PROJETO DE GRADUAO

MODELAGEM E SIMULAO DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

Por Ilton Melo Salviano

Braslia, 21 de Maro de 2006.

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECANICA

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UNIVERSIDADE DE BRASILIA

Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecnica

PROJETO DE GRADUAO

MODELAGEM E SIMULAO DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

POR

Ilton Melo Salviano

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

Banca Examinadora

Prof. Joo Manoel Dias Pimenta, UnB/ ENM (Orientador)

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

Prof. Alessandro Borges, UnB/ ENM

Braslia, 21 de Maro de 2006.

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Dedicatria

Dedico este trabalho aos meus pais, Ana Regina Melo Salviano e Bento Medeiros

Salviano e aos meus irmos Ilan Melo

Salviano e Ilnei Melo Salviano.

Ilton Melo Salviano

iv

Agradecimentos

Primeiramente, agradeo a Deus por ter me dado uma famlia espetacular que me

proporciona momentos inesquecveis e uma fonte inesgotvel de carinho, amor e incentivo.

Meu pai, Bento e minha me, Ana Regina, so pessoas que me fazem acreditar em um mundo

onde no haja preconceitos e que a dignidade a maior virtude de um homem. Meu irmo

Ilan, que uma pessoa muito especial na minha vida, que me incentiva e me diz que sou

sempre capaz, proporcionando-me fora de vontade e superao, para que possa sempre

traar o caminho correto. E meu irmo caula, Ilnei, uma pessoa fundamental para que me

sinta bem e um grande irmo, com o qual j compartilhei momentos memorveis nesta vida.

Agradeo a vocs, meus irmos, pelos grandes momentos vividos at hoje e que certamente

mais viro, vocs so parte essencial em minha vida, sem vocs, ela no faz sentido.

Ao meu orientador, Joo Pimenta, uma pessoa que acreditou no meu trabalho em

momentos que at mesmo eu duvidei, co-autor de diversas partes deste trabalho e um

incentivador.

Muito obrigado nao brasileira que investiu em meu aprendizado, mostrando que

mesmo em momentos de dificuldade, esse grande e maravilhoso povo pode fornecer, atravs

de trabalho rduo, conhecimento para pessoas que tm a obrigao de devolver este favor.

E finalmente, quero agradecer aos meus companheiros de curso, entre eles, Rafael

Surfista, Xamuska, Bulacha, Frentico, Jeque Jones, Tch, Mich, Turtle, Juninho, Zinu

Franzino, Pet, Kbecinha, Phelps, Olho, Boco, Pira, Kpeta, Joselito, Ratinho, Taka,

Rrrrrrrronaldinhooooooo, Carlinha, Francis, Pasta, Gumercinda, Judeu, Fernandinha, F,

Bin laden, Du mato, Kbea, Amigo, Minino amarelo, Fsforo, Lover Boy, Timb, Tathy,

Poli, Ed, alm dos vrios outros amigos que no lembro agora, mas que ficam guardados no

corao. Estes foram fundamentais para que eu no perdesse momentos importantes da

minha vida durante o curso de engenharia.

Ilton Melo Salviano

v

RESUMO

O desenvolvimento de uma modelagem matemtica de um sistema de ar condicionado automotivo em regime permanente, juntamente com uma simulao em Fortran foram realizados com o objetivo de se analisar o desempenho do sistema estudado e dos fluidos refrigerantes aplicados nele. Uma modelagem especfica para o sistema de climatizao automotiva foi desenvolvida, baseando-se em dados de fabricantes e em trabalhos recentemente publicados, juntamente com uma simulao que inclui um compressor do tipo swash plate, um condensador do tipo micro channels, uma vlvula de expanso termosttica e um evaporador do tipo cooling coil. As variveis de desempenho do sistema, como a capacidade de refrigerao, a vazo mssica de refrigerante e o Coeficiente de Performance, foram obtidas e analisadas, de acordo com os casos propostos. Nestes casos, alguns parmetros foram mantidos constantes e outros foram variados. No caso 1, a rotao do compressor foi variada e os outros parmetros foram mantidos constantes. No caso 2, a temperatura do ar no evaporador foi variada enquanto os outros parmetros foram mantidos constantes. No caso 3, a velocidade do ar no evaporador foi variada e os outros, mantidos constantes. Os fluidos refrigerantes utilizados para a anlise, em todos os casos, foram o R12 e o R22, bem como dois compressores do fabricante DELPHI, o CVC 125 e o CVC 165. Concluiu-se que o refrigerante R12 superior ao R22, em relao performance energtica, pois proporcionou maiores valores dos parmetros de eficincia analisados. Dentre os compressores, o CVC 125 se mostrou mais eficaz, pois consome menos energia e possui parmetros de desempenho superiores. Palavras-chave: Ar condicionado, automotivo, compressor, capacidade, desempenho,

modelagem, simulao.

ABSTRACT

The development of a mathematical approach of an automotive air conditioning system in steady state, along with a simulation in Fortran, were made with the objective of analyzing the performance of the studied system and the refrigerants used in it. An specific modeling to the air conditioning system was developed, based in manufacturer data and in recently published papers, along with a simulation that includes a swash plate type compressor, a micro channels type condenser, a thermostatic expansion valve and a cooling coil type evaporator. The performance variables of the system, as the refrigeration capacity, the refrigerant mass flow rate and the Coeficient of Performance, were obtained and analyzed, according to the proposed cases. In these cases, some parameters were kept constant and others, not. In case 1, the compressor rotational speed was varied and the other parameters were kept constant. In case 2, the air temperature in the evaporator was varied while the other parameters were kept constant. In case 3, the air speed in the evaporator was varied and the others, not. The refrigerants used in the analysis, for all the cases, were the R12 and the R22, as well as two compressors from the manufacturer DELPHI, the CVC 125 and the CVC 165. It was concluded that the refrigerant R12 is superior to the R22, in relation to the energetic performance, because it provided greater eficiency parameters values. Amongst the compressors, the CVC 125 was more eficient, because it cosumes less energy and it has superior performance parameters. Keywords: Air conditioning, automotive, compressor, capacity, performance, modeling,

simulation.

vi

SUMRIO

1 INTRODUO......................................................................................1 1.1 O ESTUDO PROPOSTO E SUA IMPORTNCIA................................................................ 1 1.2 REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................................... 3 1.3 OBJETIVO DO TRABALHO .......................................................................................... 7 1.4 METODOLOGIA ........................................................................................................ 7 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 8

2 CONCEITOS TERICOS........................................................................9 2.1 O CICLO DE COMPRESSO A VAPOR........................................................................... 9

2.1.1 DESEMPENHO DO CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR ................................12 2.2 A PSICROMETRIA ....................................................................................................14

2.2.1 PROCESSOS PSICROMTRICOS NO CONDICIONAMENTO DE AR ..............................16 2.3 FLUIDOS REFRIGERANTES .......................................................................................17

2.3.1 CLOROFLUORCARBONOS (CFCs).........................................................................18 2.3.2 HIDROCLOROFLUORCARBONOS (HCFCs) .............................................................19 2.3.3 HIDROFLUORCARBONOS (HFCs).........................................................................20 2.3.4 HIDROCARBONETOS (HCs) ................................................................................21

2.4 SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO..........................................................21 2.4.1 OPERAO DETALHADA DO SISTEMA ..................................................................22 2.4.2 COMPRESSOR ...................................................................................................24 2.4.3 CONDENSADOR.................................................................................................26 2.4.4 RECEPTOR ........................................................................................................27 2.4.5 VLVULA DE EXPANSO .....................................................................................28 2.4.6 EVAPORADOR ...................................................................................................29 2.4.7 GRUPO CONDICIONADOR ...................................................................................29 2.4.8 REFRIGERANTES PARA SISTEMAS DE REFRIGERAO AUTOMOTIVA .......................30

3 MODELAGEM MATEMTICA ...............................................................32 3.1 BALANO DE MASSA E ENERGIA PARA UM SISTEMA DE CLIMATIZAO AUTOMOTIVA ....32

3.1.1 BALANO DE MASSA..........................................................................................32 3.1.2 BALANO DE ENERGIA .......................................................................................34

3.2 FLUIDOS DE TRABALHO...........................................................................................36 3.2.1 AR ...................................................................................................................36 3.2.2 FLUIDOS REFRIGERANTES..................................................................................37

3.3 MODELAGEM DO SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO .................................40 3.3.1 COMPRESSOR DO TIPO SWASH PLATE .................................................................40 3.3.2 CONDENSADOR DO TIPO MICRO CHANNELS .........................................................41 3.3.3 VLVULA DE EXPANSO TERMOSTTICA ..............................................................44 3.3.4 EVAPORADOR DO TIPO COOLING COIL ................................................................45

4 SIMULAO COMPUTACIONAL..........................................................49 4.1 VISO GERAL DA SIMULAO ..................................................................................49 4.2 PRINCIPAIS ROTINAS, FUNES E MDULOS EMPREGADOS........................................50 4.3 FLUXOGRAMAS .......................................................................................................54

5 RESULTADOS E ANLISES.................................................................60 5.1 CASOS DE ESTUDO .................................................................................................60

5.1.1 CASO 1 ............................................................................................................60 5.1.2 CASO 2 ............................................................................................................61 5.1.3 CASO 3 ............................................................................................................61

5.2 RESULTADOS E ANLISE DO CASO 1.........................................................................62 5.3 RESULTADOS E ANLISE DO CASO 2.........................................................................67 5.4 RESULTADOS E ANLISE DO CASO 3.........................................................................69 5.5 VALIDAO DA SIMULAO NUMRICA .....................................................................72

