MERCOFRIO 2014 - 9 CONGRESSO INTERNACIONAL DE

AR CONDICIONADO, REFRIGERAO, AQUECIMENTO E VENTILAO

ASBRAV - 25 a 27 de agosto - Porto Alegre

DIMENSIONAMENTO DOS TROCADORES INTERNO E EXTERNO DE UMA BOMBA DE CALOR PARA A CLIMATIZAO DE VECULOS ELTRICOS

Brunno Micheli Azevedo brunnomikeli@gmail.com Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecnica, www.mec.puc-rio.br

Sergio Libanio de Campos sergio.libanio@gmail.com CEFET-RJ - Centro Federal de Educao Tecnolgica Celso S. da Fonseca, UnED de Maria da Graa, www.cefet-rj.br Jos Alberto dos Reis Parise parise@puc-rio.br Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecnica, www.mec.puc-rio.br

S1 Sistemas de Ar Condicionado e Aquecimento

Resumo. O presente trabalho apresenta o dimensionamento dos trocadores interno e externo de uma bomba de calor

ar-ar com reverso que atenda s demandas de carga trmica de refrigerao e aquecimento para veculos eltricos,

os quais no contam com o calor de rejeito do motor, como nos veculos movidos por motor de combusto interna.

Foram calculados, para um carro tipo sedan compacto, as taxas de ganho e perda de calor da cabine , assim como as

cargas trmicas de refrigerao e aquecimento. Supondo operao com o refrigerante HFO1234yf, foi efetuada

anlise termodinmica bsica para os modos de aquecimento e refrigerao. Com os resultados obtidos e conhecendo

as temperaturas de entrada e sada do ar e do refrigerante, foram calculadas as diferenas mdias logartmicas de

temperatura e as condutncias (UA) de cada um dos trocadores de calor, interno e externo, ambos operando, em seu

modo de operao respectivo, como condensadores. A partir de testes experimentais com uma bomba de calor ar-ar

com reverso, de capacidade trmica similar, foi possvel estimar um valor para o coeficiente global de troca de calor,

para cada serpentina quando em operao como condensador. Determinou-se, ento, a rea necessria de troca de

calor, para ambos os trocadores, interno e externo .

Palavras-chave: Climatizao, Bomba de calor, Veculo eltrico

1. INTRODUO

O aproveitamento contnuo de novas tecnologias tem forado a indstria automobilstica a investir mais no

conforto e segurana dos veculos. Dentre os sistemas responsveis pelo conforto no interior dos veculos, o

condicionador de ar deixou de ser apenas um componente opcional para se tornar indispensvel at mesmo em carros

populares. Por outro lado, a conscincia sobre os impactos causados ao meio ambiente, em virtude da queima de

combustvel fssil pelos veculos com motores de combusto interna, tem resultado no aumento do nmero de veculos

eltricos em circulao. Nestes casos, o acionamento do compressor afeta diretamente a autonomia do veculo e no h

calor de rejeito do motor para o aquecimento. Com este cenrio em mente, o presente trabalho estuda a utilizao de

uma bomba de calor com reverso, para o aquecimento e refrigerao da cabine de passageiros de veculos eltricos. A

finalidade de uma bomba de calor transferir calor de uma fonte trmica fria para uma fonte quente. Serve tanto para

refrigerao quanto para aquecimento. Neste ltimo, utiliza o mesmo ciclo termodinmico usado pelo ar-condicionado

(refrigerao), mas no sentido reverso. O evaporador, ou melhor, o trocador de calor na cabine, passa a atuar como o

condensador, liberando calor. O objetivo deste trabalho analisar o funcionamento de um sistema de bomba de calor

voltado para veculos eltricos, ou seja, que no possuem motor de combusto interna. Em virtude da ausncia de

aquecimento a partir do calor de rejeito do motor a combusto interna, j que este ltimo inexiste no veculo eltrico, a

bomba de calor mostra-se mais eficiente energeticamente, devido ao COP maior que a unidade, que a resistncia

eltrica. So poucos os trabalhos sobre bombas de calor automotivas atualmente disponveis na literatura. Hosoz e

Direk (2006) realizaram um experimento para observar o desempenho de um sistema de ar condicionado veicular

operando como bomba de calor utilizando o ar ambiente como fonte de calor. Observaram, como j esperado, que o

aquecimento por bomba de calor adequado apenas em condies de inverno ameno e que sua capacidade cai

bruscamente com a queda de temperatura exterior. Pode-se, tambm, mencionar os trabalhos de Torregrosa-Jaime et al.

(2013), Kondo et al. (2011), Direk et al. (2011) e Pomm (1997), comentados em Campos et al. (2014).

