Vazão de ar afeta geada e degelo em bombas de calor para veículos elétricos
Em meio à crescente adoção de veículos elétricos, um desafio persistente continua a comprometer o conforto dos ocupantes e a eficiência energética em regiões de clima frio: o desempenho reduzido dos sistemas de climatização devido à formação de gelo nos trocadores de calor. Quando as temperaturas caem, especialmente em ambientes úmidos, os sistemas de bomba de calor, projetados para aquecer o interior do veículo, enfrentam um fenômeno natural, porém crítico — a acumulação de geada no evaporador externo. Esse processo não apenas reduz drasticamente a capacidade de aquecimento, como também aumenta o consumo de energia da bateria, impactando diretamente a autonomia do veículo. Um estudo recente conduzido por pesquisadores da Zhongyuan University of Technology trouxe novas evidências sobre um fator muitas vezes subestimado: o impacto da vazão de ar do ventilador interno sobre a formação e remoção de gelo em sistemas de bomba de calor para veículos elétricos.
O trabalho, liderado por Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo e Chu Xuejing, investigou experimentalmente como diferentes níveis de vazão de ar no lado interno do sistema afetam tanto a dinâmica de formação de geada quanto a eficiência do processo de degelo em um sistema de bomba de calor de compressão quase-biestágica, especificamente projetado para operar em condições de baixa temperatura. Os resultados, publicados na revista Energy Conservation, fornecem dados essenciais para engenheiros de automóveis que buscam otimizar o gerenciamento térmico em veículos elétricos de próxima geração, especialmente para mercados com invernos rigorosos.
Com o aumento da urbanização e a expansão da frota de veículos elétricos em todo o mundo, a demanda por sistemas de climatização eficientes e confiáveis no interior do veículo cresce em ritmo acelerado. Métodos tradicionais de aquecimento resistivo, embora simples e diretos, são extremamente onerosos em termos de consumo energético. Em temperaturas abaixo de 5 °C, o uso de resistências elétricas pode consumir uma parcela significativa da capacidade da bateria, reduzindo a autonomia do veículo em até um terço. Para mitigar esse problema, fabricantes de automóveis têm investido fortemente em tecnologia de bomba de calor, que, em condições ideais, pode fornecer até três vezes mais calor do que a energia elétrica que consome. No entanto, essa eficiência cai acentuadamente quando o ar externo está frio e úmido, pois a umidade atmosférica condensa e congela na superfície do trocador de calor externo, formando uma camada de gelo que atua como isolante térmico e obstrui o fluxo de ar.
Para superar essa limitação, o grupo de pesquisa desenvolveu e testou um sistema avançado baseado em compressão quase-biestágica com injeção de vapor em pressão intermediária. Essa arquitetura permite que o compressor opere com uma maior relação de compressão sem atingir temperaturas de descarga excessivas, o que é fundamental para a confiabilidade do sistema em climas frios. O sistema utiliza o refrigerante R1234yf, um fluido de trabalho de nova geração com baixo potencial de aquecimento global, alinhado com as regulamentações ambientais internacionais e substituto do mais antigo R134a.
Os experimentos foram realizados em um laboratório padrão de diferença de entalpia, garantindo condições ambientais rigorosamente controladas. Os testes seguiram as diretrizes da norma chinesa GB/T 37123–2018, que define as condições de operação para condicionadores de ar para veículos elétricos, com foco no modo de aquecimento. Os parâmetros fixos incluíram uma temperatura ambiente externa de 1 °C, umidade relativa de 70 %, rotação do compressor de 3.600 rpm, velocidade do ventilador externo de 4,5 m/s e superaquecimento das válvulas eletrônicas principais e de complemento definidos em 5 K e 10 K, respectivamente. A variável principal do estudo foi a vazão de ar do ventilador interno, testada em três níveis distintos: 60 %, 80 % e 100 % da capacidade máxima. Essa abordagem permitiu aos pesquisadores isolar o efeito da vazão de ar no lado do condensador (localizado no interior do veículo) sobre o comportamento termodinâmico do sistema durante ciclos prolongados de aquecimento, nos quais a formação de geada é inevitável.
