Compesso Automotivo Neste capítulo seá apesentado o desenvolvimento de um modelo de simulação de compessoes altenativos automotivos..1. Intodução O compesso é o componente mais impotante de um sistema de condicionamento de a automotivo. Nomalmente está localizado na pate dianteia do veículo, junto com o moto, como se pode obseva na Figua.1. Convencionalmente, o acionamento do compesso é ealizado mediante coeias ligadas ao moto do veículo. Uma vez que o compesso está constantemente acoplado ao moto do veículo, tona-se necessáio algum mecanismo que lhe pemita pemanece em epouso quando o sistema de condicionamento de a está desligado, mesmo com o moto do veículo em funcionamento. Tal mecanismo consiste em uma embeagem eletomagnética, disposta ente o eixo e a polia do compesso. Figua.1 Sistema condicionado de a automotivo (Hulsey, 004).
Capítulo. Compesso Automotivo 5 Os compessoes paa sistemas condicionadoes de a automotivos mais comuns são do tipo altenativo com mecanismo swash plate de acionamento. Entetanto, o uso de outos tipos de compessoes do tipo scoll e de palhetas têm cescido em utilização devido, pincipalmente, à esposta do mecado fente à necessidade de unidades mais compactas e mais silenciosas. A Figua. apesenta o desenho do compesso automotivo altenativo com mecanismo de acionamento tipo swash plate. Figua. Compesso tipo swash plate (DENSO, 006). A pincipal caacteística de um compesso tipo swash plate é a existência de um disco fixado ao eixo de otação do compesso. Apoiadas nas bodas do disco giante estão às bielas de movimento etilíneo, que movimentam os pistões. Quando um lado do disco e, consequentemente, do pistão está entando no estágio de compessão (volume decescente), o outo inicia a fase de sucção (volume cescente). Assim, quando o eixo completa a otação, todos os cilindos ealizaam um ciclo completo (sucção, compessão, descaga e e-expansão). Esta tecnologia pemite eduzi a flutuação do toque e descaga de pessão, tonando o pocesso mais silencioso e com meno nível de vibações. O ângulo da placa giatóia (swash plate) detemina o deslocamento do pistão. Em um compesso com deslocamento vaiável, esse ângulo pode vaia, modulando a capacidade volumética do cilindo, deteminando, assim, a quantidade de efigeante admitido em cada estágio de compessão. A vaiação do ângulo do disco é deteminada de acodo com a vaiação de pessão no evapoado, contolada pela válvula MFCV ( Mass Flow Compensation Valve ) que age de acodo com a pessão de descaga, a qual é afetada pela vaiação de caga témica (Tian et al.,
Capítulo. Compesso Automotivo 53 007). Quando existe um aumento de tempeatua na cabine, a tempeatua do evapoado também vaia, aumentando assim a pessão no evapoado. Com isto, a válvula MFCV ajusta a pessão de sucção mediante a angulação da placa giatóia do compesso, de modo a mante a tempeatua de evapoação constante... Revisão bibliogáfica Os sistemas condicionadoes de a de veículos, comumente efeidos, em inglês, como "mobile ai conditioning, MACs", usavam, antes de 1995, o R1 como efigeante. Depois da apovação do potocolo de Monteal este efigeante foi substituído pelo R134a. Este, po sua vez, contibui paa o efeito estufa, apesentando alto GWP (Global waming potential). Na atualidade vêm-se desenvolvendo novos efigeantes que possam substitui o R134a, poém, com meno GWP. Empesas como a Honeywell Inc., Dupont, ente outas, têm desenvolvido estes efigeantes. Alguns tabalhos podem se mencionados paa demonsta o esfoço que tem sido feito paa enconta fluidos efigeantes de baixo impacto ambiental na áea de climatização automotiva, Mino e Spatz (008), Spatz (006,007), Honeywell (007). Tal esfoço inclui a utilização de modelos de simulação, que pemitem a pevisão do desempenho de tais sistemas com possíveis novos efigeantes. Váios tabalhos podem se encontados na liteatua, com espeito ao compesso de um sistema de condicionamento de a automotivo. Modelos fundamentais, baseados na utilização de equações que descevem os pincípios de consevação de massa, enegia e quantidade de movimento, são apesentados po Tojo et al. (1990), Fukuta et al. (1995), Pak et al. (004), Yi et al. (004), Tian et al. (006), Tian et al. (007), Tian et al. (009), Cavalcante et al. (008). Nestes modelos, as equações de consevação são aplicadas a volumes de contole epesentativos do compesso. Modelos empíicos baseados em equações polinomiais e ajuste de cuvas que descevem o consumo de enegia, capacidade e tempeatua na descaga são apesentados po Joudi et al. (003) e Ebon et al. (005). Finalmente, modelos semi-empíicos, baseados nas equações
