Contribuții la Studiul Tehnico Economic al Sistemelor de Climatizare Auto

Cuprins

1. Impactul agenților frigorifici asupra mediului

2. Componente ale sistemului de climatizare auto

2.1 Schema sistemului de climatizare

2.2 Compresorul

2.3 Condensatorul

2.4 Rezervorul deshidratant

2.5 Supapa de destindere termodinamică

2.6 Conductele de legatură

3. Refrigerantul R134a

4. Refrigerantul R-1234yf

5. Dioxidul de carbon

6. Starea actuala de folosire a agenților frigorifici

7. Analiza ciclului transcritic cu dioxid de carbon

7.1 Elemente componente ale sistemului de climatizare auto cu CO2

7.2 Analiza sistemului de climatizare cu CO2. Maximizare COP pentru ciclul transcritic cu

subrăcire regenerativă

7.3 Schema si cilcul IFV cu subrăcire regenerativă ce utilizează agent frigorific CO2

7.4 Procesele din ciclul termodinamic

7.5 Studiu de sensibilitate parametrică în cazul ciclului frigorific

7.6 Rezultatele de sensibilitate parametrică

8. Concluzii

9. Bibliografie

1. Impactul agenților frigorifici asupra mediului

Ozonul este un constituent natural al atmosferei fiind prezent la o altitudine între 15 și 40 km și realizeaza un înveliș protector pentru planeta Pământ. În atmosferă ozonul constitue aproximativ trei molecule la fiecare 10 milioane molecule de aer. Cea mai mare cantitate de ozon, aproximativ 90%, este conținută în stratul cuprins între 8 și 18 km care este numit stratul de ozon. Ozonul cuprins în acest strat este foarte fragil, fiind concentrat, ar forma o fâșie cu o grosime de numai 3 mm în jurul Pământului. Anume acest filtru foarte fin reține aproape totalmente radiația ultravioletă biologic nocivă care se îndreaptă spre suprafața Terrei, regularizează temperatura din stratosferă cu implicații deosebite în condiționarea circulației atmosferice și a climei globului terestru, protejează toate formele de viață de pe Pământ.

În 1974, au emis ipoteza că clorofluorcarburile utilizate ca agenți de lucru în sistemele frigorifice, de condiționare a aerului și pompele de căldură cu comprimare mecanică de vapori pot fi periculoase pentru stratul de ozon stratosferic. S-a observat o diminuare a stratului de ozon stratosferic în special deasupra Antarcticii în lunile septembrie și octombrie ale fiecărui an. Pe de altă parte, analizele efectuate de NASA cu ajutorul sateliților arată că o diminuare a stratului de ozon este vizibilă și în alte regiuni ale globului.

Figura 1

ClorFluorCarbonii (CFC) complet halogenați sunt compuși chimici extrem de stabili. Când sunt emiși în atmosfera, datorită duratei mari de viață, pot ajunge în straturile superioare ale atmosferei până în stratosferă. Radiațiile ultraviolete solare (UV), cu lungime de undă foarte mică și deci energie foarte mare, provoacă distrugerea moleculei de CFC. CFC-urile și halogenii la fel ca CH și NCH sunt precursorii oxizilor de hidrogen, azot, clor și brom, ce pot cataliza distrugerea ozonului stratosferic printr-o serie de reacții chimice de tipul celor arătate în Figura1.

Impactul agentilor frigorifici asupra mediului poate fi imparțit in urmatoarele categorii:

       toxicitatea asupra omului si alimentelor;

       influența asupra domeniilor biologic si genetic;

       mirosuri;

       inflamabilitate si explozivitate;

       impactul direct asupra incalzirii globale;

        necesarul de energie in timpul producerii si utilizarii si impactul datorat CO2-ului produs;

       influența posibila asupra stratului de ozon.

Figura 2

2. Componente ale sistemului de climatiza auto

2.1 Schema componentelor de climatizare auto

Figura 3 Schema componentelor de climatizare auto

În figura 3 sunt reprezentate componentele sistemului de climatizare auto. Agentul de răcire circulă prin acest circuit închis, schimbându-si permanent starea din gazoasă în lichidă si invers.