6 CONCLUSES FINAIS........................................................................74

REFERNCIAS........................................................................................76

ANEXOS.................................................................................................79

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Arranjo esquemtico do ciclo de compresso a vapor. ...............................................10 Figura 2. Diagrama (a) temperatura-entropia e (b) presso-entalpia (Dias, 2004)......................10 Figura 3. O diagrama presso-entalpia (My Space, 2004)........................................................11 Figura 4. Aspecto do diagrama presso-entalpia em um ciclo padro de compresso a vapor.......11 Figura 5. Parmetros relevantes do ciclo de compresso a vapor..............................................12 Figura 6. Ciclo de Compresso a Vapor com subresfriamento e superaquecimento......................14 Figura 7. Carta psicromtrica. ..............................................................................................15 Figura 8. Esquema tpico de um processo de condicionamento de ar.........................................16 Figura 9. Desenho esquemtico de uma carta psicromtrica. ...................................................17 Figura 10. Sistema de ar condicionado automotivo (Hulsey, 2004). ..........................................22 Figura 11. Circuito percorrido pelo fluido refrigerante (Bede, 2005, modificado). ........................24 Figura 12. Compressor do tipo Swash Plate (Toyota, 2002). ....................................................25 Figura 13. Compressor do tipo Vane (Toyota, 2002). ..............................................................25 Figura 14. Compressor do tipo Scroll (Toyota, 2002). .............................................................26 Figura 15. Condensador do tipo micro channels (Frigidair, 2005)..............................................27 Figura 16. (a) receptor e (b) esquema da disposio interna no receptor (DENSO, 2004). ...........27 Figura 17. Vlvula de expanso do tipo caixa (DENSO, 2004). .................................................28 Figura 18. Vlvula de Expanso do tipo conexo por juntas (Frigidair, 2005). ............................28 Figura 19. Evaporador para sistema de climatizao automotiva (Frigidair, 2005). .....................29 Figura 20. Unidade Condicionadora (Esi Group, 2004).............................................................30 Figura 21. Ciclo Padro de Compresso a Vapor utilizado na anlise do sistema. ........................32 Figura 22. Esquema de um Compressor considerando o balano de massas...............................33 Figura 23. Esquema de um Condensador considerando o balano de massas. ............................33 Figura 24. Esquema de uma Vlvula de Expanso considerando o balano de massas.................33 Figura 25. Esquema de um Evaporador considerando o balano de massas. ..............................34 Figura 26. Diagrama dos parmetros de entrada e sada da rotina menu...................................50 Figura 27. Diagrama dos parmetros de entrada, intermedirios e de sada do compressor. ........51 Figura 28. Diagrama dos parmetros de entrada, intermedirios e de sada do condensador........52 Figura 29. Diagrama dos parmetros de entrada, intermedirios e de sada do evaporador. ........53 Figura 30. Diagrama dos parmetros de entrada e sada da rotina sistema................................53 Figura 31. Diagrama dos parmetros de entrada e sada da rotina impresso. ...........................54 Figura 32. Fluxograma da sub-rotina compressor ...................................................................55 Figura 33. Fluxograma da sub-rotina condensador..................................................................56 Figura 34. Fluxograma da sub-rotina valvula. ........................................................................57 Figura 35. Fluxograma da sub-rotina evaporador. ..................................................................58 Figura 36. Fluxograma da sub-rotina sistema.........................................................................59 Figura 37. Vazo mssica de refrigerante no compressor versus a rotao do compressor...........62 Figura 38. Potncia exigida no compressor versus a rotao do compressor. .............................63 Figura 39. Capacidade de refrigerao do evaporador versus a rotao do compressor. ..............64 Figura 40. Coeficiente de Performance versus a rotao do compressor. ...................................65 Figura 41. Calor rejeitado no condensador versus a rotao do compressor. ..............................66 Figura 42. Capacidade de refrigerao versus a temperatura do ar no evaporador......................67 Figura 43. COP versus a temperatura do ar no evaporador. .....................................................68 Figura 44. COP versus a velocidade do ar no evaporador.........................................................70 Figura II- 1. Curvas de eficincia do compressor CVC 125 .......................................................82 Figura II- 2. Curvas de eficincia do compressor CVC 165 .......................................................82 Figura II- 3. Diagrama dos compressores CVC 125 e CVC 165. ................................................83 Figura IV- 1. Fluxograma da simulao geral. ......................................................................112 Figura IV- 2. Fluxograma da sub-rotina compressor..............................................................113 Figura IV- 3. Fluxograma da sub-rotina condensador. ...........................................................114 Figura IV- 4. Fluxograma da sub-rotina evaporador. .............................................................115 Figura IV- 5. Fluxograma da sub-rotina valvula. ...................................................................116 Figura IV- 6. Fluxograma da sub-rotina sistema. ..................................................................116 Figura IV- 7. Fluxograma da sub-rotina impresso................................................................117

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Propriedades dos refrigerantes clorofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001). ...........19 Tabela 2. Propriedades dos refrigerantes hidroclorofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001).....20 Tabela 3. Propriedades dos refrigerantes hidrofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001)............20 Tabela 4. Propriedades dos refrigerantes hidrocarbonetos (Calm e Hourahan, 2001)...................21 Tabela 5. Classificao da vlvula de expanso do tipo conexo por juntas................................28 Tabela 6. Comparao da capacidade de refrigerao e COP (Maclaine-cross, 1999)...................31 Tabela 7. Comparao de COP (Joudi et al., 2003). ................................................................31 Tabela 8. Valores adotados no caso 1. ..................................................................................60 Tabela 9. Valores adotados no caso 2. ..................................................................................61 Tabela 10. Valores adotados no caso 3..................................................................................61 Tabela 11. Resultados da simulao realizada no caso 1 para o compressor CVC 125..................66 Tabela 12. Resultados da simulao realizada no caso 1 para o compressor CVC 165..................67 Tabela 13. Resultados da simulao realizada no caso 2 para o compressor CVC 125..................69 Tabela 14. Resultados da simulao realizada no caso 2 para o compressor CVC 165..................69 Tabela 15. Resultados da simulao realizada no caso 3 para o compressor CVC 125..................71 Tabela 16. Resultados da simulao realizada no caso 3 para o compressor CVC 165..................71 Tabela I- 1. Constantes para a equao da massa especfica do lquido (Downing, 1974). ...........79 Tabela I- 2. Constantes para a equao do vapor de presso (Downing, 1974). .........................79 Tabela I- 3. Constantes para a equao de estado (Downing, 1974). ........................................80 Tabela I- 4. Constantes para a equao de estado (continuao) (Downing, 1974).....................80 Tabela I- 5. Constantes para a equao de capacidade calorfica (Downing, 1974). ....................81 Tabela I- 6. Constantes X e Y para as equaes de entalpia e entropia (Downing, 1974). ............81 Tabela II- 1. Informaes sobre os compressores utilizados na anlise......................................82

ix

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

1

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 O ESTUDO PROPOSTO E SUA IMPORTNCIA

Os sistemas de climatizao automotiva vm se tornando itens essenciais de conforto e segurana

em veculos de passageiros. Na Frana, por exemplo, este acessrio era includo em 15% dos veculos

produzidos em 1995, sendo que no ano 2000, este valor era de 60%. Na Europa, 70% dos veculos

produzidos em 2003 estavam equipados com ar condicionado. Estudos mostram que em 2010,

provvel que, na Europa, 90% dos veculos j venham equipados, de fbrica, com sistema de

climatizao (Barbusse e Gagnepain, 2003).

No Brasil, cerca de 2,2 milhes de veculos foram produzidos no ano de 2004, sendo 42% desses

automveis equipados com sistemas de climatizao. Com a tendncia de aumento na produo de

veculos para 2005 (cerca de 2,3 milhes de automveis), a quantidade de carros com equipamento de

climatizao deve ser maior na linha de produo (Stuani, 2004).

Devido grande diversificao e s demandas do mercado consumidor, o sistema de climatizao

automotivo est constantemente em desenvolvimento, para atender s necessidades impostas pelo

mercado. Alm dessa exigncia, alteraes climticas acarretadas por emisses de gases aceleraram

mudanas e melhorias neste sistema, para que o meio ambiente no fosse mais afetado pela emisso de

componentes qumicos nocivos.

Com o aumento na demanda por veculos equipados com sistemas de climatizao, vrias

ferramentas se tornaram importantes e muito utilizadas para se analisar o desempenho desses sistemas.

Programas computacionais e aparatos experimentais so desenvolvidos para se obter resultados que

mostrem caractersticas relevantes do sistema em questo. Atravs de modelos avanados, pode-se

analisar o sistema como um todo ou apenas determinados componentes, seja para a previso do

desempenho de novos projetos, seja para avaliar teoricamente as conseqncias de modificaes

construtivas ou para avaliar novos fluidos refrigerantes.

Atualmente, atravs de comandos no painel do veculo, os passageiros podem controlar

determinados itens interessantes para seu conforto. Como exemplo, podem controlar a temperatura do

interior do automvel, sendo possvel aumentar ou diminuir a mesma, podem controlar o fluxo de ar

no interior do automvel, fazendo com que a sensao de conforto trmico seja mais ou menos

intensa, alm de outras caractersticas que proporcionam bem estar.

2

Grandes mudanas j foram realizadas no sistema de ar condicionado automotivo, criado em 1940,

com o intuito de sempre melhorar o sistema para que os passageiros pudessem desfrutar dessa

ferramenta com o mximo de benefcios. Com a insero da eletrnica no sistema, at mesmo por

meio de computadores se tornou possvel controlar as caractersticas do ar no interior de um veculo e

obter informaes detalhadas dessas caractersticas. Um exemplo disso o controle de temperatura

computadorizado, que ajuda a manter a temperatura desejada no interior do veculo.

