El flujo de aire afecta la escarcha y el deshielo en bombas de calor para vehículos eléctricos
En el desarrollo de la movilidad eléctrica, uno de los desafíos más persistentes para el confort y la eficiencia de los vehículos en climas fríos es el rendimiento degradado de los sistemas de gestión térmica debido a la acumulación de escarcha. Cuando las temperaturas invernales descienden, los sistemas de bomba de calor diseñados para calentar el habitáculo del vehículo enfrentan un obstáculo crítico: la formación de escarcha en los intercambiadores de calor exteriores. Este fenómeno no solo disminuye la capacidad de calefacción, sino que también incrementa el consumo energético y compromete el confort de los pasajeros. Un nuevo estudio experimental realizado por investigadores de la Universidad de Tecnología Zhongyuan ha arrojado luz sobre una variable crucial en esta ecuación: el volumen del flujo de aire.
La investigación, liderada por Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo y Chu Xuejing, examina cómo diferentes flujos de aire del ventilador interior afectan tanto el comportamiento de la escarcha como la eficiencia del deshielo en un sistema de bomba de calor de compresión cuasi-biestágica específicamente diseñado para vehículos eléctricos puros que operan en condiciones de baja temperatura. Sus hallazgos, publicados en la revista Energy Conservation, ofrecen valiosas perspectivas para los ingenieros automotrices que buscan optimizar los sistemas térmicos en los vehículos eléctricos de próxima generación.
A medida que la urbanización se acelera en China y la adopción global de vehículos eléctricos aumenta, la demanda de control climático eficiente y confiable en el habitáculo crece proporcionalmente. Los métodos tradicionales de calefacción resistiva, aunque efectivos, consumen una cantidad significativa de energía de la batería, reduciendo directamente el rango de conducción, una preocupación clave para los consumidores. En respuesta, los fabricantes de automóviles han recurrido cada vez más a la tecnología de bombas de calor, que puede entregar hasta tres veces más energía térmica de la que consume eléctricamente bajo condiciones favorables. Sin embargo, cuando las temperaturas ambientales caen por debajo de los 5 °C y los niveles de humedad aumentan, la bobina del evaporador exterior comienza a escarcharse, obstruyendo el flujo de aire y aislando la superficie de intercambio de calor. Esto conduce a una marcada disminución en el rendimiento del sistema.
Para abordar estas limitaciones, el equipo de investigación diseñó y probó una configuración avanzada de bomba de calor que incorpora una compresión cuasi-biestágica con inyección de vapor a presión intermedia. Esta arquitectura permite mayores relaciones de compresión sin temperaturas de descarga excesivas, lo que la hace particularmente adecuada para la operación en climas fríos. El sistema utiliza R1234yf, un refrigerante de nueva generación con un potencial de calentamiento global más bajo en comparación con el tradicional R134a, alineándose con las regulaciones ambientales globales y los objetivos de sostenibilidad.
La configuración experimental se realizó dentro de un laboratorio estándar de diferencia de entalpía, garantizando un control preciso sobre las variables ambientales. Las condiciones de prueba se establecieron de acuerdo con la norma nacional china GB/T 37123–2018, que se refiere a acondicionadores de aire accionados eléctricamente para automóviles, centrándose en las operaciones en modo de calefacción. Los parámetros clave incluyeron una temperatura ambiente exterior de 1 °C, una humedad relativa del 70 %, una velocidad del compresor fija a 3.600 rpm y una velocidad del ventilador exterior mantenida a 4,5 m/s. La variable principal bajo investigación fue el flujo de aire del ventilador interior, probado en tres niveles: 60 %, 80 % y 100 % de la capacidad máxima. Este enfoque permitió a los investigadores aislar el impacto del flujo de aire en el lado del habitáculo sobre el comportamiento termodinámico general del sistema, particularmente durante ciclos prolongados de calefacción donde inevitablemente ocurre la escarcha.