Agentul de răcire este:

Comprimat in stare gazoasă;

Condesat prin disiparea căldurii;

Evaporat prin reducerea presiunii si absorbția căldurii.

2.2 Compresorul

Rolul său este de a ridica presiunea refrigerantului care iese dinevaporator și de a întreține circulația acestuia în sistem. Antrenarea lui se face prin intermediul unui ambreiaj electromagnetic ce transmite mișcarea de la motor la arborele compresorului. Compresorul este pus în mișcare, prin ambreiajul electromagnetic numai înmomentul în caremotorul estepornit.

Figura 4 Compresorul

2.2 Condensatorul

Design-ul condensatorului este asemănător cu cel al unui radiator, fiind compus din conducte și aripioare de răcire. Condensorul este răcit de ventilator chiar și după oprirea motorului pentru a se asigura circularea agentului de răcire prin sistem.Întotdeauna condensorul este montat în fata radiatorului. Acest lucru mărește eficiența de funcționare. În mod normal, ventilatorul montat în fața condensatorului pornește odată cu pornirea instalației de A/C, însă unele sisteme beneficiază de un senzor de presiune, senzor ce printre altele are rolul de a da comanda de pornire a ventilatorului în momentul când presiunea a atins un nivel specificat.

Figura 5 Condensatorul

2.3 Rezervorul deshidratant

În instalația de aer condiționat cu supapă de destindere termostatică, rezervorul are rolul de a stoca și deshidrata agentul de răcire.Diferite cantități de refrigerant sunt pompate prin circuit o dată cu schimbare anumitor parametri, de exemplu temperatura ambientală, turația compresorului, etc. Rezervorul este integrat în circuit în așa fel încât să compenseze aceste fluctuații. Funcția de eliminare a apei este posibilă datorită prezenței unor cristale ce absorb și rețin apa.

Figura 6 Rezervorul dezhidratant

2.4 Supapa de destindere termodinamică (detentorul)

Supapa de destindere termodinamică are doua funcții:

1. face trecerea fluidului de la înaltă la joasă presiune – destinderea

2. reglează tot timpul cantitatea de fluid ce se destinde în funcție de temperatura de ieșire din evaporator.O temperatură prea scăzută înseamnă o evaporare în curs de realizare, deci incompletă și prezența lichidului la ieșirea din evaporator.

Figura 7 Supapa de destindere termodinamică

2.5 Conductele de legătură

Leagă diferitele componente ale circuitului pentru transferarea fluiduluide la unul la altul. Sunt formate dintr-o parte rigidă (tub de aluminiu), oparte elastică (furtun de cauciuc), racorduri și garnituri, elemente pentru absorbția zgomotului, supape. Furtunurile elastice sunt din materiale speciale (elastomeri multistrat)deoarece freonul are proprietatea de a trece prin cauciuc. Cu refrigerantul R134a, capacitatea fluidului de a trece prin cauciuc este și mai mare. Pentru a trece peste acest fenomen a fost încorporată o barieră termoplastică în zona elastica a furtunului, dându-i acestuia din urma un plus de etanseitate. Aceste canalizatii sunt însemnate pentru evitarea tuturor confuziilor în timpul înlocuirii.

Figura 8 Conducte de legătură

3. Refrigerantul R134a

Numele chimic: TETRA FLUOR ETAN C2H2F4 , este un etan (CH6) în care s-au înlocuit 4 atomi de hidrogen cu 4 atomi de fluor. Este inodor, incolor și neimflamabil. Punctul de trecere din starea lichidă în starea gazoasă la presiune atmosferică este de -26.50C. R134a face parte din clasa HFC-hidrofluorcarboni.