Capítulo. Compesso Automotivo 54 fundamentais e em coelações expeimentais de desempenho, são apesentados pelos autoes a segui: Kiastsiioat e Euakit (1997) apesentam um estudo expeimental e numéico de um sistema de condicionamento de a automotivo, utilizando um compesso do tipo swash-plate, opeando com uma mistua R/R14/R15A. Na análise do compesso opeando em egime pemanente, os autoes popõem um modelo de simulação semi-empiíco, baseado em coelações obtidas expeimentalmente paa o cálculo da tempeatua na descaga e a vazão mássica do fluido efigeante. O modelo de simulação assume um pocesso de compessão politópica, onde o expoente politópico é calculado a pati dos dados expeimentais. Dilea et al. (1998) popõem um modelo de simulação semi-empíico paa compesso automotivo tipo wobble- plate opeando com o fluido efigeante R134a, assumindo um pocesso de compessão isentópico. O compesso é caacteizado po quato paâmetos empíicos, geados a pati de testes expeimentais, utilizando paa tal, o método de minimização de funções. O modelo é capaz de pedize a vazão mássica do fluido efigeante com um eo elativo de -6% a 8% e a potência do eixo com eo elativo meno que 10%. Sais Jabado et al. (00) apesentam um modelo de simulação do sistema de condicionamento de a automotivo, opeando com o fluido efigeante R134a. Neste estudo, é aplicado um modelo semi-empíico paa a caacteização e simulação do compesso automotivo, opeando em egime pemanente. Um total de cinco paâmetos caacteísticos foi obtido dos testes expeimentais, paa defini as eficiências isentópica e volumética, além de te obtido um expoente politópico paticamente independente das condições de opeação paa identifica o pocesso de compessão. Cuevas et al. (008) popõem a simulação do compesso automotivo tipo wobble-plate, baseado no modelo de simulação poposto po Khamsi et al. (000) e Winandy et al. (00) paa compessoes altenativos do tipo abeto. O compesso automotivo é caacteizado po oito paâmetos empíicos, que epesentam os pocessos de tansfeência de calo, queda de pessão e geometia intena. Neste estudo o compesso é dividido nos volumes de contole de sucção, compessão, descaga e cacaça, onde são aplicadas as equações de consevação de massa e enegia, paa cada um dos volumes, pemitindo obte as pessões e
Capítulo. Compesso Automotivo 55 tempeatuas na entada e saída de cada volume de contole. O pocesso de compessão popiamente dito é consideado adiabático, evesível e isentópico. Uma caacteística deste modelo é que necessita de 31 testes expeimentais distintos paa a caacteização do compesso automotivo. O pesente tabalho de tese popõe o desenvolvimento de um modelo de simulação semi-empíico paa o compesso automotivo tipo swash-plate, opeando com o fluido efigeante R134a, baseado nas equações fundamentais de consevação e em coelações obtidas a pati de testes expeimentais. Paa isto o compesso é dividido em quato volumes de contole: cacaça do compesso, câmaa de sucção, cilindo de compessão e câmaa de descaga. A aplicação desta metodologia pemitiá obte os estados temodinâmicos do fluido efigeante na entada e saída de cada volume de contole. O pocesso de compessão é consideado não adiabático, pois, ao compimi o fluido efigeante, este incementa sua pessão e tempeatua, poduzindo a toca de calo ente o fluido efigeante e o bloco metálico do compesso. Esta toca não foi consideada po nenhum dos modelos de simulação anteiomente mencionados. O compesso em estudo é caacteizado po quato paâmetos empíicos que epesentam a geometia intena do compesso (dois paâmetos de queda de pessão e dois paâmetos de toca de calo), obtidos mediante dados expeimentais do compesso opeando com o fluido efigeante R134a. Estes paâmetos pemanecem constantes no modelo de simulação paa calcula as condições de opeação do compesso quando utilizaem novos fluidos efigeantes. A aplicação desta metodologia, de caacteização de paâmetos aplicada ao compesso automotivo, não consta em nenhum dos tabalhos acima mencionados. O modelo de simulação semi-empíica, pemite o cálculo da tempeatua na descaga e vazão mássica do compesso automotivo opeando com novos efigeantes, po exemplo, R134yf e R134ze(E), fluidos que não foam utilizados nos tabalhos de pesquisa.
Capítulo. Compesso Automotivo 56.3. Modelo Matemático.3.1. Volumes de contole A Figua.3 apesenta o volume de contole do compesso automotivo, o qual é epesentado po quato sub-volumes que são: passagem de sucção (1-), cilindo de compessão (-3), passagem de descaga (3-4) e cacaça do compesso (1-4). Além disto, foam consideados quato pontos de estado temodinâmico, que quantificam a inteação ente o sub-volumes estabelecidos. Figua.3 Volumes de contole do compesso tipo swash plate. Potência P eixo é fonecida ao compesso po meio do eixo de acionamento. Após as pedas po atito, a potência de compessão, P m, é fonecida ao cilindo de compessão. As tocas de calo ente os volumes de contole são apesentadas po, taxa de tansfeência de calo da cacaça Q ca, taxa de tansfeência de calo no cilindo de compessão Q 3, taxa de tansfeência de calo na descaga Q 34, e taxa de tansfeência de calo devido a pedas mecânicas Q pm.
