ANÁLISE TÉRMICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO VEICULAR

Prévia do material em texto

ANÁLISE TÉRMICA DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO VEICULAR 
Lorenni Evren SILVA (1); Keyll Carlos MARTINS (2); Lídia Santos Pereira MARTINS (3); Ana 
Patrícia da Silva MAFRA (4) 
(1) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, Av. Getulio Vargas, Nº 4 Monte 
Castelo. São Luís – MA, CEP: 65030-000, (098) 3218-9044; (098) 32189001, e-mail: 
lorennievren@yahoo.com.br; (2) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, e-mail: 
kmartins@sc.usp.br; (3) Universidade Estadual do Maranhão, e-mail: lidiamsp@gmail.com; (4) Instituto 
Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, e-mail: anapathricia@hotmail.com. 
RESUMO 
 
A análise térmica do sistema de refrigeração veicular possibilita atender aos requisitos de conforto térmico, 
estudos ergonômicos, segurança e aumento do nível de atenção do motorista ao transportar veículos leves e 
pesados. O princípio de funcionamento do sistema de refrigeração veicular basea-se no ciclo de compressão 
do vapor, que permite a refrigeração do ar existente no habitáculo do automóvel. Foram realizados estudos 
sobre os parâmetros de operação de um sistema de ar condicionado veicular convencional baseado no ciclo 
de compressão de vapor termodinâmico, bem como na análise de desempenho de cada componente do 
sistema e de suas potências térmicas. Todo o estudo prático é realizado na unidade de condicionamento de 
auto T66D que simula as reais condições térmicas do sistema, do habitáculo e do ar externo ao veículo, com 
o objetivo de detectar possíveis erros em determinados equipamentos do sistema de ar condicionado 
automotivo e propor melhorias que garantam a eficiência deste. Essa simulação é possível através da 
regulagem do ambiente interno do habitáculo por meio da instalação de um termopar, e do controle do ar 
externo ao veículo, com tais condições foi possível avaliar os conceitos teóricos da refrigeração veicular. Os 
resultados experimentais obtidos mostraram que todos os componentes do sistema contribuem para se chegar 
a uma eficiência geral podendo assim, através de cálculos e dados de comparação encontrar o componente 
ineficiente no sistema. 
 
Palavras-chave: refrigeração veicular, simulação de refrigeração, parâmetros térmicos automotivos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
mailto:lorennievren@yahoo.com.br
mailto:kmartins@sc.usp.br
mailto:lidiamsp@gmail.com
mailto:anapathricia@hotmail.com
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Segundo Kaynakli e Horuz (2003), o sistema de ar condicionado tem se tornado item obrigatório nos 
veículos leves de passeio, bem como nos veículos pesados de carga. Não somente o conforto é otimizado, 
mas também a segurança do ocupante. Isso pode ser explicado pelo fato de que os vidros são mantidos 
fechados, minimizando a ação de ladrões e o estresse térmico do motorista, aumentando consequentemente 
seu nível de atenção no trânsito. Tribess (2004) afirma que o estresse térmico como “o resultado de 
condições microclimáticas desfavoráveis que requerem a intervenção do sistema termoregulador” pode levar 
à morte, se à exposição a um ambiente quente ou frio for excessiva. 
O sistema de ar condicionado automotivo funciona conforme um ciclo de refrigeração, e por isso é 
necessário o fornecimento de trabalho ao sistema. Convencionalmente, tal trabalho é injetado ao sistema 
através do compressor, que é obtido através da transferência de energia do motor de combustão interna do 
automóvel. 
O trabalho executado pelo compressor no ciclo de refrigeração a compressão de vapor reflete num aumento 
no consumo de combustível pelo motor de combustão interna dos automóveis, afetando a eficiência global 
do mesmo. Além do aumento de consumo de combustível, existe uma diminuição na potência disponível 
para o movimento do veículo. A não existência de dispositivos que administrem o redirecionamento de 
potência em condições críticas de utilização dos veículos, tais como aceleração em ultrapassagem pode 
representar perigo real para a vida do motorista e ocupantes em veículos compactos de potência inferior. A 
transposição de tais obstáculos pode ser alcançada através de diversos caminhos: otimização da eficiência do 
ciclo de refrigeração, redução de custos dos processos de manufatura e custos de matéria prima. 
O presente trabalho abordará a importância do sistema de refrigeração veicular, bem como seu processo de 
funcionamento, seus componentes e sistemas de refrigeração de automóveis que propiciam conforto térmico 
aos ocupantes, aumentam o nível de alerta e segurança do motorista associado ao desempenho adequado do 
veículo. 
2. FUNDAMENDAÇÃO TEÓRICA 
2.1 Ciclos de Refrigeração 
Nos sistemas de ar condicionado automotivos sempre se utilizaram do conceito de operação do ciclo 
termodinâmico por compressão de vapor, sendo necessários para isso componentes básicos, tais como: fluido 
refrigerante, trocadores de calor e compressor. A Figura 1 ilustra o ciclo de refrigeração de Carnot e o ciclo 
de refrigeração por compressão de vapor. 
 