Um dos achados mais relevantes do estudo foi a relação direta entre o aumento da vazão de ar interno e a queda da temperatura de evaporação. Com o ventilador interno operando a 60 % da capacidade, a temperatura do evaporador caiu de um valor inicial de 1,05 °C para -21,03 °C ao longo do ciclo de formação de geada. Ao aumentar a vazão para 80 %, a temperatura inicial foi de 0,46 °C, mas atingiu um mínimo de -22,55 °C. Na configuração de 100 %, a temperatura começou em -0,26 °C e chegou a -23,55 °C. Esse resfriamento progressivo ocorre porque uma maior vazão de ar melhora significativamente a transferência de calor no condensador interno. Para manter o balanço térmico, o sistema precisa extrair mais calor do ambiente externo, o que força o evaporador externo a operar em temperaturas cada vez mais baixas, acelerando o processo de nucleação e crescimento do gelo.
Apesar dos benefícios imediatos de uma troca térmica mais eficiente, esse aumento de desempenho inicial vem com um custo: uma degradação mais rápida da capacidade do sistema devido à geada. Os dados mostraram que, com 60 % de vazão de ar, a capacidade de aquecimento do sistema diminuiu 44,3 %, passando de um pico de 2,30 kW para 1,28 kW. Com 80 % de vazão, a redução foi de 42,2 %, com a potência caindo de 2,70 kW para 1,56 kW. Na configuração de 100 %, a capacidade caiu 42,8 %, de 3,40 kW para 1,78 kW. Esses números revelam um equilíbrio delicado: embora uma vazão de ar mais alta ofereça um aquecimento inicial mais potente, ela também leva o sistema a seu ponto de menor desempenho de forma mais acelerada à medida que a camada de gelo se forma.
Da mesma forma, o coeficiente de desempenho (COP), que mede a eficiência energética do sistema, seguiu uma tendência semelhante. Com 60 % de vazão, o COP caiu de 1,42 para 1,01 (uma redução de 28,8 %). Com 80 %, caiu de 1,65 para 1,20 (27,2 %), e com 100 %, de 2,01 para 1,45 (27,8 %). A leve melhoria na eficiência relativa com vazão de ar mais alta sugere que o sistema opera mais perto de seu ponto ideal antes que a geada se torne dominante. No entanto, todas as configurações sofreram perdas substanciais de eficiência à medida que o gelo se acumulava no trocador de calor de microcanais, cuja estrutura de aletas compactas é particularmente suscetível à obstrução.
O que torna este estudo especialmente valioso é sua análise não apenas da formação de geada, mas também do processo de degelo. Os pesquisadores utilizaram o método de degelo por inversão de ciclo, que inverte o fluxo do refrigerante por meio de uma válvula de quatro vias, transformando temporariamente o trocador interno em um evaporador e o trocador externo em um condensador. Isso permite que o gás refrigerante quente derreta a camada de gelo acumulada. Diferentemente dos sistemas de aquecimento auxiliar elétrico, este método utiliza o calor residual do próprio sistema, minimizando o consumo adicional de energia da bateria.
Durante os testes de degelo, a equipe observou que uma vazão de ar interno mais alta reduziu significativamente o tempo necessário para completar o processo. Com 60 % de vazão, o degelo levou 272 segundos. Esse tempo caiu para 248 segundos com 80 % de vazão (uma redução de 8,82 %) e para apenas 236 segundos com 100 % de vazão (uma redução de 13,24 %). Paralelamente, a temperatura média de condensação durante o degelo aumentou de 14,46 °C com 60 % de vazão para 16,26 °C com 80 % e 17,36 °C com 100 %. Esse aumento de temperatura é crucial, pois significa que mais energia térmica é fornecida ao trocador externo, acelerando o derretimento do gelo.
O mecanismo por trás dessa melhoria está na distribuição de calor. Com uma vazão de ar mais alta no trocador interno (agora funcionando como evaporador durante o degelo), o refrigerante absorve calor do ar do habitáculo de forma mais eficiente, resultando em um superaquecimento maior e um funcionamento do compressor mais estável. Isso gera um gás de descarga mais quente, que é enviado ao trocador externo, melhorando sua capacidade de degelo. Além disso, ciclos de degelo mais rápidos significam menos tempo sem aquecimento no interior do veículo, preservando o conforto dos ocupantes e reduzindo a necessidade de aquecimento suplementar.