Durante os anos 80, uma grande mudana ocorreu na refrigerao automotiva. Estudos realizados

nessa dcada comprovaram que os fluidos refrigerantes utilizados nos sistemas de climatizao,

quando expostos atmosfera, eram nocivos camada de oznio. Esses refrigerantes derivam da classe

dos CFCs (Clorofluorcarbono) e quando so liberados para a atmosfera, causam a depleo da

camada de oznio. Esses CFCs so compostos de cloro, flor e carbono e quando entram em contato

com a estratosfera, so decompostos pelos raios ultravioletas, sendo, ento, liberado o cloro que, por

sua vez, reage com o oxignio presente no oznio, fazendo com que ocorra a formao de oxignio e

de monxido de cloro. Este ciclo de decomposio do oznio se repete vrias vezes.

Como conseqncias dessas descobertas, vrias polticas ambientais foram criadas para se

controlar a utilizao e o manuseio desses refrigerantes. Em 1987, 46 pases se reuniram no Canad

para o Programa de Proteo ao Meio Ambiente, sob o comando das Naes Unidas, e assinaram o

Protocolo de Montreal (UNEP, 2000). Esse Protocolo tinha como objetivo diminuir e controlar a

utilizao de substncias qumicas que causavam impactos ambientais.

Com o Protocolo de Montreal e as emendas que o seguiram, as empresas, montadoras e

fornecedores desses refrigerantes se viram com dificuldades e precisaram rever toda a tecnologia

empregada no sistema de climatizao que usava os CFCs, com a inteno de se desenvolver novas

alternativas que fossem econmica e financeiramente viveis.

No Brasil, em 7 de junho de 1990, foi promulgado o Decreto Federal N 99.280, de 06/06/90 e em

1997, entrou em vigor o Decreto 41.629 (CETESB, 1998), ambos com a finalidade de se extinguir a

utilizao de refrigerantes com Potencial de Destruio de Oznio (ODP). O ODP (Ozone Depletion

Potential) um indicador normativo, relativo ao valor unitrio do R11 (tricloromonofluormetano),

tomado como referncia, que indica a capacidade dos refrigerantes em destruir as molculas de oznio

da estratosfera, sendo calculado por meio da razo entre o potencial de destruio de molculas de

oznio de um determinado refrigerante e o potencial do R11 (Dias, 2004).

No segundo semestre de 1996, o Brasil comeou a utilizar um refrigerante alternativo ao R12

(Diclorodifluormetano: refrigerante mais utilizado nos sistemas de climatizao automotiva at ento),

o R134a (tetraclorofuormetano: refrigerante utilizado atualmente), que considerado uma substncia

com ODP nulo. Isso ocorreu por meio da resoluo n 13/95 da legislao brasileira aprovada pelo

Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA). Fato que acarretou um consumo de R12 nulo, a

partir de 1997.

3

Atualmente, no Brasil, o grande problema est relacionado com fugas, recargas ou substituio dos

refrigerantes. Em 2003, foram liberados US$ 26,7 milhes, a serem desembolsados em parcelas bi-

anuais (a primeira era prevista para 2003, no valor de US$ 9,3 milhes e as seguintes seriam

disponibilizadas mediante resultados) para colocar em prtica o Plano Nacional de Eliminao dos

CFCs no Brasil, que visa reduzir, ao valor mnimo, os prejuzos causados pelos CFCs.

Atravs de aparatos experimentais e de simulaes computacionais, foram realizados estudos com

refrigerantes de ODP nulo, a fim de se desenvolver melhores sistemas de climatizao para veculos.

Com isso, a ferramenta computacional tornou-se muito importante, e amplamente utilizada, no

processo de procura por novas alternativas que fossem ambientalmente corretas e eficientes. Isso

ocorreu, pois essa ferramenta possui baixo custo, alm de fornecer resultados coerentes com os obtidos

experimentalmente.

1.2 REVISO BIBLIOGRFICA

Dentre os gases presentes na estratosfera, o oznio um dos mais consumidos e produzidos, sendo

essa produo realizada de maneira constante. O desenvolvimento na Terra s se tornou possvel, pelo

fato da camada de oznio filtrar grande parte dos raios ultravioletas provenientes da radiao solar.

Durante milhares de anos, essa camada permaneceu inalterada, tendo isso ocorrido pelo fato da

composio atmosfrica ser bastante estvel na estratosfera. Mas em 1986, o satlite Nimbus-7,

atravs de fotografias, verificou que a camada de oznio estava sofrendo modificaes devido a

reaes instveis, reaes essas atribudas atividade humana, que estava lanando gases nocivos

camada.

Com essa descoberta, a ateno foi voltada para a depleo do oznio estratosfrico por gases

reativos a ele, fazendo com que vrios pases se reunissem para assinar um acordo (Protocolo de

Montreal) no qual se comprometiam a eliminar os gases que causavam algum efeito negativo ao meio

ambiente. Um dos gases a serem banidos era o R12, muito utilizado como fluido refrigerante na

indstria de climatizao automobilstica.

Mas, mesmo antes da determinao de que os gases nocivos camada de oznio deveriam ser

banidos, muitas providncias j haviam sido tomadas. A indstria automobilstica tomou algumas

medidas para diminuir a emisso de R12, dentre elas: a reduo de cargas de R12; a introduo de

tcnicas de deteco de vazamentos com hlio; e o uso de melhores materiais nas mangueiras e juntas

do sistema de climatizao (Kern e Wallner, 1988).

Kern e Wallner (1988) descreveram os impactos do protocolo na indstria do ar condicionado

automotivo, sabendo que os veculos eram equipados com sistemas de climatizao que utilizavam

fluidos refrigerantes que causavam algum tipo de dano camada de oznio. Tal estudo analisou o

consumo e emisso do R12, alm de caractersticas gerais do sistema de ar condicionado automotivo.

4

Os principais pases afetados com a necessidade de reduo de emisso de R12 para a atmosfera eram

os Estados Unidos e o Japo, pases que possuam a maior taxa de consumo desse fluido refrigerante.

De acordo com Barbusse e Gagnepain (2003), o vazamento de fluido refrigerante do sistema de ar

condicionado automotivo responsvel por uma boa parte dos efeitos nocivos ao meio ambiente.

Sabe-se que a quantidade de refrigerante neste tipo de sistema gira em torno de 775 g, podendo variar

entre 650 g e 900 g, dependendo do tamanho e da potncia do ar condicionado. Levando-se em

considerao uma expectativa de vida de 12 anos para os veculos, sendo os dois ltimos anos sem

manuteno, a quantidade de refrigerante que emitida para a atmosfera chega a 232 g/ano por

veculo ou 30% da carga inicial do sistema.

Vrias empresas de climatizao montaram grandes grupos de pesquisas, tanto na rea

experimental quanto na computacional, para que alternativas fossem desenvolvidas, com o intuito de

eliminar os efeitos negativos ao meio ambiente, sem perder em economia e em desempenho.

Para Lorentzen e Pettersen (1992), substncias que j possuem um papel no ecossistema, como o

dixido de carbono, podem ser utilizadas em sistemas de climatizao, sem que haja danos ao meio-

ambiente e performance dos sistemas. Por meio de um prottipo experimental de um sistema de

climatizao automotiva, eles mostraram que o gs carbnico (dixido de carbono) um excelente

refrigerante e consideram que o uso de tais substncias nos sistemas de refrigerao seria uma soluo

completa para os problemas ambientais encontradas nas diferentes reas da refrigerao.

Mas outras substncias tambm foram consideradas, tendo em vista a necessidade de se banir gases

nocivos ao ambiente. Maclaine-cross e Leonardi (1997) mostraram que os hidrocarbonetos (HCs)

podiam economizar por volta de 20% da energia gasta nos sistemas que operam com outros

refrigerantes, nocivos camada de oznio. De acordo com os autores, o R600a (isobutano) tem

metade do vazamento, da perda de presso e da presso de condensao, em relao ao R12 e ao

R134a. Isso pode acarretar em desenvolvimento de novos sistemas de climatizao automotiva,

visando um menor consumo de energia, podendo-se utilizar compressores com menor potncia e mais

compactos, por exemplo.

Em um outro estudo, Maclaine-cross (1999) mostrou que os HCs se destacavam como uma

soluo vivel e eficiente. Alm de possurem boas propriedades, poderiam ser utilizadas misturas de

dois ou mais HCs, ou at mesmo misturas com outras substncias que no fossem hidrocarbonetos.

Algumas das vantagens dos HCs so: desempenho, compatibilidade com leo mineral, baixa

toxicidade e impacto ambiental nulo.

Maclaine-cross (1999) mostrou, tambm, que alguns HCs so naturalmente abundantes e com uma

elevada pureza. Ele tambm concluiu que a reduo nos gastos, com a adoo de HCs como fluidos

refrigerantes para sistemas de climatizao automotiva, seria de 50%.

Com essa necessidade crescente de se desenvolver novos sistemas com fluidos refrigerantes

alternativos aos nocivos camada de oznio, vrios programas computacionais foram desenvolvidos

5

desde ento, fazendo com que a ferramenta computacional se tornasse uma grande aliada ao processo

de descoberta de fluidos refrigerantes ambientalmente corretos. Alm disso, no desenvolvimento de

um sistema de ar condicionado automotivo, a simulao computacional proporciona reduo de custos

e mo de obra de forma considervel.

