ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE UM CONDICIONADOR DE AR AUTOMOTIVO COM R134a E DIFERENTES FREQUENCIAS DE OPERAÇÃO DO COMPRESSOR

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1 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE UM CONDICIONADOR DE AR AUTOMOTIVO COM R134a E DIFERENTES FREQUENCIAS DE OPERAÇÃO DO COMPRESSOR Bruno Daniel Alves do Nascimento, 1 Cleiton Rubens Formiga Barbosa, 2 Francisco de Assis Oliveira Fontes, 2 Luiz Henrique Pinheiro de Lima, 2 Talvanis Camargo de Andrade Filho, 2 Tatiana Maia Cavalcanti, 2 Cleiton Rubens Formiga Barbosa Júnior, 2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brasil, 2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brasil, Resumo: A redução no consumo de energia é o principal requisito a ser satisfeito em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar por compressão mecânica de vapor. Em sistemas automotivos essa realidade não é diferente. A análise térmica nesses sistemas é de fundamental importância para um bom desempenho do ar-condicionado veicular. Este trabalho tem o objetivo de avaliar as condições de utilização do gás refrigerante R134A (utilizado em veículos automotivos), variando a velocidade no eletroventilador do condensador. Todos os testes foram realizados na unidade de climatização automotiva ATR600, que simula as condições térmicas do sistema e do habitáculo do veículo. O equipamento está instrumentado para aquisição dos dados de temperatura, pressões de condensação e evaporação e potência elétrica consumida, para determinação do coeficiente de performance do ciclo. O sistema foi ensaiado nas rotações de 800, 1600 e 2400 RPM com carga constante de R-134a, recomendada pelo fabricante. Os resultados mostram que a melhor performance do sistema ocorre na rotação de 800 RPM. Palavras-chave: Coeficiente de performance, R134a, refrigeração automotiva, 1. INTRODUÇÃO Os sistemas de ar-condicionado têm se tornado itens cada vez mais importantes em veículos, tanto de passeio como veículos de transporte de cargas mais robustas. Tais equipamentos visam o conforto térmico de seus usuários, bem como também manter em determinadas temperaturas itens dependentes desse fator. Mas o conforto térmico não é o único item a ser observado nos sistemas de refrigeração automotiva. Parâmetros ambientais também são verificados e sua influência é bastante observada no desenvolvimento dos equipamentos HVAC automotivos. O principal item a ser observado é o tipo do refrigerante a ser utilizado. O gás R-12 (DICLORODIFLUORMETANO), bastante utilizado em meados da década de 80, era bastante prejudicial à camada de ozônio. Devido à sua capacidade de destruição do O3, teve de ser substituído por refrigerantes alternativos, conforme determinado pelo protocolo de Montreal. Nos dias atuais o gás refrigerante R134a (1,1,1,2-DICLORODIFLUORMETANO) está sendo largamente utilizado em sistemas veiculares e está sendo visto como alternativa também para aplicações em ar-condicionado com fins de uso doméstico. O mesmo não é inflamável e não explosivo, é um HFC que tem potencial nulo de destruição da camada de ozônio, porém possui potencial para intensificar o efeito estufa. Possui toxicidade imperceptível comparado ao R-12. O R-134a apresenta boa miscibilidade com os óleos lubrificantes a base de Poliol Éster (POE s), eliminando riscos explosivos no sistema.