Folosirea acestei substanțe ca refrigerant pentru sistemul de aer condiționat este dictată de următoarele proprietăți:
• Temperatura joasă de fierbere (punctul de trecere în stare de vapori). Astfel , un corp (evaporatorul) poate răci cu ușurință aerul înconjurător. Schimbul de căldură este cu atât mai rapid cu cât diferența dintre cele două corpuri ce iau parte la acest schimb este mai mare.
• Temperatura de condesare ridicată la presiuni moderate (700C la 18-21 bari). Datorită condensatorului, căldură poate fi evacută în exterior fără a fi necesar ca acesta să aibă o suprafață prea mare.

Pericolul potențial asupra mediului exterior pe care-l prezintă HidroFluorCarbon – 134a reprezintă doar începutul incompatibilității ca înlocuitor pentru freonii anterior utilizați. Experimentele au arătat că are eficiență termică redusă, necesită un consum de energie ridicat și este coroziv pentru elementele structurale ale instalațiilor. În 1998 studiile conduse de Wright Patterson (OHAIO) au condus la concluzia că HFC – 134a poate avea efecte toxice nocive, ireversibile pentru oamenii care-l inhalează în concentrații mai mari de 4 părți la un million.

4. Refrigerantul R-1234yf

Agentul frigorific cel mai utilizat în prezent în sistemele de AC auto este hidrofluorcarbonul R134a dar se pare că R-1234yf2,3,3,3-tetrafluoropropanolsauHFO-1234yf, fiindunhidrofluoroolefincuformulaCH=CFCF₃ este agentul frigorific care va revoluționa piața sistemelor de condiționare auto în Europa deoarece poate fi folosit în locul agentului R134a. Noul agent frigorific este R-1234yf, puțin inflamabil, impactul pe care îl are asupra încălzirii globale ultra-redus având un coeficient de doar 4, față de 1400 pentru R-134a, având însă identice curba temperatură-presiuneși alte caracteristici similare, care înseamnă că ar avea nevoie doar de mici modificări ale instalațiilor auto existente a sistemelor de climatizare.

R-1234yf a trecut printr-un șir de teste de toxicitate, și, deși există teste pe termen lung de toxicitate în continuare în curs de desfășurare, nu există în prezent într-adevăr nici o îndoială despre siguranța de bază a substanței.

Are o densitate mai mare decât R-134a, așa că va necesita calibrare specifică a ventilului de expansiune și un diametru mic în partea de furtun. Nu ar fi o pierdere de eficiență cu condensatoarele și evaporatoarele existente, dar aceste schimbătoare de căldură pot fi reproiectate pentru a compensa. R-1234yf are coeficientul de răcire de performanță comparabilă cu cea a R-134a.

5. Dioxidul de carbon

Dioxidul de carbon (R744) este un agent natural (cu potențialul de încălzire globală 1 și potențialul de subțiere a stratului de ozon 0), cu proprietăți termodinamice foarte bune. Cu toate acestea, se folosește foarte rar ca agent frigorific din cauza presiunilor foarte mari la care se lucrează cu acesta și a temperaturii scăzute a punctului critic.

Ca atare, pentru utilizarea de instalații frigorifice pe bază de dioxid de carbon este nevoie de un nivel de automatizare superior celorlalte tipuri de instalații frigorifice, precum și de materiale rezistente la presiuni foarte mari (până la 110 bar în cazul aplicațiilor în domeniul trans-critic).

Dioxidul de carbon se utilizează ca agent frigorific pentru instalații frigorifice în cascadă în treaptă inferioară, ca agent intermediar, cu schimb de fază (vapori/lichid) sau în sisteme trans-critice: pompe de căldură, aplicații industriale sau instalații de aer condiționat pentru automobile.

6. Starea actuala de folosire a agenților frigorifici

Momentan niciun constructor nu a anunțat oficial o schimbare, marii producători germani (BMW, VW / Audi, Mercedes-Benz și Porsche) au fost absolut clari,vor utiliza R-1234yf.

Deși criza economică a creat alte priorități, primele anunțuri ar putea veni în orice
moment și o dată ce este lansat, vom vedea aproape peste tot.

