Análise numérica de sistema de condicionamento de ar veicular com múltiplos evaporadores

Abstract

O condicionamento de ar veicular exerce um papel essencial na economia e desenvolvimento da sociedade atual. Estima-se que 1 bilhão de unidades estão em operação globalmente. Um sistema de condicionamento de ar de um veículo é responsável pelo conforto térmico e segurança dos passageiros. Isto significa manter uma temperatura controlada durante períodos de verão e inverno, além de remover umidade, promover a circulação de ar e o desembaçamento dos vidros do veículo. O projeto do sistema deve levar em consideração a eficiência energética, o volume ocupado e a massa total dos componentes utilizados. Para o veículo, o consumo de energia do sistema de condicionamento de ar é resultante não só da potência consumida pelos componentes, mas também da massa adicional que o veículo precisa movimentar. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho consiste em analisar numericamente um sistema de condicionamento de ar veicular com múltiplos evaporadores promovendo melhorias tanto para os trocadores de calor como para o compressor. Modelos matemáticos foram desenvolvidos para cada componente, os quais foram integrados para permitir a simulação do desempenho termodinâmico do sistema. Uma base de dados experimental de um sistema com dois evaporadores foi utilizada para a validação do modelo. O projeto de um novo condensador e dois evaporadores do tipo microcanal, em substituição aos trocadores de calor do tipo tubo-aleta originalmente empregados, foi realizado com o intuito de aumentar a eficiência e de reduzir massa. Da mesma forma, o compressor original foi substituído por um compressor elétrico de corrente contínua. Como resultado, foi obtido um sistema equivalente que fornece a mesma capacidade de refrigeração do sistema original, mas com uma massa total 56 % menor e um COP 43 % maior. Um inventário de massa de fluido refrigerante foi realizado para verificação do impacto da alteração do volume interno do sistema sobre a carga de refrigerante, onde uma redução de 10 % foi obtida.

Abstract: Automotive air conditioning plays an essential role in the economy and development of today's society. It is estimated that 1 billion units are in operation globally. A vehicle's air conditioning system is responsible for the thermal comfort and safety of passengers. This means maintaining a controlled temperature during summer and winter periods, as well as removing humidity, promoting air circulation, and defogging the vehicle's windows. The design of the system must take into account energy efficiency, occupied volume, and the total mass of the components used. For the vehicle, the energy consumption of the air conditioning system results not only from the power consumed by the components but also from the additional mass that the vehicle needs to carry. In this context, the objective of this study is to numerically analyze a vehicle air conditioning system with multiple evaporators, promoting improvements for both heat exchangers and the compressor. A mathematical model was developed for each component, which were integrated to allow the simulation of the system's thermodynamic performance. An experimental database of a system with two evaporators obtained in the laboratory was used to validate the model. The design of a new microchannel condenser and two evaporators, replacing the originally used tube-fin heat exchangers, was performed with the aim of increasing efficiency and reducing mass. Similarly, the original compressor was replaced by a direct current electric compressor. As a result, an equivalent system was obtained that provides the same cooling capacity as the original system but with a 56 % lower total mass and a 43 % higher COP (Coefficient of Performance). A refrigerant mass inventory was conducted to verify the impact of the change in the system's internal volume on the refrigerant charge, where a 10 % reduction was observed.