Um dos primeiros programas computacionais criados para analisar o desempenho de um sistema de

ar condicionado automotivo data de 1972 (Lee e Yoo, 2000). Recentemente, Huang et al. (1999)

propuseram uma anlise computacional do sistema de climatizao automotiva, envolvendo o circuito

percorrido pelo fluido refrigerante e a cabine do veculo, alm de utilizar condies transientes no

tratamento do problema.

Lee e Yoo (2000) desenvolveram um programa computacional que simulava o desempenho de um

evaporador do tipo laminado, de um condensador de fluxo paralelo, alm da anlise do circuito como

um todo, feita atravs da juno de cada anlise dos componentes do sistema, em regime permanente.

Muitos componentes j foram testados e utilizados no sistema de climatizao automotiva.

Variados tipos de trocadores de calor, compressores, junes e mangueiras j foram testados para que

no ocorressem danos ambientais e perdas de eficincia. Muitos pesquisadores estudaram

extensivamente para melhorar as eficincias dos trocadores de calor usados neste sistema, que so

geralmente restritos por questes de espao e peso (Lee e Yoo, 2000).

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%.

Uma outra comparao, mas neste caso, entre o gs carbnico e o R134a como refrigerantes, foi

realizada por Brown et al. (2001), atravs da simulao de um sistema de ar condicionado automotivo

com os fluidos refrigerantes citados, 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 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

6

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.

Outro trabalho recente que realizou uma anlise em regime permanente foi o de Jabardo et al.

(2002), onde um modelo computacional foi desenvolvido para analisar um sistema de ar condicionado

automotivo equipado com um compressor do tipo swash plate de capacidade varivel, uma vlvula de

expanso termosttica, um evaporador e um condensador de fluxo de ar paralelo com micro canais.

Atravs de comparaes de resultados de simulaes numricas com resultados experimentais,

obtiveram variaes de 10%, na maioria dos casos, entre as anlises computacionais e experimentais,

chegando ao mximo de 20% de variao entre os resultados obtidos.

Nas anlises computacionais e nas experimentais, alguns fatores so de extrema importncia para o

sistema e seu estudo. Os sistemas de climatizao utilizados em automveis so caracterizados por

uma significante variao na carga trmica, que depende, basicamente, da hora do dia e do nmero de

passageiros da cabine do veculo (Jabardo et al., 2002).

De acordo com Jabardo et al. (2002), o sistema deve fornecer conforto sobre condies altamente

transientes, tendo, ainda, que ser compacto e eficiente. Outro fator de complexidade do sistema o

fato do compressor ser acionado atravs do motor trmico do veculo, o que determina a alta gama de

rotaes que este compressor deve suportar. Este ltimo fator faz com que a capacidade de

refrigerao seja afetada.

Alguns parmetros so essenciais anlise do conjunto e afetam, de maneira direta, o sistema de ar

condicionado. Esses parmetros so a temperatura, a umidade, a taxa de fluxo de ar na entrada do

evaporador, a temperatura e velocidade do ar na entrada do condensador e a velocidade do

compressor.

Como visto, h parmetros de grande importncia para o sistema. De acordo com Joudi et al.

(2003), para que um refrigerante seja capaz de substituir o R12 em um sistema de climatizao

automotiva, necessrio respeitar alguns critrios, relacionados com esses parmetros. Um desses

critrios a taxa de compresso. Quanto mais baixa a taxa de compresso, menor a tendncia do

compressor de permitir o vazamento de vapor alta presso para o lado de baixa presso. Essa baixa

taxa de vazamento de vapor acarreta uma maior eficincia volumtrica do compressor.

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

7

com o autor, alguns hidrocarbonetos mostraram boa aplicabilidade nos sistemas de refrigerao em

questo, enquanto outros tiveram desempenho insatisfatrio, quando comparados com o R134a.

1.3 OBJETIVO DO TRABALHO

O presente trabalho tem como objetivo principal simular, por meio de um programa

computacional, um sistema de climatizao automotiva em regime permanente com condies de

operao variadas, utilizando-se dois fluidos refrigerantes, o R12 e o R22 e dois compressores do tipo

swash plate, do fabricante DELPHI, modelos CVC 125 e CVC165.

Alm do objetivo principal, alguns outros objetivos secundrios so relevantes ao estudo realizado,

tais como a modelagem matemtica do problema, em regime permanente, dos diversos tipos de

equipamentos utilizados na climatizao automotiva, sendo eles, o compressor de capacidade varivel

do tipo swash plate, um condensador de fluxo de ar paralelo com micro-canais, uma vlvula de

expanso termosttica e um evaporador.

Alm da simulao e da modelagem matemtica, pretende-se comparar os resultados obtidos pela

simulao numrica com resultados experimentais, publicados na literatura, para validar o programa

desenvolvido.

1.4 METODOLOGIA

Para a execuo do projeto e a concretizao dos objetivos descritos, algumas etapas sero

realizadas. Tendo em vista a simulao computacional do sistema de climatizao automotiva, tem

que se realizar uma modelagem matemtica de cada componente pertencente ao sistema, para que a

implementao possa ser feita. Essa modelagem e a simulao sero feitas para um regime

permanente.

Com o modelo matemtico desenvolvido, a implementao do programa computacional ser

realizada, sendo desenvolvido um cdigo fonte em linguagem FORTRAN (Compaq Visual Fortran 6,

1999), que ser responsvel pela simulao numrica a ser realizada. Com esse cdigo fonte, relatrios

de resultados sero emitidos com os resultados pertinentes aos casos estudados.

Posteriormente, as condies de operao devem ser determinadas, i.e, alguns casos de operao

devem ser determinados e utilizados, para que se possa obter resultados e analis-los. Com a

determinao dos casos a serem estudados e com o cdigo fonte implementado, relatrios de

resultados sero emitidos com os valores das variveis mais importantes pro sistemas e esses sero

utilizados para se comparar e validar o programa computacional desenvolvido.

Essa comparao ser realizada com publicaes recentes de resultados experimentais e numricos

encontrados por outros autores, tendo em vista determinar a eficincia do programa computacional

desenvolvido.

8

1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO

Tendo em vista a elaborao de um estudo completo e conciso, faz-se necessrio um

demonstrativo da organizao da estrutura do presente trabalho.

No Captulo 1, mostrado o contexto histrico relevante ao estudo proposto, bem como a sua

importncia, alm de se mostrar o que j foi publicado em relao ao assunto estudado e determinar

uma metodologia a ser seguida, com a inteno de se obter resultados satisfatrios. O objetivo

principal do trabalho discutido, bem como os objetivos secundrios, relevantes para a anlise do

problema.

No Captulo 2, sero mostrados os conceitos tericos envolvidos no sistema de climatizao

automotiva. O ciclo padro de compresso a vapor e seus elementos mais importantes sero analisados

e os conceitos relativos a eles, abordados. Os processos psicromtricos sero mostrados e discutidos,

relatando os conceitos tericos importantes e relevantes ao estudo realizado. Alm disso, os ciclos

padro de ensaio automotivo sero analisados, tendo em vista a apresentao de conceitos tericos

existentes.

O Captulo 3 ser focado na modelagem matemtica dos componentes do sistema de climatizao

automotiva. Os balanos gerais de massa e de energia do sistema sero mostrados e cada componente

analisado, sendo esses o compressor, o condensador, o dispositivo de expanso e o evaporador. Os

fluidos que esto presentes no processo de climatizao (ar e refrigerante) sero discutidos tambm

nessa etapa, sendo abordadas as caractersticas mais relevantes dessas substncias e as relaes

matemticas que determinam as suas propriedades termodinmicas.

No Captulo 4, a simulao numrica ser comentada, sendo mostrada uma viso geral da mesma.

Os principais mdulos/rotinas/funes utilizados no cdigo fonte sero analisados, bem como os

mtodos e as tcnicas usadas na implementao do cdigo. Os fluxogramas das rotinas mais

importantes sero mostrados para que a visualizao da simulao seja feita de maneira transparente.

No Captulo 5, os resultados relativos a cada um dos casos propostos sero mostrados, bem como

as anlises referentes a esses resultados. Nesta etapa, uma validao do programa computacional ser

realizada, por meio de comparaes entre os resultados obtidos e os resultados experimentais e

numricos encontrados por outros autores.

No Captulo 6, as concluses finais relativas aos resultados obtidos sero discutidas e comentadas,

alm de propostas para novos trabalhos.

9

2 CONCEITOS TERICOS

No presente captulo, o ciclo padro de compresso a

vapor abordado, mostrando os conceitos tericos que

o envolvem, dando nfase s variveis de performance

do ciclo. Alm da abordagem terica do ciclo padro

de compresso a vapor, so considerados os fluidos

refrigerantes mais utilizados no processo de

refrigerao por compresso e suas principais

vantagens e desvantagens. Por fim, introduzida uma

abordagem do sistema de climatizao automotivo,

comentando seus principais aspectos e mostrando

esquemas que ilustram o sistema.

2.1 O CICLO DE COMPRESSO A VAPOR

Dentre os sistemas de refrigerao existentes hoje, o mais utilizado o sistema de refrigerao por

compresso, sendo aplicado em residncias, comrcios, transportes, etc. Este sistema, bem como a

maioria dos sistemas de refrigerao ou aquecimento existentes, trabalha com mudana de fase do

fluido refrigerante, sendo essa mudana de lquida para vapor ou vice-versa. Durante esse processo de

mudana de estado do fluido refrigerante, ocorrem variaes nas propriedades termodinmicas do

fluido.

O ciclo padro de compresso a vapor considerado o mais importante ciclo, pois permite

diferentes aplicaes em refrigerao e ar condicionado, sendo, com isso, o mais usado na prtica.