Una de las observaciones más significativas del estudio fue la correlación directa entre el aumento del flujo de aire interior y la disminución de la temperatura de evaporación. Con una velocidad del ventilador del 60 %, la temperatura del evaporador descendió de un valor inicial de 1,05 °C a -21,03 °C a medida que se acumulaba la escarcha. Cuando la velocidad del ventilador aumentó al 80 %, la temperatura inicial fue ligeramente inferior, en 0,46 °C, pero la temperatura final descendió aún más hasta -22,55 °C. La configuración más agresiva, al 100 % de velocidad del ventilador, comenzó en -0,26 °C y alcanzó -23,55 °C al final del ciclo de escarcha. Este efecto de enfriamiento progresivo subraya un principio fundamental en la transferencia de calor: un mayor flujo de aire mejora la transferencia de calor convectiva en el intercambiador de calor interior (que ahora actúa como condensador en el modo de calefacción), lo que a su vez exige una mayor absorción de calor del entorno exterior. A medida que la bobina exterior trabaja más para extraer calor del aire frío y húmedo, su temperatura superficial desciende por debajo del punto de rocío y eventualmente por debajo del punto de congelación, acelerando la nucleación y el crecimiento de la escarcha.
Sin embargo, los beneficios de una transferencia de calor mejorada vienen con compensaciones. Aunque un flujo de aire más alto mejora la producción de calefacción a corto plazo, también intensifica la tasa a la que el rendimiento se degrada con el tiempo debido a la escarcha. Los datos revelaron que con una velocidad del ventilador del 60 %, la capacidad de calefacción del sistema disminuyó en un 44,3 %, pasando de un máximo de 2,30 kW a 1,28 kW. Con un flujo de aire del 80 %, la reducción fue ligeramente menos severa, del 42,2 %, con la producción descendiendo de 2,70 kW a 1,56 kW. La configuración de flujo de aire más alto vio una disminución del 42,8 %, de 3,40 kW a 1,78 kW. Estas cifras destacan un equilibrio crítico: aunque un flujo de aire más alto proporciona una calefacción inicial más fuerte, el sistema alcanza su punto más bajo de rendimiento más rápidamente a medida que se acumula la escarcha.
De manera similar, el coeficiente de rendimiento (COP), una medida de la eficiencia energética, siguió una tendencia comparable. Con una velocidad del ventilador del 60 %, el COP cayó de 1,42 a 1,01, lo que representa una disminución del 28,8 %. Con un 80 %, disminuyó de 1,65 a 1,20 (27,2 %), y con un 100 %, de 2,01 a 1,45 (27,8 %). La ligera mejora en la eficiencia relativa a mayor flujo de aire sugiere que el sistema opera más cerca de su punto óptimo antes de que la escarcha domine. No obstante, todas las configuraciones experimentaron pérdidas sustanciales de eficiencia a medida que las capas de hielo se formaban en el intercambiador de calor exterior de microcanales, que, debido a su estructura de aletas compacta, es especialmente propenso a la obstrucción.
Lo que hace que este estudio sea particularmente valioso es su enfoque no solo en la escarcha, sino también en la dinámica del deshielo. Los investigadores emplearon el método de deshielo por ciclo inverso, que invierte el flujo del refrigerante utilizando una válvula de cuatro vías, convirtiendo la unidad interior en un evaporador y la bobina exterior en un condensador. Esto permite que el gas refrigerante caliente derrita la escarcha acumulada. A diferencia de los calentadores eléctricos auxiliares, este método utiliza el calor residual del sistema mismo, minimizando el consumo adicional de energía de la batería.
Durante las pruebas de deshielo, el equipo observó que un mayor flujo de aire interior reducía significativamente la duración del deshielo. Con una velocidad del ventilador del 60 %, el proceso tomó 272 segundos. Esto se redujo a 248 segundos con un flujo de aire del 80 %, un ahorro del 8,82 %, y se acortó aún más a 236 segundos con un flujo de aire del 100 %, marcando una reducción del 13,24 % en comparación con la configuración más baja. Concurrentemente, la temperatura media de condensación durante el deshielo aumentó de 14,46 °C con un flujo de aire del 60 % a 16,26 °C con un 80 %, y a 17,36 °C con un 100 %. Este aumento de temperatura es crucial: temperaturas de condensación más altas significan que se entrega más energía térmica a la bobina escarchada, acelerando la fusión del hielo.
