Avaliação termofluidodinâmica de um sistema de compressão mecânica de vapor para condicionamento de ar aeronáutico

Abstract

Aeronaves executivas, quando estão em solo ou em situações de pouso e decolagem, fazem uso da mesma tecnologia de condicionamento de ar adotada em veículos automotivos. Tal tecnologia não é otimizada para a aplicação aeronáutica, especialmente no que diz respeito a parâmetros tais como peso e eficiência. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar experimental e numericamente o desempenho termo-fluido-dinâmico de um sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor de um jato executivo a fim de propor melhorias. Para a avaliação termodinâmica do sistema de refrigeração, foram projetados e construídos dois túneis de vento calorimétricos com circuito fechado de ar, um deles para a unidade condensadora e o outro para as duas unidades evaporadoras (cockpit e cabine). O sistema de refrigeração foi modelado em regime permanente a fim de permitir a análise do efeito de possíveis modificações nos componentes sobre o coeficiente de performance (COP) do sistema. Modelos fluidodinâmicos foram também desenvolvidos com base nas impedâncias dos circuitos de ar tanto da unidade condensadora como das evaporadoras a fim de determinar seus respectivos pontos de operação. As previsões do modelo foram comparadas contra dados experimentais para a capacidade de refrigeração, potência de compressão e COP, com erros na banda de ±10%. Verificou-se que o COP do sistema permaneceu abaixo de 2 em praticamente todas as análises, o que se deve tanto à baixa temperatura de evaporação (próxima de 0°C) como à baixa eficiência termodinâmica do sistema. Observou-se ainda que um aumento da vazão de ar no condensador pode elevar o COP, mas ao custo de ventiladores maiores ou que trabalhem em rotações mais elevadas. Por fim, a caracterização fluidodinâmica da unidade condensadora, feita em túnel de vento específico, mostrou que a substituição do ventilador e da check valve podem levar à redução de peso e ruído, sem deixar de atender à especificação de vazão de ar de renovação.

Abstract: Executive aircrafts, on the ground or during landing or taking off, do use the same air conditioning technology adopted in automotive vehicles. Such technology is not optimized for aeronautical applications, especially with regard to issues such as weight and efficiency. In this context, the present work is aimed at assessing both experimentally and numerically the thermo-fluid-dynamic behavior of a mechanical vapor compression system of an executive jet in order to come out with performance enhancements. In the thermodynamic front, two purpose-built closed-loop wind tunnel facilities were designed and constructed, one for the condenser unit and another for the two evaporator units (cockpit and cabin). The refrigeration system was modeled in steady-state regime to undertake the analysis of the effect of potential changes in the components on the system coefficient of performance (COP). Fluid-dynamic models were also devised based on the impedances of the air circuitry of the condensing unit and the evaporator units to determine their respective operating points. The model predictions were compared with experimental data for cooling capacity, compression power and COP, showing errors within the ±10% thresholds. It was noticed that the system COP remained below 2 for nearly all the conditions evaluated in this work, which is due not only to the low evaporation temperature (close to 0°C) but also to the low thermodynamic efficiency of the system. It was found that an increase in the condenser air flow rate can increase the COP, but at the cost of larger fans or higher speeds. Finally, the fluid dynamic characterization of the condensing unit, carried out by means of an open-loop wind-tunnel facility, revealed that replacing both the fan and the check valve can lead to noise and weight reduction, while complying with the air renovation regulations.