Nele, o vapor comprimido, condensado, tendo posteriormente a sua presso diminuda de modo que

o fluido refrigerante possa se evaporar a uma baixa presso (Stoecker e Jones, 1985).

O ciclo em questo pode ser comparado a uma mquina trmica de Carnot operando em sentido

inverso ao motor trmico. O ciclo de Carnot possui a maior eficincia possvel quando comparado

com ciclos reais, pois consiste de processos reversveis. O interesse nessa comparao se d devido a

essa alta eficincia, sendo utilizado como uma referncia para se analisar mudanas que possam

acarretar maior ou menor eficincia nos ciclos reais.

A Fig. (1) mostra um esquema de como os componentes do ciclo padro de compresso a vapor

so distribudos. Analisando essa figura, nota-se que o objetivo de se retirar calor de um recinto

fechado e transmiti-lo ao exterior, a fim de se resfriar o recinto, alcanado.

Os diagramas de temperatura-entropia e de presso-entalpia so mostrados na Fig. (2). O diagrama

presso-entalpia o mais utilizado na anlise do ciclo refrigerao vapor, pois vrios parmetros

importantes desse ciclo podem ser mais facilmente determinados atravs das curvas presentes no

diagrama. Em aplicaes de refrigerao, a entalpia uma das propriedades termodinmicas mais

importantes, sendo determinada com maior facilidade no diagrama presso-entalpia, reforando a

importncia da utilizao desta ferramenta grfica.

10

Figura 1. Arranjo esquemtico do ciclo de compresso a vapor.

Os processos presentes neste ciclo padro so listados a seguir:

1-2: Compresso adiabtica reversvel desde o estado de vapor saturado at a

presso de condensao;

2-3: Rejeio reversvel de calor presso constante, diminuindo a

temperatura do refrigerante inicialmente e condensando-o depois;

3-4: Expanso irreversvel entalpia constante desde o estado de lquido

saturado at a presso de evaporao;

4-1: Ganho de calor presso constante, produzindo a evaporao do

refrigerante at o estado de vapor saturado.

Figura 2. Diagrama (a) temperatura-entropia e (b) presso-entalpia (Dias, 2004).

11

Dada a importncia do diagrama presso-entalpia na anlise do ciclo padro de compresso a

vapor, considere a Fig. (3) a seguir.

Figura 3. O diagrama presso-entalpia (My Space, 2004).

A linha isotrmica horizontal na regio de mudana de fase, pois a presso de saturao possui

somente uma temperatura correspondente. J na regio de lquido sub-resfriado, esquerda da linha de

lquido saturado, a linha isotrmica praticamente vertical, fazendo com que a entalpia possa ser

determinada a partir da temperatura, independentemente da presso. Na regio de vapor

superaquecido, direita da linha de vapor saturado, a isotrmica cai gradualmente para a direita,

tornando-se vertical logo em seguida. Em posio ascendente, localiza-se a linha isentrpica, da direta

para a esquerda. Nessa linha, mostra-se uma compresso adiabtica e reversvel (isentrpica),

revelando um aumento de entalpia medida que a presso aumenta durante a compresso. direita

ascendente da linha de vapor saturado, encontra-se a linha de volume especfico constante, indicando

que linhas de volume especfico maior correspondem a presses gradualmente menores.

O ciclo padro de compresso a vapor em um diagrama presso-entalpia possui o aspecto que

mostrado na Fig. (4). O processo 1-2 representa uma compresso isentrpica, partindo do estado de

vapor saturado at a presso de condensao. O processo 2-3 representa uma diminuio de

temperatura seguida de uma condensao presso constante. O processo 3-4 corresponde expanso

isentlpica. E o processo 4-1 representa o escoamento de fluido refrigerante no evaporador a uma

presso constante at a condio de vapor saturado.

Figura 4. Aspecto do diagrama presso-entalpia em um ciclo padro de compresso a vapor.

12

2.1.1 DESEMPENHO DO CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR

O diagrama de presso-entalpia, como j mencionado, possui um papel importante na

determinao de variveis essenciais para a anlise do ciclo. Essas variveis so o trabalho especfico

de compresso, a taxa de rejeio de calor, a capacidade de refrigerao, o coeficiente de performance,

a vazo de refrigerante e a potncia de refrigerao. A Fig. (5) mostra os parmetros mais importantes

em um diagrama presso-entalpia para a anlise do ciclo padro de compresso a vapor.

Figura 5. Parmetros relevantes do ciclo de compresso a vapor.

O trabalho especfico de compresso, dado em kJ/kg, determinado pela variao de entalpia entre

1 e 2, de acordo com a Fig. (5). Sabendo-se que a compresso ocorre de maneira adiabtica,

desprezando-se a variao de energia cintica, a variao de energia potencial, a variao de energia

interna e a variao mssica temporal, segue que:

21 hhwcp = (1)

Neste caso, a diferena de entalpia negativa, mostrando que o trabalho realizado sobre o

sistema. No caso da condensao do fluido refrigerante, processo 2-3 da Fig. (5), o calor rejeitado,

sendo calculado pela diferena de entalpia entre 2 e 3, desprezando-se as variaes de energia cintica

e potencial. Portanto, o calor rejeitado, em kJ/kg, dado por:

23 hhqcd = (2)

A diferena de entalpia na condensao negativa, pois o calor cedido pelo refrigerante. Em

relao ao efeito de refrigerao, processo 4-1 da Fig. (5), o calor trocado entre o fluido refrigerante

e o fluido secundrio (gua ou ar). Este parmetro representa o efeito til do ciclo. O efeito de

refrigerao, em kJ/kg, calculado atravs da diferena de entalpia entre 1 e 4, como a seguir:

41 hhqev = (3)

13

A determinao de taxas instantneas de calor e trabalho, em regime permanente, pode ser

realizada, tendo-se como parmetros os termos especficos (por kg de refrigerante) definidos acima e a

vazo de refrigerante refm& , dada em kg/s.

A potncia, em kW, exigida por um compressor ideal pode ser determinada pelo produto entre a

vazo de refrigerante e o trabalho especfico de compresso, obtendo-se:

( )21 hhmW ref = && (4)

De maneira similar, pode-se determinar a capacidade de refrigerao, em kW, atravs do produto

entre a vazo de refrigerante e o efeito de refrigerao, fazendo com que:

( )41 hhmQ refev = && (5)

Analogamente, determina-se a taxa de rejeio de calor no condensador, em kW, por meio do

produto entre a vazo de refrigerante e a rejeio de calor no condensador, seguindo:

( )23 hhmQ refcd = && (6)

Um outro parmetro a ser considerado o da eficincia, baseado na 2 Lei da Termodinmica. Este

pode ser utilizado para se comparar diferentes sistemas de refrigerao. Um parmetro de eficincia

simples utilizado para se comparar diferentes sistemas conhecido como coeficiente de performance

(COP). O COP definido pela razo entre o efeito til do sistema e a potncia necessria. No caso do

ciclo analisado, esse efeito til a capacidade de refrigerao e essa potncia necessria a do

compressor. Com isso, segue que:

necessriapotncia

tilefeito

hh

hh

W

Q

QQ

QCOP

cp

ev

evcd

ev =

==

=

23

41

&

&

&&

&

(7)

Quando se compara dois sistemas de refrigerao iguais ou diferentes, operando em condies

diferentes, no se pode utilizar o COP. Uma outra maneira de se comparar esses sistemas, em uma

mesma faixa de temperatura, utilizando-se o conceito de COP para um Ciclo de Carnot. O COP para

o Ciclo de Carnot dado por:

evcd

ev

LH

L

carTT

T

TT

TCOP

=

= (8)

onde LT a temperatura do reservatrio de baixa temperatura e HT a temperatura do reservatrio de

alta temperatura. Operando em um ciclo de Carnot, a transferncia de calor se d quando a diferena

de temperatura tende a zero. Neste caso, evL TT = e cdH TT = , tornando-se possvel a comparao de

eficincia ideal.

14

Considere a Fig. (6) a seguir, que mostra um ciclo de compresso a vapor com subresfriamento e

superaquecimento. Alm do subresfriamento do lquido (3-3), o vapor na entrada do compressor est

superaquecido, isto , o ponto 1 no est exatamente na linha de saturao. E os processos de

condensao e evaporao no so perfeitamente isotrmicos, ou seja, as linhas 2-3 e 4-1 so

ligeiramente inclinadas.

As principais diferenas entre o ciclo padro e o real residem nas perdas de carga no evaporador e

no condensador, no sub-resfriamento do lquido que deixa o condensador e no superaquecimento do

vapor na aspirao do compressor.

Figura 6. Ciclo de Compresso a Vapor com subresfriamento e superaquecimento.

2.2 A PSICROMETRIA

A psicrometria, do grego psychro, o estudo das misturas de ar e vapor dgua, i.e. o estudo do ar

mido (no limite, estudo de misturas binrias nas quais um dos componentes um vapor

condensvel).

A psicrometria um caso particularmente importante, em especial, no estudo e clculos de

sistemas de condicionamento de ar, uma vez que o conforto trmico no depende apenas da

temperatura, mas tambm da quantidade de vapor d'gua presente no ar. Alm da aplicao em

sistemas de condicionamento de ar, outras podem ser relacionadas, como a condensao em

superfcies frias, o resfriamento evaporativo.

Com o estudo da psicrometria, faz-se necessria a definio de ar seco e ar mido. O ar seco a

mistura de vrios gases que compem o ar atmosfrico (oxignio, nitrognio, gs carbnico, etc) e que

formam uma mistura homognea para uma grande faixa de temperatura. J o ar mido ocorre, quando,

alm da mistura de gases, h a presena de vapor dgua, que pode saturar temperatura ambiente e,

ento, condensar.

