Avaliação experimental e computacional de sistemas automotivos de condicionamento de ar operando com R-134a e R-1234yf

Abstract

Os sistemas de condicionamento de ar automotivos são amplamente utilizados para proporcionar conforto térmico e segurança aos passageiros por meio dos sistemas de desembaçamento e descongelamento dos vidros. No entanto, estima-se que o aumento no consumo de energia do veículo devido ao uso do sistema de climatização é de aproximadamente 10%, motivando a indústria automotiva a desenvolver sistemas mais eficientes, que reduzam o consumo de energia do veículo. Além disso, grandes esforços têm sido observados no desenvolvimento e aplicação de fluidos refrigerantes com menor impacto ao meio ambiente, com a finalidade de substituir o R-134a nos sistemas de condicionamento de ar. Observa-se também que tal substituição já entrou em vigor no Brasil por meio da Emenda de Kigali. Nesse contexto, um dos principais substitutos ao R-134a é o fluido refrigerante R-1234yf, devido à sua similaridade termodinâmica e compatibilidade com os componentes do sistema de condicionamento de ar automotivo. Por tais motivos, o presente trabalho tem como objetivo avaliar e comparar a capacidade de refrigeração e a eficiência energética de sistemas de condicionamento de ar automotivos operando com R-134a e R-1234yf por meio de testes experimentais e simulações. Foi desenvolvido um modelo computacional com base em princípios termodinâmicos e de transferência de calor, sendo implementado com auxílio do programa computacional Engineering Equation Solver, que é capaz de resolver sistemas de equações não lineares resultantes. Adicionalmente, um veículo de modelo compacto foi instrumentado e testado em um túnel de vento climático, capaz de reproduzir condições reais de utilização. A base de dados experimentais obtida foi então empregada para validar o modelo, que apresentou erros para a pressão de condensação e capacidade de refrigeração abaixo de 10%. Após a etapa de validação, o modelo foi utilizado para quantificar o efeito da substituição do fluido refrigerante R-134a pelo R-1234yf sobre a capacidade de refrigeração e o coeficiente de performance do sistema. Os resultados obtidos mostraram uma redução na capacidade de refrigeração na faixa de 6% e uma redução de coeficiente de performance na faixa de 2,6% quando alterado o fluido refrigerante R-134a pelo R-1234yf.

Abstract: Automotive air conditioning systems are widely used to provide thermal comfort and safety to passengers through window defogging and defrosting systems. However, it is estimated that the increase in vehicle energy consumption due to the use of the air conditioning system is approximately 10%, motivating the automotive industry to develop more efficient systems that reduce vehicle energy consumption. Furthermore, great efforts have been made in the development and application of refrigerant fluids with less impact on the environment, to replace R-134a in air conditioning systems. It is also noted that this replacement has already come into force in Brazil through the Kigali Amendment. In this context, one of the main substitutes for R-134a is the refrigerant fluid R-1234yf, due to its thermodynamic similarity and compatibility with the components of the automotive air conditioning system. For these reasons, the present work aims to evaluate and compare the cooling capacity and energy efficiency of automotive air conditioning system operating with R-134a and R-1234yf through experimental tests and simulations. A computational model developed based on thermodynamic and heat transfer principles, being implemented with the aid of the Engineering Equation Solver computer program, which is capable of solving systems of resulting nonlinear equations. Additionally, a compact model vehicle was instrumented and tested in a climatic wind tunnel, capable of reproducing real conditions of use. The experimental database obtained was then used to validate the model, which presented errors for condensing pressure and refrigeration capacity below 10%. After the validation stage, the model was used to quantify the effect of replacing the refrigerant fluid R-134a with R-1234yf on the refrigeration capacity and coefficient of performance of the system. The results obtained showed a reduction in refrigeration capacity in the range of 6% and a reduction in coefficient of performance in the range of 2,6% when changing the refrigerant fluid R-134a to R-1234yf.