MERCOFRIO 2014 9O CONGRESSO INTERNACIONAL DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAO, AQUECIMENTO E VENTILAO

ANLISE DA EFICINCIA ENERGTICA DE UM CONDICIONADOR DE AR AUTOMOTIVO COM R437a E DIFERENTES FREQUNCIAS DE OPERAO DO COMPRESSOR

Bruno Daniel Alves do Nascimento bdaniel2012@bol.com.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica Tatiana Maia Cavalcanti tmaia_c@hotmail.com Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica Cleiton Rubns Formiga Barbosa cleiton@ufrnet.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecnica Francisco de Assis Oliveira Fontes franciscofontes@uol.com.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecnica Cleiton Rubns Formiga Barbosa Jnior cleitonformiga@gmail.com Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecnica

S1 Sistemas de ar condicionado e aquecimento

Resumo. A reduo no consumo de energia um requisito fundamental a ser satisfeito em sistemas de refrigerao e condicionamento de ar por compresso de vapor. Este trabalho tem o objetivo de avaliar as condies de utilizao do gs refrigerante R437a (alternativo para aplicaes automotivas e domsticas), variando a velocidade no eletroventilador do condensador. Todos os testes foram realizados na unidade de climatizao automotiva ATR600, que simula as condies trmicas do sistema e do habitculo do veculo. O equipamento est instrumentado para aquisio dos dados de temperatura, presses de condensao e evaporao e potncia eltrica consumida, para determinao do coeficiente de performance do ciclo. O sistema foi ensaiado nas rotaes de 800, 1600 e 2400 RPM com carga constante de R374a (foi realizada substituio do refrigerante original, R134a, e colocada uma carga igual, recomendada pelo fabricante). Os resultados mostram que a melhor performance do sistema ocorreram na rotao de 800 RPM.

Palavras-chave: Coeficiente de performance, R437a, refrigerao automotiva.

1. INTRODUO

Os sistemas de ar-condicionado tm se tornado itens cada vez mais importantes, quer seja para conforto trmico, aplicaes alimentcias, industriais, entre outras. Em sistemas veiculares, o conforto trmico crucial, priorizando assim o bem estar do usurio.

Porm o conforto trmico no o nico item a ser observado nos sistemas de refrigerao veiculares. Itens de controle ambiental tambm so monitorados e sua influncia um fator determinante no desenvolvimento dos equipamentos HVAC automotivos. O tipo do refrigerante utilizado de suma importncia para tais estudos.

Nos dias atuais o gs refrigerante R134a (1,1,1,2-DICLORODIFLUORMETANO) est sendo largamente utilizado em sistemas veiculares e est sendo visto como alternativa tambm para aplicaes em ar-condicionado com fins de uso domstico. O mesmo no inflamvel e no explosivo, um HFC que tem potencial nulo de destruio da camada de oznio, porm possui alto efeito estufa. Possui toxicidade imperceptvel comparado ao R-12. O R-134a apresenta boa miscibilidade com os leos lubrificantes a base de Poliol ster (POEs), eliminando riscos explosivos no sistema.

Para o estudo em questo foi utilizado um refrigerante alternativo ao R134a, comumente utilizados em sistemas HVAC automotivos, que o R437a.

Tal refrigerante foi desenvolvido para os processos de Retrofit do R-12. Conforme dados do fabricante, compatvel com os lubrificantes utilizados em sistemas automotivos e na maioria dos casos no se necessita da modificao dos mesmos.

Abaixo podemos ver a tabela da composio R437a, conforme especificaes do fabricante.

Tabela 1. Composio do ISCEON MO49 Plus (Fonte: DuPont Brasil)

As propriedades fsicas do R437 podem ser vistas na Tabela 2. Nota-se que seu potencial de destruio da camada de oznio (ODP) e seu potencial de aquecimento global (GWP) so inferiores, quando comparados ao R-12.

Tabela 2. Propriedades fsicas do ISCEON MO49 Plus (Fonte: DuPont Brasil)

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo geral

Analisar a performance da aplicao do refrigerante R437a em um sistema de refrigerao automotiva e comparar com a performance do mesmo quando varia-se a RPM do compressor e velocidade no eletroventilador da unidade evaporadora.