Alm dos conceitos de ar seco e ar mido, outros conceitos so importantes, tais como os de ar

saturado e ar no-saturado. Ar saturado uma mistura de ar seco e vapor dgua saturado (estado de

equilbrio entre o ar mido e as fases lquidas e vapor dgua). J o ar no-saturado a mistura de ar

seco e vapor dgua superaquecido.

15

Vrios conceitos so empregados quando se analisa a mistura ar-vapor dgua: umidade relativa e

absoluta, temperatura de bulbo seco e mido, ponto de orvalho e carta psicromtrica.

A umidade relativa, , a razo entre a frao molar do vapor dgua no ar mido e a frao do

vapor dgua no ar saturado mesma temperatura e presso total. De uma outra maneira, pode se

definir umidade relativa da seguinte maneira:

atemperaturmesmaaparaguadsaturaodepresso

guadvapordoparcialpresso

'

'= (9)

A umidade absoluta, W , definida como sendo a massa de gua contida em 1 kg de ar seco. A

umidade absoluta pode ser determinada atravs da equao dos gases perfeitos. Nas aplicaes usuais

de condicionamento de ar, tanto o vapor dgua quanto o ar podem ser considerados gases perfeitos.

Isso ocorre porque, no caso do ar, a sua temperatura elevada em relao temperatura de saturao

e, no caso do vapor dgua, a sua presso baixa em relao presso de saturao.

A Eq. (10) mostra a relao que define a umidade absoluta.

satatm

sat

pp

p

oardekg

guadvapordekgW

== 622,0

sec

' (10)

onde satp a presso de saturao e atmp a presso atmosfrica.

A temperatura de bulbo seco definida como sendo a temperatura medida por um termmetro

comum. A temperatura de bulbo mido definida como sendo a temperatura medida por um

termmetro que possui um pavio molhado anexado ao seu bulbo. A temperatura do ponto de orvalho

a temperatura na qual o vapor d'gua contido no ar se condensa. Equivale temperatura de saturao

da gua na presso parcial do vapor contido. Todas as propriedades definidas so utilizadas, direta ou

indiretamente, no que chamado de carta psicromtrica. A Fig. (7) mostra uma carta psicromtrica.

Figura 7. Carta psicromtrica.

16

2.2.1 PROCESSOS PSICROMTRICOS NO CONDICIONAMENTO DE AR

Para se estudar os processos psicromtricos no condicionamento de ar, considere o esquema tpico

de fluxo de ar em um sistema de condicionamento de ar mostrado na Fig. (8). Note que nesse

esquema, os dispositivos no esto dispostos da maneira real, mas essa disposio correta depende do

tipo de equipamento, do porte da instalao, etc. Alguns elementos foram omitidos, como o filtro,

mostrando que essa situao analisada ideal, portanto no h troca de calor pelos dutos que

conduzem o ar.

Figura 8. Esquema tpico de um processo de condicionamento de ar.

Na condio E, o ar insuflado para o ambiente, onde ele recebe uma quantidade de calor por

unidade de tempo Q& , o que acarreta a sua mudana para o estado F, sendo retornado para a entrada do

equipamento de condicionamento. H ainda uma rejeio de calor, pois h uma necessidade de

conservao da massa do sistema.

Este calor que fornecido para o ar possui duas parcelas: a sensvel e a latente. A parcela sensvel

composta de fontes que produzem aumento de temperatura, como equipamentos no ambiente,

pessoas, radiao solar, conduo atravs de paredes, etc. J a parcela latente composta de fontes que

produzem aumento de umidade, como pessoas, equipamentos de cozimento, banhos de laboratrio,

etc. A quantidade de calor por unidade de tempo Q&

conhecida como carga trmica.

Na entrada do sistema de condicionamento, o fluxo de ar que retorna (condio F) adicionado de

uma parcela de ar renovado (condio A). Essa renovao de ar se faz necessria, pois o metabolismo

humano, em um ambiente fechado, acarretaria em uma diminuio na proporo de oxignio no local.

Passando pelo ventilador, o ar de renovao e o de retorno esto misturados, resultando na

condio B, que passa pela serpentina de resfriamento. Nessa serpentina, a temperatura e a umidade do

ar so reduzidas. Em algumas instalaes, utiliza-se, em geral, gua gelada produzida por uma

mquina de refrigerao nessa serpentina. Em outras, utiliza-se o prprio evaporador do circuito de

refrigerao.

17

Uma serpentina ideal removeria toda a umidade, deixando o ar com uma temperatura baixa e

100% de umidade (saturado). Mas isso no ocorre no processo real. Na serpentina real, o ar que sai

(condio C) est saturado com um by-pass do ar que entra (condio B). Na sada, ambos se

misturam, resultando em ar na condio D. O ar, em D, passa por um aquecimento (em geral com

resistncias eltricas) para reduzir a umidade, produzindo o ar na condio E, o qual insuflado no

local que se deseja climatizar.

Essa situao descrita acima pode ser mostrada em uma carta psicromtrica. Considere a carta

psicromtrica ilustrativa mostrada na Fig. (9).

Figura 9. Desenho esquemtico de uma carta psicromtrica.

Nas misturas que ocorrem durante o processo de condicionamento, a ar de renovao (condio A)

misturado com o de retorno (condio F), resultando na condio B. De forma similar, no modelo

dado para a serpentina real, ar na condio B se mistura com ar na condio C (saturado), resultando

em ar na condio D.

A variao de entalpia entre as condies E e F (ar insuflado e ar de retorno, respectivamente)

corresponde ar calor que foi removido do ambiente climatizado. A variao de temperatura

corresponde ao calor sensvel e a de umidade, ao calor latente. A variao das condies entre D e E

ocorre em uma linha horizontal, somente com aumento de temperatura de bulbo seco, pois o

aquecimento (feito, na maioria das instalaes, por resistncias eltricas) no adiciona gua ao ar.

2.3 FLUIDOS REFRIGERANTES

Os fluidos refrigerantes so lquidos utilizados para realizar o transporte de energia trmica baixa

temperatura de um local para o outro (Stoecker & Jones, 1985). Pelo fato de existirem vrios tipos e

classificaes de refrigerantes, a American Society of Heating, Refrigeranting and Air-Conditioning

18

Engineers (ASHRAE), na norma ANSI/ASHRAE Standard 34-1997, padronizou o tipo de

nomenclatura a ser utilizada para os variados tipos de refrigerantes existentes.

Esses cdigos de classificao so utilizados mundialmente, onde o mais difundido a letra R,

que indica a denominao Refrigerante, mas h tambm outros tipos de cdigos. Pode-se usar os

prefixos que identificam a composio qumica (CFC-, HCFC-, HFC- ou HC-), ou ainda, o

nome do fabricante oficial do fluido refrigerante.

Os fluidos refrigerantes devem seguir as normas estabelecidas pela Environmental Protection

Agency (EPA), possuindo propriedades qumicas, fsicas e outras que sejam desejveis. Essas

propriedades, no caso da refrigerao, so:

No txico e no inflamvel;

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;

Baixa presso na temperatura de condensao projetada para evitar compressores de alta

presso;

Presso de evaporao maior que a da atmosfera para evitar entrada de ar em caso de

vazamento.

Alm dessas normas mencionadas anteriormente, importante que o fluido refrigerante possua

ODP nulo e um potencial de efeito estufa (GWP) baixo. O GWP (Global Warming Potential) uma

tentativa de fornecer uma medida simples dos efeitos radioativos relativos das emisses de vrios

gases do efeito estufa. De acordo com Dias (2004), o ndice definido como o foramento radioativo

cumulativo em relao a um determinado tempo decorrido, causado por uma unidade de massa de gs

emitida no presente, expresso em relao ao de algum gs de referncia (no caso, o gs carbnico).

2.3.1 CLOROFLUORCARBONOS (CFCs)

Os fluidos refrigerantes clorofluorcarbonados possuem em sua estrutura qumica, molculas de

cloro, flor e carbono. So considerados compostos halocarbnicos, pois possuem halogenos (cloro,

flor ou bromo) em suas estruturas qumicas. A Tab. (1), mostrada a seguir, fornece dados sobre as

propriedades dos CFCs mais importantes utilizados na indstria.

.

19

Tabela 1. Propriedades dos refrigerantes clorofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001).

Cdigo

Frmula Qumica ou

Composio da Mistura Nome

comum

Massa Molecular

[g]

Temp. Ebulio

[C]

Temp. Crtica

[C]

Presso Crtica [MPa]

ODP GWP [100 anos]

R11 FCCl3 137,37 23,7 198,0 4,41 1,00 4600

R12 22 FCCl 120,91 -29,8 112,0 4,14 0,82 10600

R13 3CClF 104,46 -81,3 28,9 3,88 1,00 14000

R113 22 FCClFCCl 187,37 47,6 214,1 3,39 0,90 6000

R114 22CClFCClF 170,92 3,6 145,7 3,26 0,85 9800

R115 32CFCClF 154,47 -38,9 80,0 3,12 0,40 7200

Esses refrigerantes foram utilizados na indstria por vrios motivos:

So baratos;

So no-corrosivos;

Possuem baixa toxicidade;

No so inflamveis;

So compatveis com outros materiais.

Algumas precaues devem ser tomadas quando se manuseia este tipo de refrigerante. No se deve

liberar uma quantidade considervel perto de chamas ou de fontes de calor, pois o calor pode quebrar a

ligao entre seus elementos, causando danos pele humana. Alm desse problema, deve-se haver

preocupao com a inalao desse material, pois este pode ser prejudicial ao sistema respiratrio.