Chiar dacă subiectul schimbării de agent frigorific a apărut, Uniunea Europeană a stabilit un mandat legal de a utiliza un agent frigorific cu nivel scăzut de încălzire globală pe toate noile platforme de vehicule începând cu 1 ianuarie 2011.

Mai multe state au legi împotriva utilizării de agenți frigorifici inflamabili, EPA încearcă să modifice regulamentul, astfel încât R-1234yf să poată fi utilizat legal în toate statele. Referitor la standardele de inginerie, ele sunt încă în dezvoltare, și componentele care trebuie să le îndeplinească, nu au fost supuse testelor de durabilitate.

7. Ciclul transcritic cu dioxid de carbon

7.1. Elemente componente ale sistemelor de climatizare auto cu CO2

Particularitati:

Marea majoritate a componentelor sistemului de climatizare cu CO2 sunt asemănătoare atât din punct de vedere constructiv, cât și funcțional cu cele utilizate în cazul sistemului cu R134a.

Astfel, în componenț vedea aproape peste tot.

Chiar dacă subiectul schimbării de agent frigorific a apărut, Uniunea Europeană a stabilit un mandat legal de a utiliza un agent frigorific cu nivel scăzut de încălzire globală pe toate noile platforme de vehicule începând cu 1 ianuarie 2011.

Mai multe state au legi împotriva utilizării de agenți frigorifici inflamabili, EPA încearcă să modifice regulamentul, astfel încât R-1234yf să poată fi utilizat legal în toate statele. Referitor la standardele de inginerie, ele sunt încă în dezvoltare, și componentele care trebuie să le îndeplinească, nu au fost supuse testelor de durabilitate.

7. Ciclul transcritic cu dioxid de carbon

7.1. Elemente componente ale sistemelor de climatizare auto cu CO2

Particularitati:

Marea majoritate a componentelor sistemului de climatizare cu CO2 sunt asemănătoare atât din punct de vedere constructiv, cât și funcțional cu cele utilizate în cazul sistemului cu R134a.

Astfel, în componența instalației există un compresor, un vaporizator, un ventil de laminare, un rezervor de lichid și conductele de legatură necesare instalației, deosebirea fiind utilizarea unuia sau mai multe răcitoare de gaz în locul clasicului condensator, condensarea partială a CO2 obținându-se în procesul de laminare. În figura 9 este reprezentată schema sistemului de climatizare care echipează autoturismul hibrid Toyota FCHV-4 .

Figura 9 Schema sistemului de climatizare cu CO2 pentru Toyota FCHV-4

Producătorul sistemului de climatizare, DENSO AUTOMOTIVE, precizează faptul că CO2 are o foarte bună capacitate de încălzire, ceea ce îl recomandă ca agent de pompă de căldură, în special în autoturismele electrice sau hibride care nu au altă sursă eficientă de încălzire a cabinei. În schema din figura 9, căldura cedată în răcitorul de gaz interior este folosită pentru încălzirea cabinei iar vaporizatorul răcește aerul necesar pentru răcirea cabinei pe timp de vară.

7.2Analiza sistemului de climatizare cu CO2. Maximizarea COP pentru ciclultranscritic cu subracireregenerativă

Acest subcapitol conține o analiză a performanțelor tehnico economice ale unei IFV cu CO2 care funcționează pe baza unui ciclu transcritic cu subrăcire regerativă, într-un sistem de climatizare, la următorii parametri impuși:

Date de intrare:

puterea frigorifică = 2 kW;

temperatura de vaporizare to = 5 °C;

Calculul termic este realizat cu ajutorul programului Engineering Equation Solver:

{Calculul ciclului frigorific cu CO2}

{DATE IMPUSE}

{Puterea frigorifica} QQo=2{kW}

{Temperatura de vaporizare} to=5{oC}

{Grad de subracire} dtsr=10{oC}

{Temperatura la iesirea din primul racitor} t3=50{oC}

{DETERMINAREA MARIMILOR DE STARE IN PUNCTELE CARACTERISTICE ALE CICLULUI}

{presiunea de vaporizare}

po=pressure(CarbonDioxide,t=to,x=1)