 
Figura 1 – (A) Ciclo de refrigeração de Carnot e (B) Ciclo de refrigeração por compressão de vapor. 
Fonte: Moran (2004) 
 
 
O ciclo de refrigeração de Carnot é considerado um ciclo reversível. Desta forma, é impossível a reprodução 
de um ciclo reversível em uma aplicação real, uma vez que existem perdas nos processos. Portanto, segundo 
afirmações de Moran e Shapiro (2004) algumas observações que devem ser feitas no processo, de maneira 
que os mesmos sejam adequados à realidade. 
a) A primeira observação diz respeito à passagem do fluido pelo evaporador. Para que a temperatura do 
reservatório frio seja mantida a temperatura TL, o fluido no estado 4 ( que entra no evaporador ) deve estar à 
uma temperatura abaixo de TL, conforme indicado na Figura 1(B). Isso acontece devido ao fato de que os 
evaporadores reais não provêm uma taxa de troca de calor suficiente para manter a temperatura do 
reservatório frio em TL. De forma análoga, a temperatura do fluido no condensador deve ser superior à 
temperatura do reservatório quente (TH) para que se obtenha uma taxa de troca de calor suficiente. 
b) A segunda observação diz respeito ao estado do fluido no processo de compressão. Existem restrições 
técnicas por parte do compressor, no que diz respeito à compressão de um fluido no estado líquido-vapor. A 
presença de líquido no compressor causa o chamado “calço-hidráulico” que resulta em danos no compressor, 
devido ao fato do líquido ser um fluido não-compressível. Desta forma, deve-se sempre trabalhar com fluido 
no estado de vapor no compressor. 
c) A terceira observação diz respeito ao processo de expansão através da turbina. As condições do fluido 
no estado 3, faz com que a eficiência da turbina seja muito baixa, com a geração de uma quantidade pequena 
de trabalho. Desta forma, a turbina, ilustrada na Figura 1(A), pode ser trocada por dispositivos de expansão 
de custo bem inferior, tais como as válvulas de expansão ou tubo capilares como indicados na Figura 1(B). 
Em consideração as observações apresentadas acima obtém-se o ciclo por compressão de vapor, que 
corresponde ao ciclo base dos sistemas de refrigeração dos automóveis atuais. 
2.2 Termodinâmica e Desempenho do Ciclo por Compressão de Vapor 
A avaliação da taxa de calor e potência do ciclo pode ser realizada através da aplicação da Primeira Lei da 
Termodinâmica para volumes de controle, conforme Van Wylen et al (1998), apresentado na equação (1). 
saida
vc
entrada
vc gZ
v
hmWgZ
v
hmQ 





