MODELAGEM COMPUTACIONAL
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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).
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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).
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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).
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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).
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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