Análise numérica do sistema multizone de condicionamento de ar automotivo

Abstract

Nas últimas décadas o número de automóveis de passeio equipados com sistemas de condicionamento de ar tem aumentado significativamente no Brasil. Atualmente, estima-se que 80% dos carros novos saiam de fábrica já equipados com este recurso. Os principais fatores que justificam essa tendência são o clima subtropical e tropical do Brasil e a redução dos custos de fabricação e montagem dos componentes. Em sistemas convencionais de condicionamento de ar automotivo, o controle de temperatura no interior da cabine é geralmente realizado com base na medição da temperatura do ar de retorno por apenas um sensor. No entanto, esta estratégia pode não agradar a todos os passageiros, uma vez que existem gradientes de temperatura, umidade relativa e velocidade do ar no interior da cabine. Adicionalmente, o conforto térmico depende de fatores associados a cada indivíduo, tais como a taxa metabólica, idade, estado de saúde e vestimenta. Por este motivo, observa-se uma tendência na utilização de sistemas de condicionamento de ar do tipo multizone, que permitem diferentes regulagens de temperatura para diferentes regiões do veículo. Com base nesses fatos, este trabalho tem como objetivo, de início, apresentar o sistema multizone e seus princípios de funcionamento. Para tanto, uma extensa revisão bibliográfica será realizada sobre o assunto para compreender as suas principais características construtivas e identificar as diferenças e similaridades existentes entre o sistema convencional de condicionamento de ar e o do tipo multizone. Posteriormente, será desenvolvida uma geometria simplificada do sistema de dutos para estimar as vazões mássicas que saem nos difusores de ar no interior da cabine do veículo, em seguida será feita a análise numérica dos campos de velocidade e temperaturas no interior do automóvel. Os resultados deste trabalho serão úteis para auxiliar no projeto de sistemas multizone e avaliar o seu desempenho energético. Por meio deste estudo foi obtido uma variação de 69% de velocidade de ar e de 1,5 °C de temperatura entre o banco traseiro e o banco do motorista do sistema convencional e 2,5 para o Multizone. Todos os estudos feitos no trabalho em questão foram realizados no Laboratório de Refrigeração Veicular (ReVe).

In the last decades, the number of equipment vehicles organized with air conditioning systems has increased significantly in Brazil. Currently, it is estimated that 80% of new cars are dressed as tools already equipped with this feature. The main factors that justify this trend are the subtropical and tropical climate in Brazil and the reduction in the manufacturing and assembly costs of components. In conventional automotive air conditioning systems, in-cab temperature control is normally performed based on the return air temperature setting by a single sensor. However, this strategy may not suit all passengers, as there are temperature, relative humidity and air velocity gradients inside the cabin. Additionally, thermal comfort depends on factors associated with each individual, such as metabolic rate, age, health status and clothing. For this reason, a temperature trend is observed in the use of Multizone conditioning systems, which allow different settings for different regions of the vehicle. Based on these facts, this work aims, at first, to present the multizone system and its working principles. Therefore, an extensive literature review will be carried out on the subject to understand the main constructive characteristics and identify the differences and similarities between the conventional air conditioning system and the multizone system. Subsequently, a simplified geometry of the duct system will be developed to estimate the mass flows that leave the diffusers inside the vehicle cabin, followed by a numerical analysis of the velocity and temperature fields inside the car. The results of this work will be useful to assist in the design of multizone systems and to evaluate their energy performance. For this study, it was achieved a difference of 69% for the air velocity and 1,5 °C for the temperature between the front seat and the back seat between for the conventional and 2,5 °C for the Mutizone case. All studies in the work in question were carried out at the Vehicular Refrigeration Laboratory (ReVe).