+++=





+++
22
22
 [Eq1] 
Adotando as hipóteses apresentadas a seguir, tem-se a equação simplificada da primeira lei da 
termodinâmica para volumes de controle: 
_ Regime permanente; 
_ Energia potencial por unidade de massa entre entrada e saída é desprezível; 
_ Energia cinética por unidade de massa ente entrada e saída é desprezível. 
( )entradasaida hhmWQ −=− [Eq2] 
A avaliação do desempenho de um ciclo de refrigeração pode ser feita através daaplicação do coeficiente de 
eficácia (β). Tal coeficiente corresponde na relação entre o efeito da refrigeração e o trabalho de eixo a ser 
injetado no sistema a fim de obter tal efeito da refrigeração, conforme afirma Moran e Shapiro (2004). 
12
41
hh
hh
−
−
=β [Eq3] 
Os estados de 1 e 4 representados na equação (3) podem ser visualizados na Figura 1(B). 
De acordo com Shapiro (2004) a avaliação do desempenho do compressor pode ser obtida através do cálculo 
do rendimento isoentrópico. Tal eficiência avalia a relação entre a potência de eixo consumida num caso real 
e a potência de eixo consumida num processo adiabático reversível, como indicada na equação (4). 
 
oisentrópic
eixo
oisentrópic W
W
=η [Eq4] 
 
2.3 Principais Componentes do Sistema de Ar Condicionado Automotivo 
O sistema de ar condicionado de um veiculo tem o princípio de funcionamento baseado no ciclo de 
compressão de vapor, apresentado na Figura 1(B). Um esquema dos componentes de um sistema de ar 
condicionado automotivo está apresentado na Figura 2. 
 
 
Figura 2 - Componentes de um sistema de ar condicionado automotivo utilizando válvula de expansão. Fonte: 
Bosch (2000). 
 
a) Compressor 
Um compressor de um sistema de ar condicionado automotivo consiste num dispositivo que promove a 
movimentação do fluido refrigerante num circuito fechado, conforme citado por Tribess (2004). A 
movimentação do fluido e consequentemente a passagem pelos diversos componentes do sistema de 
refrigeração atribui diversas condições de pressão e temperatura ao fluido refrigerante. 
b) Condensador. 
O condensador consiste em um trocador de calor responsável pela dissipação de calor absorvido pelo fluido 
refrigerante no evaporador. A fim de otimizar a troca de calor, o condensador é posicionado na parte frontal 
do veículo, entre a grade frontal e o radiador do veículo. A dissipação de calor do fluido para o ambiente, 
provoca uma mudança de estado do fluido, que entra no condensador no estado gasoso e deve sair do 
evaporador no estado líquido. 
c) Dispositivo de Expansão 
O dispositivo de expansão consiste num componente que tem a função de reduzir a pressão do fluido 
refrigerante que sai no estado líquido do condensador, além de controlar a vazão no circuito. Existem dois 
tipos de dispositivos de expansão, utilizados em sistemas de refrigeração automotivos: a válvula termostática 
e os tubos de orifício. 
 
