio da diferena de peso entre os dois estados do refrigerante. Dessa forma ele assegura que a vlvula de expanso receba somente refrigerante lquido, no

comprometendo a capacidade de refrigerao do sistema. Outra funo dos receptores remover a umidade e impurezas do refrigerante.

Qualquer umidade dentro do ciclo de refrigerao poder corroer as partes, bem como congelar dentro do orifcio da vlvula de expanso e inibir o escoamento de refrigerante. A figura 9 mostra o esquema de um receptor do sistema de ar condicionado automotivo.

Figura. 6 Filtro secador (DENSO, 2006)

2.4.3 CONDENSADOR

O condensador um trocador de calor usado para resfriar o gs refrigerante em alta presso vindo do compressor em estado lquido. Nesse processo, o calor liberado pelo condensador se tornar igual soma do calor retirado pelo evaporador e o calor adicionado pela compresso.

O condensador construdo com tubos por onde o refrigerante escoa e aletas dissipadoras de calor, e no caso automotivo, geralmente instalado na frente do radiador do veculo. Essa posio permite o resfriamento pelo ar promovido pelo deslocamento do automvel, pelo ventilador do radiador ou por um ventilador eltrico que atende somente o condensador.

A velocidade desse ventilador controlada em dois ou trs estgios pela presso do refrigerante ou pela temperatura da gua do motor.

A figura 10 ilustra um modelo de condensador para sistemas de ar condicionado automotivo.

25

Figura. 7 Condensador do sistema de ar condicionado automotivo (Frigidair, 2005)

2.4.4 EVAPORADOR

Assim como no condensador, o evaporador possui uma estrutura feita de tubos e aletas. Ele localizado dentro da caixa evaporadora que se encontra dentro do painel do veculo.

O refrigerante, vindo da vlvula de expanso, entra no evaporador, liquido a baixa temperatura e presso em forma de nvoa. Assim que a presso do refrigerante cai depois de passar pela vlvula de expanso, e comea a evaporar, absorvendo calor do ar que passa atravs da aletas do evaporador. Dessa forma, o refrigerante que escoa no interior dos tubos do evaporador passa a ser um gs a baixa temperatura e presso.

Quando o ar passa atravs do evaporador ele se resfria e a umidade contida nesse ar congela, formando uma fina camada de gelo nas aletas do evaporador. Quando isso ocorre um sensor detecta a formao de gelo e a embreagem magntica do compressor desacoplada do motor. Com a elevao da temperatura do evaporador, o gelo derrete e escorre para a base da caixa evaporadora de onde drenada para fora do veculo.

Por isso, pelo fato da gua ser continuamente removida do ar, especialmente quando o sistema est operando em modo de recirculao, o evaporador desumidifica o ar no interior da cabine de passageiros. E removendo gua do ar, o evaporador tambm remove poeira e partculas que se aderem

s molculas da gua e assim purifica o ar. A figura 11 mostra um tipo de evaporador utilizado em sistemas de ar condicionado automotivo.

Figura. 8 Evaporador de sistema de ar condicionado automotivo (DENSO, 2006)

26

2.4.5 VLVULA DE EXPANSO A vlvula de expanso tem a funo de converter o liquido refrigerante a alta temperatura e presso em uma nvoa de baixa temperatura e presso atravs de uma restrio de rea por um pequeno orifcio.

A quantidade de refrigerante ajustada de acordo com o estado do refrigerante na sada do evaporador. Para que toda a capacidade do evaporador seja aproveitada, o liquido refrigerante deve ser mantido em tal estado para que o calor capturado nas redondezas do evaporador seja suficiente para que o refrigerante evapore completamente. Assim, a quantidade de refrigerante automaticamente controlada de acordo com a mudana de temperatura dentro do compartimento de passageiros, e da rotao do compressor. A figura 12 ilustra o dispositivo de expanso do sistema de refrigerao automotiva.

Figura. 9 Vlvula de expanso do sistema de ar condicionado automotivo (DENSO, 2006).