Capítulo. Compesso Automotivo 57.3.. Balanços de enegia São aplicados os balanços de enegia aos divesos volumes de contole, confome a segui. 1. Volume de contole global: A Figua.4 apesenta o volume de contole global, definido pela cacaça do compesso automotivo. Figua.4 Volume de contole global do compesso. Aplicando o balanço de enegia ao volume de contole, obtem-se a seguinte equação: onde : P eixo : Potência do eixo [kw] eixo ca 4 1 P Q m h h (.1) Q ca : Taxa de tansfeência de calo da cacaça paa o meio ambiente [kw] h 4 : Entalpia específica na saída do compesso [kj/kg] h 1 : Entalpia específica na entada do compesso [kj/kg] m : Vazão mássica do fluido efigeante [kg/s]. Volume de contole na sucção: Na Figua.5 apesenta-se o volume de contole de sucção. A equação (.) epesenta o balanço de enegia aplicado a este volume.
Capítulo. Compesso Automotivo 58 Figua.5 Volume de contole na sucção. Aplicando o balanço de enegia ao volume de contole, obtem-se a seguinte equação: Q Q Q m h m h Q (.) onde : 3 34 pm 1 ca Q 3 : Taxa de tansfeência de calo do cilindo de compessão [kw] Q 34 : Taxa de tansfeência de calo da linha de descaga [kw] h : Entalpia específica na saída do volume de contole da sucção [kj/kg] Q pm : Taxa de tansfeência de calo devido às pedas mecânicas [kw] 3. Volume de contole do cilindo de compessão: O volume de contole do cilindo de compessão é epesentado pela Figua.6. Figua.6 Volume de contole do cilindo de compessão.
Capítulo. Compesso Automotivo 59 A equação de balanço de enegia aplicado ao volume de contole da Figua.6 é: mh P Q mh (.3) onde : m 3 3 P m : potência equeida paa o pocesso de compessão [kw] h 3 : Entalpia específica na saída do cilindo de compessão [kj/kg] 4. Volume de contole da descaga: O volume de contole do cilindo de compessão é epesentado pela figua.7. Figua.7 Volume de contole da linha de descaga. E o balanço de enegia coespondente a este volume de contole é: mh mh Q (.4) 3 4 34.3.3. Equações de tansfeência de calo A tansfeência de calo ente as supeficies sólidas e o fluido efigeante no estado vapo ocoe, pedominantemente, po convecção, já que os efeitos de tansfeência de calo po adiação são consideados despezíveis (Domanski e Didion, 1983). Assumindo uma convecção foçada paa escoamento tubulento, uma dependência ente o númeo de Nusselt, Reynolds e Pandtl baseada na coelação de Dittus-Boelte (1930) é adotada. 0,8 0,333 Nu C Re P (.5)
Capítulo. Compesso Automotivo 60 onde os númeos de Nusselt, de Reynolds e de Pandtl são definidos como: L Nu (.6) k ml Re (.7) A t c p P (.8) k Nas equações acima, L é o compimento caacteístico, k é a condutividade témica, é a viscosidade dinâmica e c p é o calo específico do fluido. Substituindo as equações (.6), (.7) e (.8) na equação (.5), pode-se obte uma nova equação, (.9), paa o coeficiente de tansfeência de calo, onde se identificam dois gupos: o pimeio depende das condições de opeação ou das popiedades temofísicas do efigeante, e o segundo gupo, caacteizado pelo paâmeto C, que identifica a geometia caacteística do compesso. Cm k c (.9) 0,8 0,667 0,333 0,467 p onde é o coeficiente de tansfeência de calo calculado a pati do númeo de Nusselt. Utilizando a equação do coeficiente de tansfeência de calo, chega-se à seguinte expessão: Q 1 A( TwTms) (.10) 0,8 0,667 0,333 0,467 1 1 1 p1 1 w ms Q CH m k c T T (.11) onde CH 1 é o paâmeto caacteístico de tansfeência de calo elativo ao volume de contole na sucção, T w é a tempeatua da supefície metálica do compesso, e T ms é a tempeatua media aitmética do fluido efigeante escoando na sucção: T T T 1 ms (.1)
Capítulo. Compesso Automotivo 61 T T T 3 w (.13) Em pincípio, o paâmeto CH 1 não vaia com as condições de opeação do compesso, epesentando, efetivamente, um paâmeto caacteístico de toca de calo do mesmo. Aplicando-se pocedimento análogo ao anteio, obtém-se o paâmeto caacteístico de toca de calo na descaga, chegando-se à seguinte equação: Q CH m k c T T (.14) 0,8 0,667 0,333 0,467 34 34 4 p4 4 md w onde CH 34 é o paâmeto caacteístico de tansfeência de calo elativo ao volume de contole na descaga e T md é a tempeatua média aitmética do fluido efigeante escoando na descaga:.3.4. Equações de queda de pessão T md T T 3 4 (.15) A queda de pessão total Pt em deteminada passagem do compesso automotivo é composta po tês pacelas: a queda de pessão devido ao atito Pf, devido à vaiação de momentum, Pa, e devido à gavidade, Pg. Na pesente análise, a componente de queda de pessão devido à gavidade é consideada despezível. Pt Pf Pa Pg (.16) A equação de queda de pessão devido à vaiação da quantidade de movimento é dada pela seguinte equação (Domanski e Didion, 1983): u Pa C (.17)