d) Evaporador. 
O evaporador é um trocador de calor que tem o objetivo de levar ao estado de vapor o fluído refrigerante 
subtraindo calor e refrigerando o ar. Existem três variações de tipos de evaporadores: tubos e aletas, 
serpentina e placas. 
2.4 Modo de Operação do Sistema de Refrigeração Automotivo 
Os atuais sistemas de ar condicionado operam através de dois modos: ventilação e recirculação. Operando no 
modo ventilação, o ar ambiente é limpo, refrigerado, desumidificado, passando através do habitáculo e sendo 
exaurido para o ambiente. Operando no modo recirculação, existe a combinação do ar recirculado com o ar 
do ambiente externo. Na operação por recirculação é possível manter o conforto desejado satisfazendo as 
normas de qualidade de ar interno definidas pela ASHRAE. Além disso, existe uma economia de energia na 
operação por recirculação uma vez que é necessária uma capacidade de refrigeração inferior a fim de 
alcançar os requisitos de temperatura e umidade necessários. 
2.4.1 Funcionamento do Sistema 
Inicialmente um determinado fluido num estado de liquido-vapor (estado 1) é comprimido adiabaticamente 
passando para vapor saturado (estado 2), conforme indicado na Figura 1. A compressão é feita por um 
compressor, logo existe trabalho sendo fornecido ao sistema. Nessa operação, o fluido não somente tem sua 
temperatura elevada ( de TL para TH), como também sua pressão. 
Após a saída do compressor, o vapor saturado (estado 2) passa por um condensador, que tem a propriedade 
de trocar calor com um reservatório quente a uma temperatura TH. Neste processo existe a mudança de 
estado, de vapor saturado para líquido saturado (estado 3), mantendo porém a pressão e temperatura do 
estado 2. 
Saindo do condensador, o fluido no estado 3 passará por uma turbina, onde haverá a expansão do fluido, 
passando este para o estado 4. No estado 4, a temperatura do fluido retorna para TL, havendo também uma 
redução de pressão do mesmo. No estado 4 o fluido é caracterizado como líquido-vapor. Uma vez que a 
turbina é acionada, existe trabalho de eixo saindo do sistema. 
Após a saída do fluido da turbina, adquirindo um estado 4, o fluido em estado líquido-vapor passa pelo 
evaporador, onde existe transferência de calor do reservatório frio para o fluido. Logo, o fluido retorna para o 
estado 1, sendo que não há mudança de temperatura e pressão nesta fase do processo. 
3. MATERIAIS E MÉTODOS 
3.1. Unidade de Refrigeração de Auto T66D/S 
A unidade de prova de condicionamento de auto T66D/S permite o estudo dos principais problemas relativos 
a um grupo de condicionamento destinado aos veículos. O equipamento de refrigeração é constituído por um 
compressor, uma bateria de condensação e uma bateria de evaporação; em particular, o compressor é 
acionado, por meio de uma ligação eletromagnética, por um motor elétrico de corrente contínua, de carcaça 
oscilante que pode girar a velocidade variável máxima de 3000rpm simulando, desta forma, o regime de 
funcionamento de um motor automobilístico. Os componentes adotados para a construção do grupo T66D/S 
são os mesmos realmente em uso nos equipamentos de condicionamento/climatização dos carros. Isto 
permite aprender a reconhecer os diversos componentes do equipamento e, ao mesmo tempo, aprender a 
distinguir as possíveis causas de mau funcionamento. 
 
 
 
Figura 3 - Módulo de Refrigeração Veicular T66D/S instalado no Laboratório de Injeção Eletrônica do IFMA 
 
Uma célula de dimensões reduzidas simula o habitáculo do carro e permite reproduzir as condições 
climáticas de verão, típicas da utilização dos climatizadores e dos condicionadores, graças a um termo 
ventilador que simula a carga térmica de verão sobre o condensador do equipamento (pode ser regulado a 
1000 ou 2000 W), este aquece uma parede de alumínio que, por sua vez, transmite o calor por irradiação ao 
interior da célula. Um segundo termo ventilador (também este pode ser regulado a 1000 ou 2000 W) aquece 
o ar que atravessa a bateria de condensação do fluido refrigerador, reproduzindo desta forma, o que ocorre no 
compartimento do motor. 
A Figura 4 ilustra o diagrama esquemático do módulo de refrigeração veicular T66D/S onde estão montados: 
um tanque com termostato com a função de produzir água quente (substitui o radiador) e uma bomba para a 
circulação da água: esta parte tem a finalidade de simular o equipamento que proporciona a calefação ao 
veículo. 
 
 
 
Figura 4 - Esquema funcional do grupo T66D/S 
 
Legenda
A. Compressor aberto 
B. Ligação 
eletromagnética 
C. Motor elétrico de 
corrente contínua 
D. Separador de líquido 
E. Indicador digital do 
par (torque) 
F. Condensador de ar 
G. Eletroventilador 
H. Termoventilador 
I. Filtro receptor de 
líquido 
L. Válvula de expansão 
automática 
M. Bateria de evaporação 
e calefação 
N. Eletroventilador 
p1÷p4 Manômetros 
Q. Habitáculo 
R. Indicador digital do 
número de giros do 
compressor 
t1÷t4 Termopares 
3.2 Teste do Módulo de Refrigeração Veicular 
3.2.1 Objetivo 
Familiarizar-se com o ciclo refrigerante e com o uso do diagrama de Mollier (h, P) do fluido refrigerante 
adaptado (no caso em exame R134a). 
 