27

3 MODELAGEM MATEMTICA Neste captulo, mostrado uma modelagem cada componente do sistema de ar condicionado automotivo, tendo como objetivo avaliar suas caractersticas de desempenho, levando-se em conta parmetros como a rotao do compressor, as trocas de calor entre o ar e o fluido refrigerante nos trocadores de calor e o equacionamento da vlvula de expanso.

3.1 MODELAGEM DO SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

Os sistemas de ar condicionado automotivo apresentam algumas peculiaridades em relao a outros sistemas de climatizao. No caso automotivo, existe um grande variao de carga trmica, que depende entre outros fatores, das condies climticas do dia e o nmero de passageiros dentro do veculo. Outra diferena se baseia no fato de que os sistemas de climatizao dos automveis devem prover conforto em condies transientes bastante divergentes. Alem disso, como o compressor opera dentro de um vasto intervalo de rotao, acaba provocando uma variao da vazo mssica e por conseqncia a capacidade de refrigerao.

Nessa seo ser realizada uma modelagem de cada componente do sistema individualmente, a fim de avaliar o desempenho de tais equipamentos com as variaes que ocorrem no seu funcionamento, levando se em conta os parmetros que afetam a performance do sistema, como a temperatura e velocidade do ar que flui para o interior do veculo, a velocidade do compressor, a temperatura do ar que incide no condensador e no evaporador e outros fatores relevantes. No compressor e na vlvula de expanso, os modelos matemticos dependem de parcialmente de dados do fabricante, sendo que essa caracterstica no restringe a simulao do modelo de algum fabricante.

3.1.1 COMPRESSOR DE CAPACIDADE VARIVEL

O compressor modelado do tipo swach plate com controle de capacidade. um dos compressores mais utilizados na indstria automobilstica devido s suas caractersticas de operao. O controle da capacidade opera atravs da vlvula MFCV, como mencionado anteriormente, sob quaisquer condies de carga trmica, a vlvula varia a presso de descarga de modo a manter a temperatura de evaporao constante. Esse procedimento realizado atravs do ajuste da presso de suco. Esse procedimento representado pela equao abaixo Eq (7) (Jabardo, 2001):

BpcApdcompscomp

(7)

28

Onde, A, B e c

so obtidos experimentalmente (Jabardo et al, 2002). Fisicamente, a equao representa a queda da presso de suco quando o sistema sofre um aumento na carga trmica. Quando isso ocorre presso de descarga do compressor se eleva. Dessa forma, a vlvula MFCV aciona o controle de capacidade do compressor atravs das wobble plates, aumentando a razo de compresso. Essa reduo compensa o incremento da perda de presso na linha de suco de modo a manter a presso do refrigerante na sada do condensador, de acordo com a equao:

sucodelinhasdev ppp __, (8)

Sob essas circunstncias, o compressor operando a presso de evaporao constante, a taxa de fluxo de refrigerante estabelecida pela vlvula de expanso termosttica, variando com a presso de condensao e o superaquecimento na sada do evaporador.

Para esse tipo de compressor a vazo mssica de refrigerante dada por (Jabardo et al 2002):

6,

1060asp

dVcpref

v

Vnm (9)

Verifica-se que a vazo mssica depende do volume especfico do vapor admitido pelo compressor

aspv , da rotao do compressor n , do volume deslocado dV e da eficincia volumtrica

V .

Para compressores alternativos a eficincia volumtrica substancialmente alterada pelo volume de espao nocivo, tal parmetro determinado pela variao da taxa de compresso, (Stoecker,1985)

1100desc

aspV

v

vm

(10)

onde m denota a frao de espao nocivo, aspv o volume especfico do vapor admitido pelo

compressor e descv o volume especfico do vapor aps a compresso.

Considerando um processo adiabtico isentrpico de expanso de um gs perfeito, pode-se considerar que,

ctePvk

(11)

logo,

1100/1 k

s

dV P

Pm

(12)

29

onde k o coeficiente politrpico.