Capítulo. Compesso Automotivo 6 onde u é a velocidade, a densidade do fluido e C uma constante. A equação (.17) pode se escita em temos da vazão mássica do fluido, obtendo-se a seguinte expessão: m ua (.18) P C A a m (.19) m Pa CPa (.0) onde CP a é o paâmeto caacteístico de queda de pessão, independente do estado temodinâmico do fluido efigeante e, potanto, independente das condições de opeação do compesso. A queda de pessão devido ao atito pode se apesentada como: L u Pf f (.1) D onde f é o fato de atito de Fanning paa escoamento tubulento, e L D é uma vaiável geomética. A coelação poposta paa o fato de atito (Incopea, 008), paa escoamento tubulento em duto cicula é a seguinte: f 1 4 0,316 Re (.) Combinando as equações (.1) e (.), pode-se obte uma nova expessão de queda de pessão devido ao atito: 0, 0, 1,8 CD L 1 m Pf A D A (.3) P f m 0, 1,8 CP f (.4) onde CP f é o paâmeto caacteístico de queda de pessão devido ao atito e epesenta as vaiáveis geométicas.
Capítulo. Compesso Automotivo 63 A queda de pessão no volume de sucção e na descaga é apesentada espectivamente pelas equações: P P CP m 1 1 0,5 1,8 1 1 (.5) P P CP m 3 4 34 0,5 1,8 4 4 (.6).3.5. Eficiências mecânica, volumética e isentópica. A eficiência mecânica é definida pela equação: P m P m (.7) eixo A peda mecânica na foma de calo, devido à ficção ente os componentes metálicos que compõem o compesso automotivo, pode se calculada mediante a equação: Q P (1 ) (.8) pm eixo m A eficiência volumética extena (tomando-se o compesso automotivo como um todo) e a eficiência volumética no cilindo de compessão são apesentadas nas equações (.9) e (.30), as quais, usualmente ficam em função do volume de deslocamento e o estado temodinâmico do efigeante na sucção ( 1 ). v14 v3 m VN 1 d m VN d (.9) (.30) onde 1 e são a massa específica do fluido efigeante na sucção na entada do cilindo de compessão, espectivamente, V d é o volume deslocado (cilindada) e N a velocidade angula de compessão (ps).
Capítulo. Compesso Automotivo 64 A eficiência isentópica do compesso pode se entendida como a azão ente a enegia que seia gasta numa compessão adiabática evesível e a enegia ealmente consumida. As equações das eficiências isentópicas extena (globalcompesso como um todo) e do cilindo de compessão popiamente dito são, espectivamente: onde: s14 s3 h h h h h h 4s 1 4 1 h h 3s 3 (.31) (.3) h 3s : Entalpia específica isentópica na saída do cilindo de compessão. h 4s : Entalpia específica isentópica na saída do compesso..4. Dados expeimentais No pesente tabalho, foam utilizados dados expeimentais a pati de testes caloiméticos de um sistema de condicionamento de a automotivo (Mino e Spatz, 008). O compesso estudado foi do tipo deslocamento vaiável (swash plate), com um volume de deslocamento de 135 cm 3, acionado po um moto elético. O toque e a velocidade de otação foam medidos com um dinamômeto digital modelo MCRT 4800V, maca Himmelstein (0,1% FS e 0,5 pm). O apaato expeimental está fomado po duas câmaas que simulam as condições de opeação ambientais intenas e extenas (indoo-outdoo), com contole de tempeatua e umidade. O compesso automotivo foi enclausuado em uma caixa (caloímeto), na qual pode-se simula as tempeatuas a que é submetido em condições nomais de opeação (cofe do moto). Paa a aquisição dos dados de tempeatua e pessão do fluido efigeante, na sucção e descaga, foam utilizados temopaes do tipo T ( o C ) e tansdutoes de pessão na faixa de 0-300 psia (baixa pessão) e 0-500 psia (alta pessão) com uma pecisão de (0,1% FS). Na medição da vazão mássica do efigeante, utilizou-se um medido tipo Coiolis, com uma pecisão de 0,0005 g/cm 3. Os testes expeimentais tanscoeam sob condições de opeação dop-in (isto é, toca de efigeante