2.2. Objetivos especficos

1 - Avaliar influencia da variao da velocidade do eletroventilador do evaporador com o gs R437a; 2 Simular atravs do software DUPREX o coeficiente de performance com a variao de velocidade no

eletroventilador do condensador e do evaporador;

3. FUNDAMENTAES TERICAS

A variedade de fluidos de trabalho para sistemas de refrigerao baseados na compresso de vapor muito grande. Refrigerantes como amnia e dixido de enxofre foram de suma importncia para o incio dos estudos dos sistemas de refrigerao por compresso de vapor. Entretanto essas duas substncias so txicas e bastante perigosas. Devido a tal fator, os gases de denominao Freon e Genatron foram utilizadas como alternativa a eles (exemplos: Freon-12 e Genatron-12, conhecidos como R12). So conhecidos como CFCs (clorofluorcarbonos) e j possuam estabilidade temperatura ambiente, porm se houver um escapamento para a atmosfera geram danos devastadores ao meio ambiente. Aps isso foram desenvolvidos os HFCs (hidrofluorcarbonos, exemplo: R22). Esses j possuem vida mdia menor na atmosfera e liberam menos cloro. O R12 j foi banido em muitos pases, j o R22 usado comumente em sistemas

comerciais (BORGNAKKE e SONNTAG: 2009). Abaixo se pode ver as alternativas utilizadas hoje com relao a esses refrigerantes.

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Figura 01. Refrigerante alternativos aos CFCs e HCFCs (Fonte: Van Wylen)

3.1. CICLO IDEAL DE REFRIGERAO POR COMPRESSO DE VAPOR

Diante das diversas dificuldades associadas ao ciclo reverso de Carnot, foi-se necessrio verificar uma alternativa para os sistemas de refrigerao. A substituio da turbina por vlvula de expanso ou tubo capilar foi de grande importncia para esse processo (engel, 2005). Abaixo pode-se verificar esse ciclo.

Figura 02. Ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor (Fonte: Apostila Refrigerao e Ar condicionado Professor Marcelo Jos Pirani)

Esse ciclo consiste de quatro processos:

1-2: Compresso isoentrpica em um compressor 2-3: Rejeio de calor a presso constante em um condensador 3-4: Estrangulamento em um dispositivo de expanso 4-1: Absoro de calor a presso constante em um evaporador

3.2. CICLO REAL DE REFRIGERAO POR COMPRESSO DE VAPOR

um ciclo que difere do real devido s irreversibilidades que ocorrem em seus componentes. O refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como lquido saturado. O processo de compresso nesse ciclo envolve os efeitos descritos anteriormente, que podem aumentar ou reduzir a entropia, dependendo da direo (engel, 2005), podendo ser visto na figura 03.

Figura 03. Diferenas entre o ciclo terico e o ciclo real de refrigerao (Fonte: Apostila Refrigerao e Ar condicionado Professor Marcelo Jos Pirani)

4. METODOLOGIA

Para o estudo em questo, foi utilizada a bancada ATR600, que simula as condies trmicas de um sistema de refrigerao automotiva.

Primeiramente foi-se retirado o refrigerante original (R134a) e substitudo pelo R437a. Conforme recomendado pelo fabricante, foram seguidas as seguintes etapas:

1 Remoo do R134a do sistema e coloc-lo em um cilindro de recuperao. Foi utilizada uma bomba de vcuo para realizao dessa etapa;

2 Realizada pesagem de quanto foi retirado (foi verificado com o fabricante da bancada a quantidade de fluido refrigerante que o sistema suportava, pois essas informaes no continham no manual);

3 Verificadas as condies do filtro/secador (foi mantido o original da bancada); 4 Verificada existncia de vazamentos, afim de no comprometer o desempenho do sistema; 5 Insero do R437a na bancada.

Os dados necessrios para os clculos do COP (temperaturas de evaporao e condensao, presses de alta e baixa) foram extrados atravs do software do equipamento. Existem sensores distribudos em pontos que permitam a aquisio dos mesmos.

Para obteno de dados no se fez necessria a instalao do software no computador. Bastou-se apenas realizar a cpia do aplicativo diretamente ao HD.

A conexo realizada apartir de um cabo serial DB9, que trabalha com o protocolo de comunicao RS-232. Na parte esquerda e superior da tela do programa de monitoramento esto localizadas as opes dos parmetros do

sistema de refrigerao que podem ser adquiridos. A velocidade de 800 RPM corresponde simulao do giro do motor do veculo em marcha lenta. J a 4000 RPM

corresponde a velocidade alta. Os ensaios foram realizados com rotaes: 800, 1600 e 2400 RPM, cujo controle era dado pelo potencimetro conforme figura abaixo.