2 2. OBJETIVOS 1 - Avaliar influencia da variação da velocidade do eletroventilador do evaporador e comparar com as variações de velocidade no eletroventilador do condensador, com relação à performance do sistema; 2 Simular através do software SOLKANE o coeficiente de performance com a variação de velocidade no eletroventilador do condensador e do evaporador; 3. FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS O princípio básico da refrigeração diz que para mudar determinada substância do estado líquido para o estado de vapor se requer fornecimento de calor. Quando a temperatura de vaporização de um fluido se encontra abaixo da temperatura ambiente, o calor é transferido do ambiente para substância (locais/ambientes mais quentes devem ceder calor para substancias/corpos mais frios). O calor transferido do ambiente é conhecido como calor latente de vaporização, que produz o efeito da refrigeração. O Fenômeno é regulado pelo equilíbrio da pressão do líquido e do vapor da substância, que é conhecida como fluido refrigerante. Para obter temperaturas mais baixas devem-se escolher refrigerantes que vaporizem em mais baixas temperaturas e, conseqüentemente, também em pressões mais baixas, para permitir as trocas térmicas. A maioria das máquinas de refrigeração opera em um ciclo fechado, utilizando o princípio da produção de frio pela evaporação de um líquido refrigerante. Os sistemas de produção de frio de diferenciam pela forma como os vapores são produzidos e extraídos do evaporador (VARGAS, 2010). Diante das diversas dificuldades associadas ao ciclo reverso de Carnot (como a não vaporização do refrigerante por completo), foi-se necessário verificar uma alternativa para os sistemas de refrigeração. A substituição da turbina por dispositivos de estrangulamento (tais como válvula de expansão e tubo capilar) foi de grande importância para esse processo (Çengel, 2005). 4. METODOLOGIA Com essa bancada será feito um levantamento de como comporta a climatização de do habitáculo do veículo quando variamos a rotação do motor elétrico que aciona o compressor. Os dados das temperaturas de evaporação e condensação, bem como pressões de alta e baixa e temperatura do habitáculo, serão obtidas através do software da bancada. Sensores estão distribuídos em pontos que permitam a aquisição dos mesmos. Para obtenção de dados não se fez necessária a instalação do software no computador. Bastou-se apenas realizar a cópia do aplicativo diretamente ao HD. A conexão é realizada apartir de um cabo serial DB9, que trabalha com o protocolo de comunicação RS-232. Na parte esquerda e superior da tela do programa de monitoramento estão localizadas as opções dos parâmetros do sistema de refrigeração que podem ser adquiridos Distribuição da temperatura no habitáculo Pode-se perceber como está o valor em vários pontos do sistema, visto na Fig. 1. As temperaturas de operação variam de 15 a 35 o C. Figura 1. Simulação da distribuição de temperatura no habitáculo do veículo Manual do aluno (BIT9)

3 4.2. Sistema de refrigeração Mostra o os componentes e suas respectivas temperaturas e pressões. Está disposto conforme ciclo de refrigeração, na Fig Gráficos Figura 2. Simulação Componentes do sistema de refrigeração Manual do aluno (BIT9) Mostram o comportamento das pressões (alta e baixa), temperaturas (evaporação e condensação) e tensões (eletroventiladores do condensador e do evaporador), conforme exemplo na Fig. 03. Figura 3. Supervisão de temperaturas no habitáculo Manual do aluno (BIT9) A bancada experimental é constituída de três partes que permite a investigação e simulação de testes dos parâmetros operacionais: - Circuito elétrico do conjunto; - Simulador de habitáculo; - Sistema de refrigeração automotivo real. O circuito elétrico do conjunto de refrigeração automotiva substitui o sistema de geração de energia do veículo, conforme Fig. 4.