Outro achado importante diz respeito ao tempo de formação de geada. Contrariamente ao que se poderia esperar, uma vazão de ar interno mais alta na verdade encurtou o tempo necessário para que a geada se desenvolvesse completamente no trocador externo. Com 60 % de vazão, foram necessários 103 minutos para o sistema atingir a geada completa. Com 80 %, esse tempo foi reduzido para 98 minutos (4,85 % mais rápido), e com 100 %, para apenas 95 minutos (7,77 % mais rápido). Isso indica que, embora uma vazão de ar alta acelere a degradação do desempenho, ela também aciona mais cedo a lógica de controle de degelo, potencialmente levando a ciclos de degelo mais frequentes, porém mais curtos. Para os fabricantes de automóveis, isso representa uma oportunidade de refinar as estratégias de início do degelo com base em condições de carga, vazão de ar e demanda térmica em tempo real.
As implicações deste estudo vão além do interesse acadêmico. À medida que os fabricantes buscam aumentar a autonomia dos veículos elétricos em climas frios, cada quilowatt-hora economizado no aquecimento do interior se traduz em quilômetros adicionais de alcance. Ao entender como a vazão de ar influencia tanto a formação de geada quanto o degelo, os engenheiros podem desenvolver algoritmos de controle mais inteligentes que ajustem dinamicamente a velocidade dos ventiladores com base nas condições ambientais, ocupação do veículo e demanda térmica. Por exemplo, em condições de frio leve, manter uma vazão de ar moderada poderia atrasar a formação de geada e prolongar a eficiência do aquecimento. Em situações de alta demanda, aumentar temporariamente a vazão poderia ser aceitável se garantir um degelo rápido e um conforto contínuo.
Além disso, o uso do R1234yf em um sistema quase-biestágico demonstra um caminho viável para veículos elétricos em climas frios. Embora mais caro e ligeiramente menos eficiente que algumas alternativas, este refrigerante oferece vantagens ambientais significativas e é compatível com a infraestrutura de serviço existente. Combinado com a tecnologia de injeção de vapor, ele permite uma operação confiável mesmo em temperaturas abaixo de zero, um requisito essencial para mercados no norte da China, Escandinávia, Canadá e norte dos Estados Unidos.
O estudo também destaca a importância de uma abordagem sistêmica para o gerenciamento térmico de veículos elétricos. Embora grande atenção seja dada ao resfriamento da bateria, o aquecimento do interior permanece um grande consumidor de energia. Otimizar a vazão de ar é uma solução de baixo custo, baseada em software, que não exige mudanças de hardware. Pequenos ajustes na lógica de controle do ventilador, informados por dados empíricos como os apresentados neste estudo, podem gerar melhorias mensuráveis na eficiência e na satisfação do usuário.
Olhando para o futuro, pesquisas adicionais poderiam explorar a interação entre a vazão de ar e outras variáveis, como a modulação do compressor, a carga de refrigerante e métodos avançados de detecção de geada. A integração de modelos de aprendizado de máquina para prever a formação de gelo com base em dados de sensores em tempo real — incluindo umidade, temperatura e pressão — poderia permitir um degelo preditivo, evitando ciclos desnecessários e melhorando ainda mais a eficiência.
Em conclusão, o trabalho de Zhou Guanghui, Wang Rui e seus colegas fornece uma análise abrangente do papel da vazão de ar no desempenho de sistemas de bomba de calor para veículos elétricos em condições frias e úmidas. Seus resultados demonstram que, embora velocidades mais altas do ventilador interno acelerem a formação de geada, elas também melhoram a velocidade e a eficiência do degelo, resultando em uma resposta do sistema mais rápida e tempos de inatividade mais curtos. Para a indústria automotiva, isso significa que o gerenciamento inteligente da vazão de ar não é apenas um recurso de conforto, mas um componente crítico do design térmico eficiente em termos de energia. À medida que os veículos elétricos continuam a penetrar em mercados mais frios, esses conhecimentos serão fundamentais para oferecer soluções de transporte confiáveis, confortáveis e sustentáveis.
Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo, Chu Xuejing, Zhongyuan University of Technology, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008