2. CLCULO DA CONDUTNCIA DOS TROCADORES DE CALOR

O ponto de partida do dimensionamento dos trocadores de calor foi a estimativa da carga trmica, a partir das

taxas de ganho ou perda de calor, efetuadas com base na metodologia utilizada por Santos (2005). Os clculos foram

conduzidos levando-se em conta as condies de ambiente externo quente (modo de ar condicionado) ou frio (modo de

aquecimento), que determinava a direo da troca de calor, revelando-se um ganho ou uma perda de calor. O fato de se

tratar de um veculo eltrico exigiu uma nova estimativa da temperatura do compartimento do motor (agora eltrico e

no mais a combusto interna), necessria para o clculo da taxa de transferncia de calor atravs da parede corta-fogo.

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Para os clculos de ganhos e perdas de calor foi necessrio definir as dimenses e material de cada superfcie do veculo

(Santos, 2005). O modelo de veculo para o presente trabalho foi baseado em um sedan nacional compacto de quatro

portas. Estimou-se a carga trmica, para o modo de operao no vero, em, aproximadamente, 2 kW, e 3 kW, para

aquecimento.

O gs refrigerante usado no projeto foi o R1234yf (2,3,3,3-Tetrafluoropropene, CH2=CF-CF3). Este refrigerante

o mais provvel substituto do refrigerante atualmente usado, o R134a. A principal razo para a mudana o alto

potencial de aquecimento global do R134a (GWP de aproximadamente 1430), contra um GWP prximo de 4, para o

R1234yf. Segundo Brown (2009), sua classificao de segurana 2L, por ser inflamvel. Suas propriedades

termodinmicas e caractersticas de troca de calor em condensao (Brown, 2009) praticamente o qualificam como um

refrigerante substituto tipo "drop-in" (VCC- "volumetric cooling capacity", ou capacidade volumtrica de refrigerao)

para o R134a.

Dois ciclos termodinmicos e dois conjuntos de temperaturas do ar correspondentes foram idealizados para os

modos de aquecimento e resfriamento, conforme apresentado na Tabela 1. As propriedades do refrigerante HFO1234yf

foram calculadas a partir do programa REFPROP verso 9 (Lemmon et al., 2013). As condutncias trmicas de ambos

os trocadores de calor foram, ento, calculadas a partir da razo entre a taxa de transferncia de calor (carga trmica de

aquecimento para o trocador interno e taxa de rejeio de calor no modo refrigerao para o trocador externo) e a

difeena mdia de temperaturas correspondente.

Tabela 1 Ciclo termodinmico do refrigerante (HFO1234yf) e temperaturas do ar

Modo de operao Resfriamento Aquecimento Temperatura externa (

oC) 40 0

Temperatura interna cabine (oC) 25 20

Temperatura de condensao (oC) 55 35

Temperatura de evaporao (oC) 10 -15

Grau de superaquecimento (oC) 30 20

Grau de suresfriamento (oC) 5 5

Eficincia isentrpica do compressor (-) 0,80 0,80

Temperatura de entrada do ar no

condensador (oC)

40 0 (*)

Temperatura de sada do ar no

condensador (oC)

64,5 25

(*): renovao total (100%) do ar da cabine.

A Fig. 1 apresenta o diagrama P-h para o modo de refrigerao com refrigerante HFO1234yf. A carga trmica de

refrigerao (no evaporador), somada ao consumo do compressor, fornece a taxa de transferncia de calor no

condensador (trocador externo). Na Fig. 2 tem-se a distribuio estimada de temperaturas, do ar e refrigerante, no

trocador externo, atuando como condensador.

Figura 1. Diagrama P-h para o modo de refrigerao com o refrigerante HFO1234yf.

Figura 2. Diagrama de temperaturas do ar e do refrigerante no trocador externo, para o modo de refrigerao.

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A diferena mdia logartmica de temperaturas , ento, dada por:

=

= 14,5 (1)

e, a condutncia do condensador (trocador externo) pode ser aproximada por:

() = !"

# $= 178,95 (/* (2)

No modo de aquecimento, o ciclo de compresso opera nos nveis indicados na Fig. 3.

Figura 3. Diagrama P-h para o modo de aquecimento com o refrigerante HFO1234yf.

Figura 4. Diagrama de temperaturas do ar e do refrigerante no trocador interno, para o modo de aquecimento.

Analogamente, a distribuio de temperaturas dada pela Fig. 4, e diferena mdia de temperaturas e condutncia

do trocador interno so, respectivamente:

=

= 31,5 (3)

(),- = !"

# $= 95,56 (/* (4)

Uma vez conhecidas as duas condutncias, (UA)ext e (UA)int, calculadas para cada trocador de calor na funo de

condensador, e os coeficientes globais de transferncia de calor respectivos, Uext e Uint, determinam-se as reas de troca

das serpentinas interna e externa, Aext e Aint.

Em um projeto inicial de adaptao de um sistema climatizador automotivo, para operar como ar condicionado e

bomba de ca