{Punctul 3}

h3=enthalpy(R744,p=p2,t=t3)

s3=entropy(R744,p=p2,t=t3)

v3=volume(R744,p=p2,t=t3)

{Punctul 4}

t4=t3-dtsr

h4=enthalpy(R744,p=p2,t=t4)

s4=entropy(R744,p=p2,t=t4)

v4=volume(R744,p=p2,t=t4)

{Punctul 6}

h6=enthalpy(R744,p=po,x=1)

s6=entropy(R744,p=po,x=1)

v6=volume(R744,p=po,x=1)

{Punctul 7}

h7=h6

s7=s6

v7=v6

{Punctul 1}

h1=h6+(h3-h4)

t1=temperature(R744,p=po,h=h1)

s1=entropy(R744,p=po,h=h1)

v1=volume(R744,p=po,h=h1)

dtsi=t1-to

{Punctul 2s}

{se adopta randamentul intern al compresorului} etac=0.90

s2s=s1

h2s=enthalpy(R744,p=p2,s=s2s)

{Punctul 2}

h2=h1+(h2s-h1)/etac

t2=temperature(R744,p=p2,h=h2)

s2=entropy(R744,p=p2,h=h2)

v2=volume(R744,p=p2,h=h2)

{Punctul 5}

h5=h4

s5=entropy(R744,p=po,h=h5)

x5=quality(R744,p=po,h=h5)

v5=volume(R744,p=po,h=h5)

{DETERMINAREA SCHIMBURILOR SPECIFICE PE CICLU}

{Puterea frigorifica specifica}

qo=h6-h5

{Sarcina termica specifica a primului racitor}

qr=h2-h3

{Sarcina termica specifica a schimbatorului ed caldura recuperativ}

qsr=h3-h4

qsi=qsr

{Lucrul mecanic specific de comprimare}

lc=h2-h1

{Debitul masic de agent frigorific}

m=QQo/qo

{Debitul volumic aspirat in compresor}

Va=m*v1

{DETERMINAREA FLUXURILOR DE CALDURA SI A PUTERII MECANICE CONSUMATE}

{Puterea mecanica consumata ed compresor}

PPc=m*lc

{Fluxul de caldura cedat in primul schimbator de caldura}

QQr=m*qr

{Fluxul de caldura schimbat in racitorul recuperativ}

QQsr=m*qsr

QQsi=m*qsi

{Coeficientul de performanta al ciclului frigorific}

COP=QQo/PPc

{Eroare inchidere ecuatie de bilant energetic}

Eroarebilantenerg=(QQo+PPc-QQr)/(QQo+PPc)*100

Tabel 1

Continuare tabel 1

7.3 Schema și ciclul IFV cu subrăcire regenerativă ce utilizează ca agent frigorific CO2

Schema cea mai generală cu o treaptă, precum și ciclul de funcționare transcritic sunt reprezentate în figurile 10 și 11.

Figura 10 Schema instalației ce utilizează ca agent frigorific CO2

Figura 11 Ciclul transcritic în coordonate p-h

7.4 Procesele din ciclul termodinamic

1 – 2 proces de comprimare a vaporilor de agent frigorific în compresor;

2 – 3 răcire izobară a vaporilor de CO2 în răcitorul de gaz;

3 – 4 răcire suplimentară (subrăcire) a CO2 gazos în subrăcitorul regenerativ;

4 – 5 proces izental (h=ct.) de laminare a agentului frigorific în ventilul de laminare;

5 – (6=7) proces de vaporizare izobar – izotermă a agentului frigorific în vaporizator;

7 – 1 supraîncălzirea vaporilor de CO2 în subrăcitorul regenerativ.

7.5 Studiu de sensibilitate parametrică în cazul ciclului frigorific

Parametrii punctului central:

= 2 kW

to = 5 oC

tsr = t3-t4 = 10 grd

-temperatura la ieșirea din răcitorul de gaz t3 = 50 oC (această situație corespunde funcționării reale a sistemului de climatizare al autoturismului vara, atunci cand temperatura mediului ambiant poate depăși 25…30 oC)

Variabila după care s-a efectuat optimizarea: presiunea la ieșirea din compresor p2 [bar].