4 Figura 4. Componentes elétricos da bancada automotiva Manual do aluno (BIT9) A chave geral de alimentação elétrica é acionada através de um disjuntor. Já o contator é acionado por uma chave localizada no painel da bancada. O inversor de frequência é iniciado após a ligação do contator, e ajusta a velocidade do motor elétrico trifásico para girar o compressor. Além o inversor, o circuito é formado por um carregador de bateria que mantém o carregamento da corrente na bateria de modo a evitar a sua descarga. Este dispositivo eletrônico simula o alternador do veículo que mantém a bateria do veículo carregada. Na Fig. 5 é mostrado o conjunto motor-compressor. O sistema de transmissão se dá através de correias. Figura 5. Conjunto de acionamento do motor-compressor Manual do aluno (BIT9) O controle de velocidade do motor é realizado no painel por meio de um potenciômetro, conforme Fig. 06. Figura 6. Controle de velocidades do conjunto Manual do aluno (BIT9) A velocidade de 800 RPM corresponde à simulação do giro do motor do veículo em marcha lenta. Já a 4000 RPM corresponde a velocidade alta. Os ensaios foram realizados com rotações: 800, 1600 e 2400 RPM. O monitoramento da temperatura do habitáculo se dá através de sensores espalhados em vários pontos do mesmo. Um microcontrolador monitora esses elementos. Existe uma abertura lateral que permite a interferência externa da temperatura, simulando uma abertura de porta ou janela, por exemplo. O ar refrigerado pelo evaporador é conduzido por um duto conectado ao sistema de refrigeração ao habitáculo. Para variar a velocidade no eletroventilador do condensador foi projetada e desenvolvida no laboratório de Refrigeração e Ar Condicionado da UFRN uma placa eletrônica dotada de um potenciômetro, transistor BD-35, led (para indicar a variação da tensão com a luminosidade), chave liga-desliga e uma fonte de tensão de 0-12 Vcc, conforme figura 07.

5 Figura 7. Placa eletrônica de variação de velocidade do eletroventilador do condensador As velocidades no condensador eram alteradas conforme mudança na tensão que era aplicada no mesmo. Para aquisição desses valores, foi utilizado um multímetro digital. Conforme Tab. 1 abaixo, verifica-se as variações das tensões com o tempo. Tabela 1. Média das tensões que definem a variação das velocidades no evaporador e no condensador Vcc(V) no Evaporador Vcc (V) no Condensador V2E V3E V4E V2C V3C V4C 7,7 8,7 10,96 7,66 8,1 11,27 Através da interface homem-máquina (IHM) da bancada foram adquiridos os valores das pressões de alta e de baixa (ambas em PSIg). Com o valor dessas pressões foi possível encontrar as temperaturas de saturação no condensador e no evaporador, através do software PTCALC da DuPont. Com as temperaturas de saturação e as temperaturas de saída no evaporador e no condensador (extraídas pelo IHM da bancada), encontrou-se o sub-resfriamento e o superaquecimento no sistema, conforme relações abaixo: T SUPERAQUECIMENTO = T SAIDAEVAPORADOR T SATURAÇÃO (1) T SUB-RESFRIAMENTO = T SAIDACONDENSADOR T SATURAÇÃO (2) 5. RESULTADOS Para o estudo em questão, o compressor atuou nas rotações de 800, 1600 e 2400 RPM; já para o evaporador foram analisadas as velocidades V2, V3 e V4 (conforme fabricante). Para a variação das velocidades no condensador, foram adequadas tensões semelhantes às aplicadas nas velocidades anteriormente citadas no evaporador. As combinações de variação foram: V2E - V2C, V3E - V3C, V4E - V4C (Tabela 1). A 800 RPM e velocidades V2E (com tensão aplicada de 7,7 V) e V2C (tensão de 7,66 V), conforme Tabela 1, foram encontrados os maiores valores de COP. Figura 8. Variação do COP conforme variação na tensão dos eletroventiladores (800 RPM)