 
 
Figura 5 - O ciclo refrigerador no diagrama de Mollier 
 
3.2.2 Procedimento para o teste do módulo de refrigeração veicular. 
1. Regular a abertura da janela situada no lado da célula na posição desejada. 
2. Regular a velocidade de rotaçãodo motor elétrico no valor desejado; 
3. Dispor de uma carga térmica no condensador e na parede posterior por meio do termo ventilador, 
escolhendo entre 50% ou 100% da potência térmica disponível. 
4. Esperar que a temperatura na parte interna da célula alcance ao menos os 45°C. 
5. Pôr em rotação os ventiladores do grupo de tratamento de ar e regular o termostato. 
6. Adquirir as grandezas de interesse: 
• p1 pressão do fluído refrigerante na entrada do condensador; 
• p2 pressão do fluído refrigerante na saída do condensador 
• p3 pressão de saída do evaporador 
• p
4
 pressão de sucção do compressor 
• t1 temperatura do fluído refrigerante na entrada do condensador 
• t2 temperatura do fluído refrigerante na saída do condensador 
• t3 temperatura do fluído refrigerante na entrada do evaporador 
• t4 temperatura do fluído refrigerante na saída do evaporador 
7. Desenhar o ciclo refrigerante no diagrama de Mollier da seguinte forma: 
 
• na curva limite superior (x = 1), determine os pontos correspondentes à pressão de condensação 
(p1) e de evaporação (p3); 
• determinar o ponto correspondente às condições do fluído refrigerante na entrada do 
condensador (p1 e t1); 
• determinar o ponto correspondente às condições do fluído refrigerante na saída do condensador 
(p2 e t2); 
• unir os dois pontos obtidos deste modo; a linha traçada representa a condensação; 
• determinar o ponto correspondente às condições do fluído refrigerante na saída do evaporador (p3 
e t3); 
• a compressão se representa unindo o ponto de fim da evaporação ao ponto de inicio da 
condensação (p1 e t1) e (p3 e t3); 
• traçar a linha isobárica correspondente à pressão de evaporação (p3); 
• a laminação vem representada traçando uma linha vertical desde o ponto de fim da condensação 
na linha isobárica recém traçada: obtém-se assim o ponto de inicio da evaporação (ponto 2’); 
• o desenho obtido representa o ciclo refrigerador. 
8. Ler os valores das entalpias nos pontos representativos do ciclo no diagrama de Mollier (h, logp) para 
o R134a e transcrevê-los na tabela apropriada. 
9. Adquirir os valores de tensão, corrente, torque e número de giros e transcrevê-los em uma tabela 
apropriada. 
 
4. RESULTADOS 
Conforme o procedimento citado anteriormente aplica-se a velocidade máxima de 3000rpm no compressor 
do módulo de refrigeração veicular, além de dispor-se de uma carga térmica no condensador de 0% e de uma 
carga térmica na parede do módulo de 100%, onde os valores encontrados são indicados nas Tabelas 1 e 2. 
Através dessas condições de carga térmica e valores de entalpia encontrados no diagrama de Mollier podem 
ser definidos os parâmetros desejados de eficiência termodinâmica do ciclo de refrigeração. 
 
Tabela 1 - Dados obtidos no processo 
Velocidade 
(r.p.m.) Torque (Nm) Tensão (V) 
Corrente 
(A) 
Pressão p1 
(bar) 
Pressão p2 
(bar) 
Pressão p3 
(bar) 
Pressão p4 
(bar) 
3000 7.8 150 19 11 9 1 0.2 
 
Tabela 2 - Valores de temperatura obtidos no processo 
T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C) T5 (°C) T6 (°C) 
78 22 11 20 24 18 
Tabela 3 - Valores lidos no diagrama de Mollier para as entalpia durante o processo 
h
1
 (kJ/kg) h
2
 (kJ/kg) h
2’
 (kJ/kg) h
4
 (kJ/kg) 
460 230 230 405 
 