Capítulo. Compesso Automotivo 65 sem mudanças na egulagem da válvula de expansão) e sem vaiação na capacidade do compesso. Os efigeantes testados foam o R134a e R134yf..5. Método de solução O método de solução é dividido em duas pates: 1. Deteminação dos paâmetos empíicos que caacteizam o compesso, a pati dos dados expeimentais obtidos nos testes caloiméticos.. A simulação do compesso automotivos tendo os paâmetos caacteísticos do compesso como valoes constantes..5.1. Cálculo dos paâmetos caacteísticos Paa avalia o modelo de caacteização do compesso foam utilizados esultados de ensaios do compesso com os fluidos R134a (fluido padão) e R134yf. As popiedades temodinâmicas e de tanspote foam calculadas com o pacote REFPROP (NIST Standad Refeence Database 3, Vesion 8.0). O método de solução utilizado no cálculo dos paâmetos caacteísticos é o método de gadiente eduzido genealizado (GRG). O pacote computacional utilizado paa a solução deste modelo é o Micosoft Excel 010, que possui uma sub-otina chamada Solve paa a solução de poblema de otimização. O método de solução é apesentado no apêndice A1. Os paâmetos caacteísticos são o esultado da solução do sistema de equações não lineaes, apesentadas no modelo matemático, alimentados com os dados expeimentais obtidos. Paa isto, é necessáio defini uma função, a qual envolva os pocessos de convesão de enegia que ocoem no compesso automotivo. Esta função é baseada na equação (.), e pode se eescita da seguinte foma: f ( x) Q Q Q Q m ( h h ) (.33) i 34 pm 3 ca 1
Capítulo. Compesso Automotivo 66 onde i é a condição de opeação ou o númeo do teste expeimental e x epesenta o veto que contém os paâmetos a se estimados: x CH, CP, CH, CP (.34) 1 1 34 34 Agoa pode-se constui uma função objetivo, F obj, a se minimizada, calculada em função do númeo de testes expeimentais obtidos. A função objetivo é dada pela seguinte equação: F obj n i1 f ( x) (.35) O algoitmo utilizado na caacteização do compesso automotivo é descito a segui: 1) Enta dados expeimentais (po coida expeimental): Pessão e tempeatua na sucção: P1, T 1. Pessão e tempeatua na descaga: P4, T 4. Vazão mássica do fluido efigeante: m. i Potência do eixo: P eixo O valo da eficiência mecânica m é assumido como constante e igual a 0,96. ) Aplica estição ás vaiáveis de pessão e entalpia, com base no que se espea do funcionamento do compesso. P1 P P3 (.36) P P (.37) 4 3 h1 h h3 (.38) h h (.39) 4 3 3) Estima os estados temodinâmicos (pessão, P * * ep 3, e entalpias h eh ) do fluido efigeante na entada e saída * * 3 do cilindo de compessão (pontos e 3). P P (.40) * 1 h P h (.41) * 1 P (.4) * 3 4
Capítulo. Compesso Automotivo 67 h h (.43) * 3 4 4) Calcula a potência de compessão, P m, com a equação (.7). 5) Calcula a eficiência volumética extena, v14, e intena, v3, (cilindo de compessão), com as equações (.9) e (.30), espectivamente. 6) Calcula a eficiência isentópica extena, s14, e intena, s3, (cilindo de compessão), com as equações (.31) e (.3). 7) Calcula a taxa de tansfeência de calo da cacaça, Q ca, paa o meio ambiente, com a equação (.1). 8) Calcula as taxas de tansfeência de calo na sucção, Q 1, e na descaga, Q 34, com as equações (.) e (.4). 9) Calcula a taxa de tansfeência de calo devido ao pocesso de compessão no cilindo, Q 3, equação (.3). 10) Calcula a peda mecânica na foma de calo, Q pm, com a equação (.8). 11) Calcula os paâmetos caacteísticos de tansfeência de calo CH1, CH 34, com as equações (.11) e (.14). Calcula os paâmetos caacteísticos de queda de pessão CP1, CP 34, com as equações (.5) e (.6). 1) Calcula a função fi( x ), com a equação (.33). 13) Aplicando o conceito de que os paâmetos caacteísticos devem se iguais paa n condições de opeação (ou n coidas), aplicam-se as seguintes estições: CH1,1 CH1,... CH1, n CH34,1 CH34,... CH34, n (.44) CP1,1 CP1,... CP1, n CP CP... CP 34,1 34, 34, n 14) Minimiza a função objetivo (.35), até se atingi um valo * * * * póximo a 0, atualizando as vaiáveis P, h, P, h. 3 3
Capítulo. Compesso Automotivo 68 A Figua.8 mosta o diagama de fluxo utilizado paa o cálculo dos paâmetos de queda de pessão e toca de calo.