Em relao a suas aplicaes, estes fluidos refrigerantes no so mais utilizados, devido aos

grandes valores de ODP e GWP que estes possuem, fazendo com que eles sejam extremamente

nocivos ao meio ambiente. Antes de serem banidos, o R11 era usado em Chillers centrfugos para

aplicaes variadas, o R12 era usado em aplicaes industriais e residenciais, sendo verstil e

geralmente usado em equipamentos do tipo rotatrios, o R113 era usado em Chillers centrfugos de

baixa capacidade e o R114 era usado em Chillers de alta capacidade.

2.3.2 HIDROCLOROFLUORCARBONOS (HCFCs)

Os HCFCs so compostos por molculas de metano e etano com um halogeno, fazendo com que

as molculas esses refrigerantes sejam consideradas parcialmente halocarbnicas. A Tab. (2) mostra

algumas propriedades desses refrigerantes.

20

Tabela 2. Propriedades dos refrigerantes hidroclorofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001)

Cdigo

Frmula Qumica ou

Composio da Mistura Nome

comum

Massa Molecular

[g]

Temp. Ebulio

[C]

Temp. Crtica

[C]

Presso Crtica [MPa]

ODP GWP [100 anos]

R22 2CHClF 86,47 -40,8 96,2 4,99 0,034 1700

R123 32CFCHCl 152,93 27,8 183,8 3,66 0,012 120

R124 3CHClFCF 136,48 -12,0 122,3 3,62 0,026 620

R141b FCClCH 23 116,95 32,0 204,2 4,25 0,086 700

R142b 23CClFCH 100,49 -9,0 137,2 4,12 0,043 2400

Os HCFCs possuem um tempo de vida reduzido, causando uma menor depleo ao oznio,

quando comparados com os CFCs. Pelo fato de possurem um potencial de depleo ao oznio

reduzido, o potencial de aquecimento global tambm reduzido. A EPA pretende extinguir o uso e o

consumo dos HCFCs at o ano de 2030.

Em relao a suas aplicaes, o refrigerante R22 tem como aplicao os diversos sistemas de

climatizao residenciais e comerciais industriais, e o R123 serve como um substituto do R11 em

aplicaes envolvendo chillers centrfugos.

2.3.3 HIDROFLUORCARBONOS (HFCs)

Em comparao com os HCFCs, os hidrofluorcarbonos se diferenciam pelo fato de possurem um

ou mais tomos de hidrognio e no possurem tomos de flor em sua composio qumica. A Tab.

(3) mostra algumas propriedades relevantes para a anlise dos HFCs.

Tabela 3. Propriedades dos refrigerantes hidrofluorcarbonados (Calm e Hourahan, 2001)

Cdigo

Frmula Qumica ou

Composio da Mistura Nome

comum

Massa Molecular

[g]

Temp. Ebulio

[C]

Temp. Crtica

[C]

Presso Crtica [MPa]

ODP GWP [100 anos]

R23 3CHF 70,01 -82,1 25,9 4,84 0,00 12000

R32 22 FCH 52,02 -51,7 78,2 5,80 0,00 550

R125 32CFCHF 120,02 -48,1 66,2 3,63 0,00 3400

R134a 32 FCFCH 102,03 -26,1 101,1 4,06 0,00 1300

R143a 33CFCH 84,04 -47,2 72,9 3,78 0,00 4300

R152a 23CHFCH 66,05 -24,0 113,3 4,52 0,00 120

Os HFCs, quando comparados com os CFCs, possuem um potencial de depleo ao oznio nulo

e um GWP reduzido. De acordo com o Protocolo de Montreal, a restrio dos hidrofluorcarbonos

21

ocorre pelo fato de possurem um GWP elevado para sistemas de refrigerao, considerando-se o fato

desses sistemas possurem produo e consumo elevados.

Em relao s aplicaes desse tipo de refrigerante, o refrigerante R134a o mais utilizado nos

sistemas de refrigerao atuais. O R134a no se mistura com leos minerais e com determinados tipos

de lubrificantes.

2.3.4 HIDROCARBONETOS (HCs)

Os hidrocarbonetos so caracterizados por possurem somente hidrognio e carbono em suas

estruturas qumicas. Os HCs podem ser naturalmente obtidos atravs dos gases provenientes do

petrleo. Quando comparados com os refrigerantes fluorcarbonados, eles possuem uma massa

molecular significativamente menor, o que lhes proporciona propriedades de transporte superiores. A

Tab. (4) mostra algumas propriedades desses fluidos refrigerantes.

Tabela 4. Propriedades dos refrigerantes hidrocarbonetos (Calm e Hourahan, 2001).

Cd. Frmula Qumica ou Composio

da Mistura (Nome comum)

Mas.Molec

[g]

TempEbu. [C]

TempCrt. [C]

P. Cr. [MPa]

ODP GWP [100 anos]

R170 33CHCH (etano) 30,07 -88,9 32,2 4,87 0,00 -20

R290 323 CHCHCH (propano) 44,10 -42,2 96,7 1,25 0,00 -20

R600 3223 CHCHCHCH (butano) 58,12 -0,5 152,0 3,80 0,00 -20

R600a 323 )( CHCHCH (isobutano) 58,12 -11,7 134,7 3,64 0,00 -20

R601 32223CHCHCHCHCH

(pentano) 72,15 36,0 196,6 3,37 0,00 11

R601a 3223)( CHCHCHCH

(isopentano) 72,15 27,8 187,8 3,39 0,00 11

Os HCs so considerados refrigerantes alternativos, sendo realizados muitos estudos para se

utilizar estes refrigerantes nos sistemas de refrigerao. Esses gases possuem estabilidade qumica em

temperaturas elevadas, so no-corrosivos, possuem baixa toxicidade, mas so inflamveis.

Os hidrocarbonetos possuem potencial de depleo ao oznio nulo e potencial de aquecimento

global nulo. Isso os caracteriza como sendo um dos melhores substitutos aos refrigerantes utilizados

atualmente.

2.4 SISTEMA DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO

O sistema de ar condicionado automotivo segue o mesmo processo de climatizao realizado por

outros sistemas de refrigerao, utilizando o ciclo de compresso a vapor, tendo apenas algumas

diferenas no funcionamento de alguns componentes. Uma das peculiaridades a maneira pela qual

feito o acionamento do compressor. Este dispositivo conectado com o motor do veculo atravs de

22

uma correia, fazendo com que a rotao do compressor esteja sempre variando juntamente com a do

motor, fazendo com que o regime de operao seja predominantemente transiente.

Outra peculiaridade no funcionamento o fato do ventilador que arrefece o motor do veculo ser

utilizado tambm para a rejeio de calor que ocorre no condensador do sistema de refrigerao. Se

no houvesse este dispositivo para realizar a rejeio de calor, as trocas de calor entre o refrigerante e

o ambiente seriam reduzidas, fazendo com que a condensao do fluido refrigerante fosse prejudicada.

2.4.1 OPERAO DETALHADA DO SISTEMA

O sistema de ar condicionado automotivo mostrado na Fig. (10), onde os seus principais

componentes so relacionados, alm da disposio de cada um desses dispositivos atravs do motor do

veculo.

Figura 10. Sistema de ar condicionado automotivo (Hulsey, 2004).

A funo primria do compressor est relacionada com o estabelecimento de um diferencial de

presso associado ao deslocamento do fluido refrigerante. Ele admite gs com temperatura e presso

baixas, proveniente do evaporador. Esse refrigerante comprimido e expelido pelo compressor,

agora com temperatura e presso elevadas, para o condensador. O compressor acoplado ao motor do

veculo por meio de uma correia, que liga a polia do eixo de manivelas polia da embreagem de

engate eletromagntico, que montada no eixo do compressor.

O condensador localizado na frente do radiador, na parte frontal do veculo. Por meio do sistema

de ventilao do motor (ventoinha), o fluido refrigerante no condensador perde calor para o ar que

vem do ambiente, diminuindo sua temperatura e transformando-se em lquido. Este ainda se encontra

23

sob considervel presso e uma troca trmica ineficiente no condensador pode acarretar em um

aumento na presso e na temperatura do fluido refrigerante, alm da condensao incompleta do

fluido. Se isso ocorrer, o refrigerante tender a sair antes de se encontrar totalmente lquido. Para se

evitar isso, h um pressostato (com trs nveis) que aciona o eletroventilador do sistema de ventilao,

fazendo com que a temperatura e, conseqentemente, a presso do refrigerante diminuam.

O lquido que sai do condensador enviado para o filtro acumulador secador (no caso do sistema

de expanso ser por meio da vlvula de expanso). Esse filtro possui trs diferentes funes. A

primeira diz respeito acumulao de uma grande parte do fluido refrigerante, funcionando como um

tanque de reserva. Tambm exerce a funo de secador, tendo em seu interior slica gel (no caso do

R134a), que absorve as partculas de gua, evitando que elas congelem na entrada da vlvula de

expanso, o que acarretaria danos no funcionamento do sistema. Alm dessas funes, h ainda a

funo de reteno de eventuais partculas slidas, que so mostrados por um visor que existe no topo

do filtro acumulador secador. Na montagem, esse dispositivo pode ser colocado antes ou depois do

evaporador, mas se colocado aps o evaporador, o mesmo funcionar somente como filtro e secador.

Como no h mudana de presso e de temperatura atravs do filtro acumulador secador, o

refrigerante chega vlvula de expanso com as mesmas propriedades com que deixou o condensador.

A vlvula de expanso montada na entrada do evaporador e tem como funes regular o fluxo de

refrigerante e sua expanso, provocando uma forte queda em sua presso e temperatura. Pelo fato do

compressor estar ligado ao motor do veculo, o qual sofre variaes de rotaes, a vlvula necessita de

uma regulagem automtica da vazo do fluido que vai para o evaporador, para que o sistema seja

estvel, mesmo com essas variaes.