6 As temperaturas de saturação no condensador e evaporador e as pressões de alta e baixa no sistema foram os parâmetros diretos para obtenção do COP (conforme tabela 02, exemplificando as condições para os resultados de maior COP). Na figura 8 observa-se os maiores valores de coeficiente de performance para a rotação de 800 RPM. Para a velocidade V4 verifica-se uma maior uniformidade nos resultados, diferente de V2 e V3 com alguns picos acentuados. Com a maior velocidade, o sistema se mostrou estável durante os ensaios. Tabela 2. Dados adquiridos para as velocidades V2C V2E Onde, Med = Medição; Palta = Pressão de alta do sistema; Tsat(alta) = Temperatura de saturação para a pressão de alta; Tsc = Temperatura na saída do condensador; Subresf = Subresfriamento; Pbaixa = Pressão de baixa do sistema; Tsat(baixa) = Temperatura de saturação para a pressão de baixa; Tsr = Temperatura na saída do evaporador; Superaq = Superaquecimento; Com a variação da velocidade na unidade condensadora, permitiu-se controlar o fluxo de ar na mesma, sendo assim um ponto importante no controle de temperatura de condensação do refrigerante. Em rotação máxima no evaporador, as temperaturas de saída no condensador adquiriam valores de 40 41,8 o C. para a situação demonstrada na figura 8 e na tabela 2 as temperaturas ficaram em torno de 38,6 a 39,1 o C, influenciando na obtenção do subresfriamento e conseqüentemente no COP. 6. CONCLUSÕES Para o refrigerante analisado, sem nenhuma modificação, ou seja, conforme especificações técnicas fornecidas pelo fabricante, os resultados foram satisfatórios. Verificou-se que, com o aumento da rotação do compressor, o coeficiente de performance reduzia. Com a estratificação mais ampla dos dados, notou-se que o melhor COP, com 800 RPM e valor de 4,91; se deu quando as tensões nos eletroventiladores do evaporador e do condensador se encontravam respectivamente com valores de 7,7 e 7,66Vcc (correspondente à velocidade chamada V2 pelo fabricante). 7. REFERÊNCIAS Departamento de Engenharia Mecânica UFPR. Fluidos Refrigerantes. Disponível em: <ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/tm182/refrigeracao/apostila/15_refrigerantes.pdf> Acesso em 15 Dez VARGAS, L. C. P. Análise Teórico-Experimental do Coeficiente de Performance (COP) de um sistema de refrigeração por jato-compressão f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, PIRANI, M. J. REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO. Disponível em: <http://www.portaldoeletrodomestico.com.br/redesocial/wp-content/uploads/group-documents/11/ Apostila_Ar_Cond.pdf> Acesso em 29 Mai ÇENGEL, YUNUS A. Termodinâmica. 5 ed. São Paulo: McGraw-Hill, p. Manual do Aluno Ar Condicionado Automotivo BIT9. 66p.

7 Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Capítulo 02 Ar condicionado automotivo. Disponível em: < Acesso em 08 Mai RESPONSABILIDADE AUTORAL Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.

8 ANALYSIS OF PERFORMANCE IN A AUTOMOTIVE AIR CONDITIONER USING R134a AND DIFFERENT FREQUENCIES OF COMPRESSOR OPERATION Bruno Daniel Alves do Nascimento, 1 Cleiton Rubens Formiga Barbosa, 2 Francisco de Assis Oliveira Fontes, 3 Luiz Henrique Pinheiro de Lima, 4 Talvanis Camargo de Andrade Filho, 5 Tatiana Maia Cavalcanti, 6 Cleiton Rubens Formiga Barbosa Júnior, 7 1 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 2 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 3 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 4 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 5 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 6 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, 7 Federal University of Rio Grande do Norte; Campus Lagoa Nova, Natal RN Brazil, Abstract. The reduction in energy consumption is the main requirement to be satisfied in refrigeration and air conditioning by mechanical vapor compression system. In automotive systems isn t different. Thermal analyses in these systems are crucial for a better performance in automotive air conditioner. This work aims to evaluate the conditions of use of R134A refrigerant (used in vehicles), varying the speed of the electric fan in the condenser. All tests were performed in automotive air conditioning unit ATR600, simulating the thermal conditions of the system. The equipment is instrumented for data acquisition temperature, condensation and evaporation pressures and electrical power consumed to determine the coefficient of performance of the cycle. The system was tested under rotations of 800, 1600 and 2400 rpm with constant load of R- 134a, recommended by the manufacturer. The results show that the best system performance occurs in the rotation of 800 RPM. Keywords: Coefficient of performance, R134a, automotive cooling

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