Capítulo. Compesso Automotivo 69 Inicio Entada das condições de opeação:,,,... Dados Estimados Cálculo das vaiáveis: ; ; ; ; ; ; Funções: Paâmeto: Função Objetivo: Veifica os valoes dos paâmetos: Não Sim Fim Figua.8 Diagama de fluxo paa o cálculo dos paâmetos do compesso automotivo.
Capítulo. Compesso Automotivo 70.5.. Simulação Com os paâmetos de queda de pessão CP 1, CP 34, toca de calo CH1, CH 34, e duas equações adicionais (eficiências volumética, v3 isentópica, s3, do cilindo de compessão) obtidas do modelo de caacteização do compesso do sistema de a condicionado automotivo, é desenvolvido um modelo de simulação. O compilado utilizado foi Compaq Visual Fotan v6.5, instalado em um computado (Intel Coe i7-740qm quad-coe pocesso 1.73GHz com 6 Gb de memóia RAM). As popiedades temodinâmicas e de tanspote do fluido efigeante são calculadas usando o pacote REFPROP (NIST Standad Refeence Database 3, Vesion 8.0). As vaiáveis a se obtidas pelo modelo de simulação são: vazão mássica do fluido efigeante,, e m, e a tempeatua de descaga, T 4. Além isso, é possível calcula os estados temodinâmicos na entada e saída do cilindo de compessão e desceve os pocessos de tansfeência de calo que acontecem ao longo do caminho pecoido pelo fluido efigeante. O algoitmo que desceve o método iteativo utilizado na solução do sistema de equações descito no modelo matemático é o seguinte: 1. Enta as condições de opeação: pessão na sucção P 1, tempeatua na sucção T 1, pessão na descaga P 4, e velocidade otacional do compesso pm.. Le paâmetos caacteísticos CH1, CP1, CH34, CP 34, a eficiência mecânica, m, deslocamento volumético do compesso, V d, e paâmetos descevendo as eficiências volumética e isentópica no cilindo de compessão. 3. Inicia o cálculo estimando as seguintes vaiáveis: vazão mássica, * m, tempeatua na entada do cilindo de compessão, * T, (chute inicial, T T ) e a tempeatua na descaga T * (chute inicial * 1 4 T T f( P )). * 4 vap 4
Capítulo. Compesso Automotivo 71 4. Calcula a pessão na entada e na saída do cilindo de compessão, P, P 3, com as equações (.5) e (.6). 5. Calcula a eficiência volumética, v3, e isentópica, s3, no cilindo de compessão em função das equações (.45) e (.46), obtidas na caacteização: P P a a a 3 3 v3 1 0 P P P P b b b 3 3 s3 1 0 P P (.45) (.46) 6. Calcula a tempeatua do bloco metálico, T w, a tempeatua média do fluido efigeante na sucção, T ms, e descaga, T md, com as equações (.13), (,1) e (.15), espectivamente. 7. Calcula a taxa de tansfeência de calo na sucção, Q 1, com a equação (.11). 8. Calcula a taxa de tansfeência de calo na descaga, Q 34, com a equação (.14). 9. Calcula a taxa de tansfeência de calo do compesso paa o meio ambiente, Q ca, com a equação (.1). 10. Calcula as pedas mecânicas Q pm, com a equação (.8). 11. Calcula a taxa de tansfeência de calo do cilindo de compessão, Q 3, com a equação (.3). 1. Recalcula a vazão mássica, m, com a equação (.3). 13. Compaa a vazão mássica calculada, m, com a vazão mássica * estimada, m. 14. Veifica a convegência com a equação: m m m * 0,0001 (.47) Se não cumpe o citéio de convegência, etona à linha 3. 15. Recalcula a tempeatua na sucção, T, e a tempeatua na descaga, T 4, com as equações (.) e (.4), espectivamente.
Capítulo. Compesso Automotivo 7 16. Compaa os valoes calculados da tempeatua na sucção, T, e a tempeatua na descaga, T 4, com os chutes iniciais * T e * T 4. 17. Se não fo cumpido o citéio de convegência, etona à linha 3. Os citéios de convegência são: T T * T 0,01 (.48) * 4 T4 0,01 (.49) Na Figua.9, obseva-se o diagama de fluxo utilizado no modelo de simulação.
Capítulo. Compesso Automotivo 73 Inicio Dados de entada: Dados Estimados Cálculo: Recálculo da vazão mássica: Não Sim Não Fim Sim Figua.9 Diagama de fluxo do modelo de simulação do compesso automotivo.
