Avaliação experimental de um sistema de condicionamento de ar automotivo operando com R1234yf em substituição ao R134a em condições de regime permanente e transiente

Abstract

A substituição do R134a por refrigerantes de menor potencial de aquecimento global, como o R1234yf, demanda a avaliação de seus efeitos sobre o desempenho dos sistemas de condicionamento de ar automotivo. Além das condições de regime permanente, essa avaliação deve considerar a operação transiente, caracterizada por variações da carga térmica, da rotação e do acionamento do compressor. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de um sistema de condicionamento de ar automotivo operando com os fluidos refrigerantes R134a e R1234yf. Os ensaios foram realizados em bancada experimental, com controle da temperatura do ar na entrada do evaporador e do condensador, bem como da rotação do compressor. Em regime permanente, o R1234yf apresentou capacidade de refrigeração até 6,56% inferior e COP médio estimado 3,68% inferior ao do R134a. Ensaios em regime transiente foram conduzidos por meio do acoplamento entre o experimento e um modelo numérico, em configuração hardware-in-the-loop, simulando a operação em modo de recirculação. Nos testes de pull-down, o R1234yf apresentou capacidade de refrigeração média 8,10% superior e COP global estimado 3,64% superior ao do R134a. Em ensaio com perfil baseado no ciclo de condução WLTC, sem a fase de velocidade extra-alta, o R1234yf apresentou capacidade de refrigeração média 6,9% superior e COP global estimado 8,5% superior ao do R134a. Os resultados indicam uma inversão de desempenho em condições transientes, possivelmente associada à dinâmica de controle e ao comportamento transiente do sistema.

Abstract: Replacing R134a with refrigerants with lower global warming potential, such as R1234yf, requires evaluating their effects on automotive air conditioning system performance. In addition to steady-state conditions, this assessment should consider transient operation, characterized by variations in thermal load, compressor speed, and compressor cycling. This work aims to evaluate the performance of an automotive air conditioning system operating with R134a and R1234yf refrigerants. The tests were conducted on an experimental bench with control of the air temperature at the evaporator and condenser inlets, as well as the compressor speed. Under steady-state conditions, R1234yf presented up to 6.56% lower cooling capacity and an estimated average COP 3.68% lower than that of R134a. Transient tests were carried out by coupling the experimental setup with a numerical model in a hardware-in-the-loop configuration, simulating operation in recirculation mode. In pull-down tests, R1234yf showed 8.10% higher average cooling capacity and an estimated global COP 3.64% higher than that of R134a. In a test using a profile based on the WLTC driving cycle, excluding the extra-high-speed phase, R1234yf presented 6.9% higher average cooling capacity and an estimated global COP 8.5% higher than that of R134a. The results indicate a reversal in performance under transient conditions, probably associated with the system control dynamics and transient response.