Porm, para um caso real de operao, a eficincia volumtrica diferenciada do processo real por um

fator de correo dependente da rotao n e do volume deslocado dV , assim (Jabardo, 2001),

11,/1 np

s

dcvdV P

PVnf

(13)

O volume de espao nocivo, cv , e o coeficiente politrpico foram determinados experimentalmente

atingindo valores timos de 0,05 e 1,15 respectivamente. O fator dVnf , foi obtido por ajuste de curvas de catlogos de performance de compressores. Foi observado que um polinmio de segunda ordem relaciona com razovel preciso os dados do fabricante.

A eficincia de compresso pode ser avaliado pela equao,

nBBc 10

(14)

Os parmetros da Eq.(14) podem ser determinados experimentalmente ou por meio da utilizao das informaes contidas no catlogo do fabricante analisando as curvas de eficincia dos compressores. Estes catlogos se encontram no Anexo II do presente relatrio.

Assim, a potncia exigida pelo compressor para realizar a sua funo dada pela equao abaixo que juntamente com a Eq. (14) foi determinada experimentalmente por (Jabardo,2002):

c

cprefcp

hhmW

)( 12,

(14.1)

3.1.2 TROCADORES DE CALOR

O condensador e o evaporador foram analisados de formas semelhantes do ponto de vista da simulao. Um condensador do tipo micro canais e tubos extensos com aletas adaptadas de seo transversal retangular e um evaporador do tipo cooling coil, compacto de aletas planas com rea equivalente circular de regies hexagonais (Shah apud Jabardo, 2002) de elevada capacidade de transferncia de calor.

Ambos equipamentos foram divididos em regies associadas fase do refrigerante, sendo que cada regio foi considerada um trocador de calor separadamente. No caso do condensador, foi considerado o vapor superaquecido e a condensao, ao passo que o evaporador foi dividido em regies de vapor super aquecido e evaporao. Para cada regio, o coeficiente de transferncia de calor considerado.

30

No modelo, as resistncias trmicas devido conduo na parede, ao contato e a incrustaes foram negligenciadas. Assim, o coeficiente dado por (Incropera e DeWitt, 2003):

00

0 11hAh

AU ii

(15)

sendo 0

a eficincia da transferncia de calor na superfcie da aleta de seo transversal retangular

dada pela relao abaixo:

)1(10

0 ff

AA

(16)

Das Eq. (15) e (16) observa-se a dependncia do coeficiente de transferncia de calor e da eficincia da transferncia de calor com as reas internas e externas do trocador de calor. Da

AA51

sup

(17)

Para o evaporador

AA54

min

(18)

e para o condensador

AA53

sup

(19)

onde os valor de A assume A0 ou Ai dependendo da superfcie que analisada.

Para determinao dos coeficientes de transferncia de calor internos tanto para o evaporador quanto para o condensador para as regies de mistura e desuperaquecimento, foram utilizadas as relaes propostas por Shah et al 1979. Para a regio monofsica, tem-se:

3,08,0 PrRe023,0Dkhi (18)

onde,

href DuRe

(19)

31

e

2)2/( href

ref Dm

u

(20)

na regio de mistura da condensao:

38,0

04,076,08,0

Pr)1(8,31 xxxhh loi (21)

e na regio da mistura de evaporao:

L

l

l

v

l

vlmi D

kkkh

09,02,06,0 PrRe087,0

(21)

com,

l

Lmlm

DVRe (22)

11

v

l

lm x

GV

(23)

e

)( vlL gD

(24)

importante notar que as relaes apresentadas acima so locais, ou seja, dependentes do ttulo x. O coeficiente para regio de mudana de fase foi obtido assumindo que o ttulo varia linearmente com o comprimento do trocador, significando assumir um fluxo de calor uniforme atravs dos canais. O

coeficiente de transferncia de calor mdio, loh , determinado por integrao do valor local sobre o

intervalo do ttulo da regio particular. Para o caso do condensador, o ttulo varia de 1 a 0 e para o evaporador o intervalo varia da regio de entrada do evaporador a 1. O nmero de Prandtl foi calculado atravs do software EES (Flowchart, 2001) e o seu valor foi assumido constante, bem como os valores da viscosidade

e da condutividade k, considerando que a variao desses fatores com a temperatura desprezvel.