Capítulo. Compesso Automotivo 74.6. Resultados O compesso automotivo em estudo foi testado com os fluidos efigeantes R134a e R134yf, obtendo-se um total de oito pontos expeimentais paa cada fluido efigeante (Spatz, 006, 007)..6.1. Caacteização do compesso automotivo Com a solução do sistema de equações apesentado no modelo de caacteização do compesso automotivo, baseadas nos pincípios de consevação de massa, enegia e quantidade de movimento, foam obtidos quato paâmetos que epesentam a geometia das passagens intenas do compesso, utilizando o fluido efigeante R134a como efeência, os quais seão utilizados, como dados de entada no modelo de simulação do compesso, utilizando difeentes fluidos efigeantes. A Tabela.1, apesenta os paâmetos obtidos do modelo de caacteização paa cada efigeante. Tabela.1 Paâmetos caacteísticos de queda de pessão e toca de calo. Fluidos efigeantes CH 1 CH 34 CP 1 CP 34 0, 0, 3,75 [ m ] [ m ] [ m ] [ m 3,75 ] R134a 0,506 0,6798,0E+05 6,78E+07 R134yf 0,595 0,689,10E+05 6,80E+07 Na Tabela.1, pode-se obseva uma difeença ente os dois paâmetos de tansfeência de calo obtidos paa o fluido R134a e R134yf de 1,70% e 1,38%, espectivamente. Os paâmetos de queda de pessão apesentam eos elativos (R134yf compaado ao R134a) de 3,84% e 0,9%. Estes valoes, teoicamente, deveiam se iguais paa os dois efigeantes. Como esultado do modelo de caacteização do compesso automotivo, foam ainda deteminadas duas funções: i) eficiência volumética, v3, em função da azão de compessão intena, P 3 P, (cilindo de compessão), ii) eficiência isentópica, s3, em função da azão de compessão intena, P 3 P,. As equações (.47) e (.48) mostam o ajuste polinomial paa cada efigeante.
Capítulo. Compesso Automotivo 75 Fluido R134a: v3 s3 P P 3 3 0,00 0,074 0,9369 P P P P 3 3 0,007 0,0073 0,8769 P P (.50) Fluido R134yf: v3 s3 P P 3 3 0,0053 0,004 0,8955 P P P P 3 3 0,0036 0,011 0,8761 P P (.51) A Figua.10 apesenta uma compaação das eficiências voluméticas em função da azão de compessão intena e extena do compesso automotivo. Obseva-se que a eficiência volumética intena, v3, é maio, devido às azões de compessão einantes no cilindo de compessão seem maioes em compaação às azões de compessão extenas. 0,80 R134a (P4/P1) - Extena R134a (P3/P) - Intena Eficiência Volumética Ƞv 0,70 0,60 0,50 3 4 5 6 7 8 9 Razão de Compessão Figua.10 Eficiência volumética em função da elação de compessão paa o fluido R134a.
Capítulo. Compesso Automotivo 76 A compaação ente a eficiência isentópica intena, s3, e extena, s14, em função das azões de compessão, paa o fluido R134a, é apesentada na Figua.11. 0,85 R134a (P4/P1) - Extena R134a (P3/P) - Intena Eficiência Isentópica Ƞs 0,75 0,65 0,55 3 4 5 6 7 8 9 Razão de Compessão Figua.11 Eficiência isentópica em função da elação de compessão paa o fluido R134a. 0,85 R134a R134YF Eficiência Volumética intena Ƞv3 0,75 0,65 0,55 3 4 5 6 7 8 9 Razão de Compessão P 3 /P Figua.1 Compaação da eficiência volumética no cilindo de compessão ente os fluidos R134a e R134yf.
Capítulo. Compesso Automotivo 77 Na Figua.1 obseva-se a compaação, entes os fluidos R134a e R134yf, da eficiência volumética no cilindo de compessão com seu coespondente ajuste de cuva. Na Figua.13, apesenta-se uma compaação da eficiência isentópica no cilindo de compessão paa os fluidos R134a e R134yf. 0,85 R134a R134yf Eficiência Isentópica intena Ƞs3 0,75 0,65 0,55 3 4 5 6 7 8 9 Razão de Compessão P 3 /P Figua.13 Compaação da eficiência isentópica no cilindo de compessão ente os fluidos R134a e R134yf..6.. Validação do modelo de simulação As vaiáveis de saída validadas no modelo de simulação apesentado neste tabalho são: a vazão mássica do fluido efigeante, m, e a tempeatua de descaga, T 4, as quais seão compaadas com os valoes expeimentais obtidos dos testes caloiméticos. Os dados de entada necessáios paa o modelo de simulação são: 1. Paâmetos caacteísticos levantados com dados expeimentais do fluido R134a:
Capítulo. Compesso Automotivo 78 CH1, CP1, CH34, CP 34. Cuvas caacteísticas da eficiência volumética, v3, e isentópica, s3, no cilindo de compessão. 3. Fluido efigeante a se avaliado. 4. Volume de deslocamento do compesso automotivo: Vd 3 0,000135 m. 5. Eficiência mecânica, m 0,96. 6. Pessão e tempeatua de sucção: P1, T 1 7. Pessão de descaga, P 7. O citéio utilizado paa compaa os esultados expeimentais com os numéicos foi o eo elativo (%), definido como: onde: E X X num exp (%) 100 X exp X num : Vaiável de saída ( m ) da simulação numéica. (.5) X exp : Vaiável expeimental ( m ). O citéio utilizado paa compaa os esultados da tempeatua é expesso pela seguinte equação: o ( ) E C Texp T num (.53) onde Texp é a tempeatua expeimentalmente obtida e T num é a tempeatua numeicamente deteminada..6..1. Compesso automotivo utilizando o fluido R134a Os esultados da tempeatua de descaga são apesentados na Figua.14, com eos de + 1,16 o C até -1,7 o C.