Nos sistemas de climatizao automotiva onde o refrigerante o R12, a regulagem feita por um

tubo capilar ligado vlvula e com a extremidade ligada nas proximidades do evaporador. J no caso

da utilizao do R134a, essa regulagem feita por um bulbo sensvel que monitora a temperatura da

tubulao de retorno do evaporador. Em ambos os casos, esses dispositivos percebem variaes na

temperatura do refrigerante e controlam a abertura da vlvula, aumentando ou diminuindo a vazo do

fluido. H, tambm, em alguns veculos, ao invs da vlvula de expanso, o tubo capilar, mas esse

dispositivo no sensvel s variaes de temperatura, sendo sua vazo fixa.

O evaporador est localizado, juntamente com o eletroventilador de climatizao e com os

comandos de regulagem do sistema, no que chamado de grupo condicionador. O fluido chega ao

evaporador no estado lquido com baixa temperatura e baixa presso. O evaporador est conectado

vlvula de expanso por meio dos tubos de entrada e sada. O eletroventilador de climatizao aspira o

ar do habitculo ou o externo e sopra esse ar em direo as aletas do evaporador. Como o fluido

refrigerante que circula no evaporador est a uma temperatura mais baixa que a do ar respirado, o

fluido se aquece e passa do estado lquido para o gasoso. Com isso, o ar aspirado cede calor ao

evaporador, tornando-se mais frio, alm de perder umidade. Esse ar chega ao local habitado pelos

passageiros atravs de dutos.

24

Esse ar mido, em contato com as aletas frias do evaporador, torna-se lquido, escoando para o

fundo da caixa de ar, sendo assim, levado para fora do veculo por meio de uma mangueira.

A Fig. (11) mostra um esquema da circulao do fluido refrigerante atravs do sistema de ar

condicionado.

Figura 11. Circuito percorrido pelo fluido refrigerante (Bede, 2005, modificado).

2.4.2 COMPRESSOR

O compressor, no sistema de climatizao automotiva, essencial, pois ele que faz com que

ocorra a circulao do refrigerante atravs dos componentes do sistema, quando o carro est em

funcionamento. O compressor acionado por uma correia que est ligada diretamente ao motor

trmico do veculo.

Todos os compressores utilizados na climatizao automotiva so do tipo de deslocamento. Com o

passar dos anos, as necessidades a cerca dos compressores automotivos mudaram. Na dcada de 60, a

principal necessidade era a capacidade de refrigerao que ele era capaz de fornecer. Hoje, o quanto

menor for o seu tamanho e a sua fora motora, melhor.

Dentre os compressores de deslocamento, h uma diviso entre os compressores alternativos ou

rotativos. Os que so utilizados na climatizao automotiva so os compressores do tipo Swash Plate

(alternativo), Vane (Rotativo) e Scroll (Rotativo). Apesar do compressor do tipo swash plate ser o

25

mais utilizado, os outros dois compressores esto sendo cada vez mais utilizados pelo fato de serem

compactos e mais silenciosos.

A Fig. (12) mostra um compressor do tipo Swash Plate e seus componentes mais importantes. Em

relao ao seu funcionamento, a vlvula de expanso aberta quando o pisto se move para a

esquerda. A diferena de presso entre o eixo de suco no alojamento e dentro do cilindro acarreta a

entrada de refrigerante no cilindro por meio da vlvula de suco. Inversamente, quando o pisto se

move para a direita, a vlvula de suco fechada e o refrigerante, pressurizado. A pressurizao

contnua aumenta a presso do refrigerante dentro do cilindro, causando a abertura da vlvula de

descarga. Com isso, o fluido refrigerante escoa para o condensador por meio dos tubos.

Figura 12. Compressor do tipo Swash Plate (Toyota, 2002).

A Fig. (13) mostra um compressor do tipo Vane e seus componentes mais importantes. No que diz

respeito ao funcionamento do compressor, o volume interno do cilindro aumenta com a rotao do

rotor, causando a entrada de refrigerante dentro do eixo do cilindro por meio da porta de suco. O

refrigerante aprisionado dentro do cilindro por meio das hlices e comprimido pelo rotor. Ento

ocorre a descarga do fluido atravs da vlvula de descarga quando este alcana a presso de sada. Este

compressor pode acarretar 10 descargas de fluido pressurizado para cada rotao.

Figura 13. Compressor do tipo Vane (Toyota, 2002).

26

A Fig. (14) mostra um compressor do tipo Scroll e seus componentes mais relevantes. Neste caso,

a medida em que a espiral rotativa se movimenta, o espao entre as duas espirais tambm se move,

causando a diminuio gradativa do volume disponvel. O refrigerante entra pela porta de suco e

gradualmente comprimido pela rotao da espiral orbital. Ento, o refrigerante descarregado pela

porta de descarga depois de trs rotaes. Na verdade, o fluido refrigerante liberado uma vez por

cada rotao. Este processo extremamente silencioso e eficiente, utilizado na maioria dos carros

pequenos e leves.

Figura 14. Compressor do tipo Scroll (Toyota, 2002).

2.4.3 CONDENSADOR

O condensador um trocador de calor usado para resfriar o refrigerante gasoso que est em alta

presso e temperatura (proveniente do compressor) e transform-lo em um refrigerante lquido. Neste

processo, o calor dissipado pelo condensador igual a soma do calor absorvido no evaporador e o

calor adicionado pela compresso.

O condensador construdo com tubos e aletas e instalado na frente do veculo. Esta posio

propicia a refrigerao por meio do eletroventilador do sistema de ventilao do carro. Nos tubos,

escoa o fluido refrigerante e nas aletas, ocorre a dissipao de calor para o ar ambiente. Em veculos

com motor na parte dianteira, o fluxo de ar proporcionado pela existncia do sistema de ventilao

do motor trmico para resfriar o radiador. Em veculos com motor na parte traseira, o fluxo de ar do

condensador fornecido por um sistema auxiliar de ventilao eltrica (cooler).

27

Os condensadores so classificados de acordo com as diferenas em suas construes (montagem

das aletas e dos tubos). Existem trs tipos principais de condensadores utilizados na refrigerao

automotiva, sendo eles o condensador do tipo aleta e tubo, o condensador do tipo serpentina e o

condensador do tipo micro channels. A Fig. (15) mostra um condensador do tipo micro channels. Este

o mais utilizado em sistemas de climatizao automotiva.

Figura 15. Condensador do tipo micro channels (Frigidair, 2005).

2.4.4 RECEPTOR

O filtro acumulador secador, tambm chamado de receptor, localizado entre o condensador e a

vlvula de expanso. Este dispositivo separa o refrigerante no estado gasoso do refrigerante no estado

lquido atravs da diferena de peso que h entre essas fases, alm de assegurar um fluxo permanente

de fluido refrigerante para a vlvula de expanso. Alm disso, o secador e o filtro removem a umidade

e a sujeira do refrigerante, alm de impedir a passagem de partculas slidas.

Qualquer umidade dentro do sistema percorrido pelo refrigerante pode causar a corroso ou o

congelamento dentro do orifcio da vlvula de expanso e inibir o fluxo de refrigerante. A Fig. (16)

mostra um receptor e um esquema interno da disposio dos componentes do receptor.

Figura 16. (a) receptor e (b) esquema da disposio interna no receptor (DENSO, 2004).

28

2.4.5 VLVULA DE EXPANSO

A vlvula de expanso possui duas funes principais, sendo uma dessas a converso de

refrigerante no estado lquido e em alta presso e temperatura para um refrigerante em baixa

temperatura e presso, atravs de um pequeno orifcio. A outra a de controlar a vazo de refrigerante

que entra no evaporador de acordo com o estado do refrigerante que deixa o trocador de calor

mencionado.

Existem dois tipos principais de vlvulas de expanso que so utilizadas no sistema de

climatizao automotiva, a vlvula do tipo caixa e a do tipo conexo com juntas.

A vlvula do tipo caixa possui uma estrutura bsica que contm um diafragma, um sensor de

temperatura e uma vlvula de alvio. A Fig. (17) mostra uma vlvula de expanso do tipo caixa.

Figura 17. Vlvula de expanso do tipo caixa (DENSO, 2004).

O outro tipo de vlvula de expanso, a do tipo conexo por juntas, sendo que esta possui os

mesmos componentes da vlvula do tipo caixa, podendo ainda ser classificada por possuir ou no um

tubo equalizador de presso. A Tab. (5) mostra essa classificao por tubo equalizador de presso.

Tabela 5. Classificao da vlvula de expanso do tipo conexo por juntas.

Tipo Tubo Equalizador de Presso Aplicao Equalizao de presso externa Sim Capacidade elevada Equalizao de presso interna No Capacidade baixa

Na vlvula de expanso do tipo conexo por juntas, o refrigerante selado no bulbo do sensor de

temperatura, o qual se encontra na sada do evaporador para detectar a temperatura do refrigerante. A

Fig. 18 mostra esta vlvula.

Figura 18. Vlvula de Expanso do tipo conexo por juntas (Frigidair, 2005).

29

2.4.6 EVAPORADOR

O evaporador um trocador de calor e possui uma estrutura simples feita de tubos e aletas, assim

como o condensador. H trs tipos de evaporadores para a climatizao automotiva, os evaporados do

tipo serpentina, do tipo tanque simples (evaporador ST) e do tipo tanque mltiplo (evaporador MS).

As principais funes do evaporador so remover o calor do interior do veculo e desum