Para o clculo do coeficiente de transferncia de calor do lado do ar utiliza-se a equao determinada a seguir:

32

arpcGSth0 (25)

onde

3/2PrcjSt

(26)

O fator j de Colburn determinado pela relao proposta por Kays e London apud Jabardo et al., 2002 , para o evaporador

39,0Re007031,0 arcj (27)

e para o condensador (Raman apud Jabardo, 2002)

5,0Re91,0 arcj (28)

onde,

ar

har

DGRe (29)

e a velocidade mssica do ar evaporador determinada por:

evfrontal

ref

Am

G,

449,0

(30)

e no condensador:

arar uG

(31)

Para o clculo da capacidade do condensador utiliza-se o mtodo da NUT

(Incropera,1998) para o calor rejeitado no condensador: Foi considerado cada aleta como unidade de transferncia de calor.

cd

cdcdcd C

AUNUTmin,

(32)

sendo (Dias,2004):

cdrefpcdrefcd cmC ,,,,1 . e cdarpcdarcdarcdarcd

cAuC,,,,,,2

(33) e (34)

),(,2,1min, cdcdcd CCMINC

; ),(

,2,1max, cdcdcd CCMAXC (35) e (36)

33

cd

cdcdref C

CC

max,

min,,

(37)

e no evaporador:

ev

evevev C

AUNUTmin,

(38)

onde,

evrefpevrefev cmC ,,,,1 e evarpevarevarevarev cAuC ,,,,,,2 (39) e (40)

),(,2,1min, evevev CCMINC ; ),( ,2,1max, evevev CCMAXC

(41) e (42)

ev

ev

evref CC

Cmax,

min,,

(43)

Para determinar a efetividade , existem duas formas, uma para regio de superaquecimento e

desuperaquecimento (Incropera, 1998):

1)exp(1exp1 78,022,0 NUTCNUTC refref

(44)

e outra regio de mistura

)exp(1 NUT

(45)

Assim, a capacidade de transferncia de calor em cada uma das regies do condensador determinada por:

)(,min, cdarcdcdcd TTCQ

(46)

e para o evaporador:

)(,min, evarevevev TTCQ

(47)

onde determinado pelas equaes (44) e (45), dependendo de regio a que se submete o clculo.

A capacidade de refrigerao total obtida pelo somatrio das capacidades de refrigerao de cada regio.

34

Para o evaporador:

mixevdepevev QQQ ,,

(48)

e para o condensador:

mixcddepcdcd QQQ ,,

(49)

3.1.3 VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA

A vlvula de expanso termosttica (TXV) analisada modelada como um orifcio pelo qual o lquido expandido da presso de condensao para a presso de evaporao. O fluxo de massa que passa atravs da vlvula relacionada pela seguinte equao (Jabardo et al, 2002).

pACm refvref 2,0

(50)

onde p

a queda de presso atravs do orifcio da vlvula. O coeficiente de fluxo vC , depende do

grau de abertura da vlvula. O mximo valor obtido por esse coeficiente ocorre quando a vlvula est

completamente aberta e oA a mnima rea de fluxo atravs do orifcio. oA e vC so relacionados e

no podem ser determinados separadamente. Dessa forma um parmetro kA introduzido (Jabardo et al,2002):

02 ACK VA

(51)

Dados do fabricante so fornecidos em funo de evQ

ou m

e baseado na mxima capacidade da

vlvula, assim AK pode ser determinado por (Jabardo et al, 2002)

p

mK ocata

refA

1

log

(52)

A anlise de vrios catlogos de fabricantes