Eficiência do ciclo refrigerante ideal de Carnot: 
05,6
263315
315
=
−
=
−
=
VC
C
C TT
T
ε [Eq5] 
Em que, 
Tc = (42 + 273) = 315 K [Eq6] 
e 
Tv = (-10 + 273) = 263 K [Eq7] 
Calor subtraído na célula: 
kgKJhhq /175230405'242 =−=−= [Eq8] 
Trabalho necessário ao ciclo: 
kgkJhhWciclo /5040045041 =−=−= [Eq9] 
Eficiência do ciclo refrigerante real: 
 5,3
50
1752 ===
CICLO
real W
q
ε [Eq10] 
Relação entre as eficiências: 
58,0
05,6
5,3
===
C
real
ε
ε
φ [Eq11] 
Potência absorvida pelo motor elétrico: 
kWWIVPel 85,22850)19(150)( ==== [Eq12] 
Potência mecânica absorvida pelo compressor: 
kWWnTPm 4,22430)30008,7(104,0)(104,0 ==== ⋅⋅ [Eq13] 
Rendimento de transmissão: 
85,0
85,2
4,2
===
el
m
m P
P
η [Eq14] 
5. CONCLUSÕES 
De acordo com os testes realizados no módulo de refrigeração veicular T66D/S, observou-se um rendimento 
satisfatório, sendo que 85% do trabalho que entra no sistema através do compressor não é perdido durante o 
processo. 
Conclui-se, portanto, que os resultados experimentais foram atingidos conforme os objetivos propostos e que 
o valor do coeficiente de eficácia do ciclo se encontra um pouco acima da média de valores comumente 
encontrados para o mesmo processo. Este fato ocorre, pois os valores usados como comparativos possuem 
 
margem de erro devido a arredondamentos matemáticos, os dados dos testes realizados neste trabalho se 
encontram com uma precisão de 10-4. 
REFERÊNCIAS 
AVILA, J. Ar Condicionado Automotivo: caracterização e Avanços Tecnológicos. 2002. 102p. 
Dissertação (Mestrado Profissionalizante). Universidade de São Paulo, 2002. 
 
ABNT. NBR 6601 Veículos rodoviários automotivos leves – Determinação de hidrocarbonetos, monóxido 
de carbono, óxidos de nitrogênio e dióxido de carbono no gás de escapamento. Rio de Janeiro: ABNT, 2001. 
29p. 
 
BIRCH, S.Maybach 57 and 62. Automotive Engineering International. Warrendale, N.10, Vol.110,p71-
76, Outubro 2002. 
 
DELPHI AUTOMOTIVE SYSTEMS, CONFORT & CONVENIENCE. Disponível em: 
<http://delphi.com/products/auto/confort >. Acesso em: 06/12/2008. 
 
BOSCH. Automotive handbook. 5. Ed. Plochingen: Robert Bosch GmbH/SAE International, 2000. 
 
BROWN et al. Comparative a analysis of an automotive air conditioning system operating with CO2 and 
R134a. International Journal of Refrigeration, 25, p 19-32, 2002. 
 
CREDER,HÉLIO. Instalações de Ar Condicionado. 2Ed. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A,1985. 
 
VAN WYLEN, SONNTAG, BORGNAKKE. Fundamentos da Termodinâmica. 6Ed.Editora: Edgard 
Blücher,2003. 
 
ITAO, DANILO CARREIRA. Estudo de um Sistema Alternativo de Ar Condicionado Automotivo 
Baseado na Aplicação de Tubos de Vórtice Utilizando o Conceito de Regeneração Energetica. 2005. 
Dissertação (Mestrado em Engenharia Automotiva) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Sao 
Paulo, 2005. 
 
TRIBESS, A. Conforto Térmico em Veículos Automotivos. Apostila do curso de Mestrado 
Profissionalizante em Engenharia Automotiva. São Paulo: EPUSP, 2004. 
 
AGRADECIMENTOS 
Agradecemos ao Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Maranhão por fornecer o laboratório 
de injeção eletrônica, o módulo de refrigeração veicular e a bolsa de iniciação científica para o 
desenvolvimento da pesquisa; aos professores Dr. Keyll Carlos Ribeiro Martins, Esp. José Castro de Sousa, e 
Dr. Enio Pedone Bandarra Filho pelas informações técnicas relacionadas ao módulo de simulação de 
refrigeração veicular. 
http://delphi.com/products/auto/confort
	1. INTRODUÇÃO
	2. FUNDAMENDAÇÃO TEÓRICA
	2.1 Ciclos de Refrigeração
	3. MATERIAIS E MÉTODOS
	3.1. Unidade de Refrigeração de Auto T66D/S