Capítulo. Compesso Automotivo 79 10 5 + 1,16 o C Eo ( o C) 0-1,7 o C -5-10 78 83 88 93 98 103 108 Tempeatua expeimental na descaga do compesso ( o C) Figua.14 Eo elativo da pevisão de tempeatua na descaga (R134a). Os esultados da vazão mássica de efigeante são apesentados na figua,15, com eos na faixa de +,59% até -3,79%. 0 10 Eo (%) 0 +,59 % -10-3,79 % -0 0,00 0,05 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 Vazão mássica expeimental do fluido efigeante (kg/s) Figua.15 Eo elativo da pevisão da vazão mássica do efigeante R134a.
Capítulo. Compesso Automotivo 80 De um modo geal, pode-se obseva que o eo na deteminação da tempeatua de descaga e da vazão mássica situou-se em uma faixa azoável de concodância. Destaca-se que o fluido que geou os valoes dos paâmetos caacteísticos paa amabas as simulações foi o pópio R134a..6... Compesso automotivo utilizando o fluido R134yf A Figua.16 mosta os valoes dos eos na pevisão da tempeatua de descaga do compesso automotivo, com eos situando-se na faixa de + 1,7 o C até +3,34 o C. 10 5 + 3,34 o C Eo ( o C) 0 + 1,7 o C -5-10 65 70 75 80 85 90 95 Tempeatua expeimental na descaga do compesso (K) Figua.16 Eo elativo da pevisão de tempeatua na descaga (R134yf). Os esultados da vazão mássica de efigeante são apesentados na Figua.17, com eos na faixa ente + 0,77 % e -,50%.
Capítulo. Compesso Automotivo 81 0 10 Eo (%) 0 + 0,77 % -10-4,55 % -0 0,00 0,05 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 Vazão mássica expeimental do fluido efigeante (kg/s) Figua.17 Eo elativo da pevisão de vazão mássica do efigeante R134yf. As Figuas.16 e.17 mostaam um espalhamento semelhante ao do R134a, mas com valoes mais elevados, lembando que a caacteização do compesso foi baseada nos testes de outo efigeante, o R134a. De um modo geal, paa o efigeante R134a e R134yf, os eos situaam-se abaixo de 3% e 3,3%, espectivamente.
Capítulo. Compesso Automotivo 8.7. Conclusões No pesente tabalho é apesentado um modelo semi-empíico de caacteização e de simulação do compesso de um sistema de condicionamento de a automotivo (MAC), a espeito do qual se podem tece as seguintes conclusões: 1. O modelo de simulação do compesso automotivo, baseado nas equações fundamentais de consevação de massa, enegia e quantidade de movimento e em paâmetos empíicos (em função do fluido R134a, de efeência), apesenta boa concodância ente as vaiáveis, expeimentais e pevistas, de tempeatua na descaga e vazão mássica do fluido efigeante. Tal concodância se eflete nos eos obtidos paa tempeatua na descaga (-1,7 o C até +1.16 o C) e vazão mássica (-3,79% até +,59%, ) com o fluido R134a. No caso do compesso automotivo, utilizando o fluido R134yf, os eos elativos na tempeatua na descaga e vazão mássica do efigeante, situaam-se ente +1,7 o C e +3,34 o C e -4,55% é +0,77%, espectivamente.. O modelo de caacteização paa o compesso automotivo tipo swash plate mostou esultados satisfatóios, ao se aplicado o método de otimização implementado no pacote Excel, mediante o qual os dois valoes de tansfeência de calo obtidos paa os fluidos R134a e R134yf divegiam ente si de 1,70% e 1,38%, com o pimeio e o segundo paâmeto, espectivamente. Os paâmetos de queda de pessão apesentaam eos elativos de 3,84 % e 0,9%. 3. O modelo de simulação semi-empíico, desenvolvido no pesente estudo, povou se uma feamenta útil paa a simulação do compesso automotivo, pincipalmente quando o estudo de novos fluidos efigeantes se mosta necessáio.