Funcții obiectiv de maximizat: coeficientul de performanță COP.

Algoritmul de calcul conține următoarele ecuații principale:

Schimburile energetice specifice:

– puterea frigorifică specifică:

[kJ/kg]

– sarcina termică specifică a răcitorului de gaz:

[kJ/kg]

– sarcina termică specifică a subrăcitorului regenerativ:

[kJ/kg]

– lucru mecanic specific consumat de compresor:

[kJ/kg]în care este lucrul mecanic specific adiabat reversibil și este randamentul intern al comprimării care a fost adoptat la valoarea 0,90.

Debitul de CO2:

– debitul masic

[kg/s]

– debitul volumic aspirat în compresor

[m3/s]

Schimburile de energie din aparate:

– sarcina termică răcitorului de gaz

[kW]

– sarcina termică a subrăcitorului regenerativ

[kW]

– puterea mecanică pe care o consumă compresorul

[kW]

Ecuația de bilanț energetic:

Coeficientul de performanță:

[-]

7.6 Rezultatele studiului de sensibilitate parametrică

Rezultatele studiului sunt prezentate grafic în figurile 12,13,14. În ipoteza unui grad de subrăcire impus, constant tsr = t3-t4 = 10 grd, cu presiunea la ieșirea din compresor ca variabilă au fost trasate grafice pentru puterea consumată de către compresor (fig.12), debitul masic și volumic de agent vehiculat (fig.13), coeficientul de performanță COP (fig.14)

Figura 12 Puterea consumata de compresor

Figura 13 Debitul masic si volumic de agent vehiculat

Figura 14 Coeficientul de performanță

CONCLUZII

– La putere frigorifică impusă, constantă, puterea consumată de compresor Pc prezintă o valoare minimă la valoarea optimă a presiunii p2 = 119 bar (fig.12)

– Creșterea presiunii p2 antrenează scăderea debitului de agent frigorific necesar (fig.13)

– Figura 14 pune în evidență existența unei valori maxime a COP la o valoare optimă a presiunii de refulare din compresor p2 de 119 bar.

BIBLIOGRAFIE

1. Man-Hoe Kim, Jostein Pettersen, Clark W. Bullard, Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 119-74

2. Inokuty H. Graphical method of finding compression pressure of CO2 refrigerating machine for maximum coefficient of performance, The Fifth International Congress of Refrigeration, Rome, 1928, p.185-92

3. DENSO Automotive OEM Products www.globaldensoproducts.com/cc/co2/index.html

4. Lorentzen G, Pettersen J. New possibilities for non-CFC refrigeration. In. Pettersen J, editor, IIR INternational Symposium on Refrigeration, Energy and Environment, Trondheim, Norway, 1992. p. 147-63

5. Bhatti M. A critical look at R-744 and R-134a mobile air conditioning systems, SAE Paper No. 970527, 1997

6. Pettersen j, Skaugen G. Operation of trans-critical CO2 vapour compression systems in vehicle air conditioning. IIR International Conference of New Applications of Natural Working Fluids in Refrigeration Air Conditioning, Hanover, Germany, 1994, p.495-505

7. Andy Pearson New uses for an old refrigerant, Int. J. of Refrigeration 28 (2005), p. 1140-1149

8. D.W. Copley-Integration of heating, ventilation and refrigeration into vehicle design

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile..html

http://instal.utcb.ro/conferinta_2010/articole/tarlea_vinceriuc_2010…html

http://www.linde-gas.com/en/images/Linde%20R744%20Refrigerant%20Grade%20CO217-11496…html

http://www.termo.utcluj.ro/pcif/01curs…html

http://autoacsystem.com/faqs…html

www.sae.org

www.ashae.org

Instalaţii Frigorifice cu CO2

Dicționar englez-roman, Editura Tehnică