Figura 04. Controle de velocidades do conjunto (Fonte: Manual do aluno BIT9)

Os dados coletados eram inseridos em uma planilha em Excel. Com as presses de alta e baixa, conseguia-se as temperaturas de saturao (atravs do software PT Calc da DuPont) e com os dados coletados na sada do evaporador e condensador , podia-se ser calculado o subresfriamento e o superaquecimento, conforme relaes abaixo.

TSUPERAQUECIMENTO = TSAIDAEVAPORADOR TSATURAO (1) TSUB-RESFRIAMENTO = TSAIDACONDENSADOR TSATURAO (2)

Aps aquisio de todos esses dados foi recorrido ao software Duprex 3.2 da DuPont, e encontrado o COP em todas as rotaes.

5. RESULTADOS

Conforme os grficos do coeficiente de performance, com compressor em 800, 1600 e 2400 RPM e velocidades V2 e V3 nos eletroventiladores do evaporador, a 800 RPM e velocidade V3 no evaporador foram obtidos os maiores valores de COP.

Nas figuras abaixo pode-se notar a variao do COP com relao as rotaes.

Figura 05. Variao do COP em 800 RPM nas velocidades V2 e V3 do evaporador

Figura 06. Variao do COP em 1600 RPM nas velocidades V2 e V3 do evaporador

Figura 07. Variao do COP em 800 RPM nas velocidades V2 e V3 do evaporador

As temperaturas de saturao no condensador e evaporador e as presses de alta e baixa no sistema foram os parmetros diretos para obteno do COP.

Na tabela abaixo se verifica a mdia dos COP com relao rotao e s velocidades no evaporador.

Tabela 3. Mdia dos coeficientes de performance com relao s rotaes

800 RPM 1600 RPM 2400 RPM V2 5,66 2,65 1,94 V3 6,04 2,68 1,88

Na figura 05 observa-se os maiores valores de coeficiente de performance para a rotao de 800 RPM. Entretanto, nas rotaes 1600 e 2400 RPM verifica-se uma maior uniformidade nos resultados, com relao V2 e V3. Aumentando-se as rotaes, o sistema mostra-se mais estvel.

A tabela 04 mostra como se comportaram as presses e temperaturas durante o processo.

Tabela 4. Comportamento das temperaturas e presses durante o processo

6. CONCLUSES

Para o refrigerante analisado, sem nenhuma modificao, ou seja, conforme especificaes tcnicas fornecidas pelo fabricante, os resultados foram satisfatrios. Verificou-se que, com o aumento da rotao do compressor, o coeficiente de performance reduzia.

Com a estratificao mais ampla dos dados, notou-se que o melhor COP, com 800 RPM e valor de 6,32; se deu quando as tenses nos eletroventiladores do evaporador e do condensador se encontravam respectivamente com valores de 8,4 e 11,1 Vcc (correspondente velocidade chamada V3 pelo fabricante).

Para esse estudo, fazendo a comparao com um veculo automotivo, em marcha reduzida e velocidade moderada no evaporador, pde-se obter os melhores desempenhos com o refrigerante R437a.

7. REFERNCIAS

DUPONT ISCEON Srie 9. Diretrizes de Retrofit para fluidos refrigerantes DuPont ISCEON MO49Plus. Disponvel em: Acesso em 04 Abr. 2014. ENGEL, YUNUS A. Termodinmica. 5 ed. So Paulo: McGraw-Hill, 2006. 740 p. Manual do Aluno Ar Condicionado Automotivo BIT9. 66p. Departamento de Engenharia Mecnica UFPR. Fluidos Refrigerantes. Disponvel em: Acesso em 15 Dez. 2013. BORGNAKKE, CLAUS; SONNTAG, RICHARD E. Fundamentos da TERMODINMICA. 7 ed. So Paulo: Blucher, 2009. 461 p. Departamento de Engenharia Mecnica UNIFEI. Refrigerao e ar condicionado. Disponvel em: Acesso em 21 Ago. 2014.

8. RESPONSABILIDADE AUTORAL

Os autores so os nicos responsveis pelo contedo deste trabalho.