El mecanismo detrás de esta mejora radica en una mejor distribución del calor. Con un mayor flujo de aire a través del intercambiador de calor interior (que ahora funciona como evaporador durante el deshielo), el refrigerante absorbe calor más eficientemente del aire del habitáculo, lo que lleva a un mayor sobrecalentamiento y una operación del compresor más estable. Esto resulta en un gas de descarga más caliente que se envía a la unidad exterior, mejorando la capacidad de deshielo. Además, ciclos de deshielo más rápidos significan menos tiempo pasado en un modo sin calefacción, preservando el confort del habitáculo y reduciendo la necesidad de calefacción suplementaria.
Otro hallazgo clave se relaciona con la duración de la escarcha. Contrariamente a lo que uno podría esperar, un mayor flujo de aire interior acortó efectivamente el tiempo necesario para que la escarcha se desarrollara completamente en la bobina exterior. Con un flujo de aire del 60 %, tomó 103 minutos que el sistema alcanzara una escarcha completa. Con un 80 %, esto se redujo a 98 minutos (un 4,85 % más rápido), y con un 100 %, a solo 95 minutos (un 7,77 % más rápido). Esto indica que, aunque un flujo de aire alto acelera la degradación del rendimiento, también activa la lógica de control de deshielo antes, lo que podría llevar a ciclos de deshielo más frecuentes pero más cortos. Para los fabricantes de automóviles, esto presenta una oportunidad para afinar las estrategias de inicio del deshielo basadas en condiciones de flujo de aire, carga y demanda térmica en tiempo real.
Las implicaciones de esta investigación van más allá del interés académico. A medida que los fabricantes de automóviles se esfuerzan por extender el rango de los vehículos eléctricos en climas fríos, cada kilovatio-hora ahorrado en la calefacción del habitáculo se traduce en kilómetros adicionales en la carretera. Al comprender cómo el flujo de aire influye tanto en la escarcha como en el deshielo, los ingenieros pueden diseñar algoritmos de control más inteligentes que ajusten dinámicamente las velocidades del ventilador según las condiciones ambientales, la ocupación y la demanda térmica. Por ejemplo, durante períodos de frío moderado, mantener un flujo de aire moderado podría retrasar la escarcha y extender la eficiencia de calefacción. Durante solicitudes intensas de calefacción, aumentar temporalmente el flujo de aire podría ser aceptable si garantiza un deshielo rápido y un confort sostenido.
Además, el uso de R1234yf en un sistema cuasi-biestágico demuestra un camino viable para los vehículos eléctricos en climas fríos. Este refrigerante, aunque más costoso y ligeramente menos eficiente que algunas alternativas, ofrece ventajas ambientales y compatibilidad con la infraestructura de servicio existente. Combinado con la tecnología de inyección de vapor, permite una operación confiable incluso en entornos subcero, una necesidad para mercados en el norte de China, Escandinavia, Canadá y el norte de Estados Unidos.
El estudio también subraya la importancia del pensamiento a nivel de sistema en la gestión térmica de vehículos eléctricos. Aunque gran atención se presta al enfriamiento de la batería, la calefacción del habitáculo sigue siendo un importante sumidero de energía. Optimizar el flujo de aire es una solución de bajo costo, impulsada por software, que no requiere cambios de hardware. Simples ajustes a la lógica de control del ventilador, informados por datos empíricos como los presentados en este artículo, pueden producir mejoras medibles en eficiencia y satisfacción del usuario.
Mirando hacia el futuro, futuras investigaciones podrían explorar la interacción entre el flujo de aire y otras variables como la modulación del compresor, la carga de refrigerante y métodos avanzados de detección de deshielo. La integración de modelos de aprendizaje automático para predecir la escarcha basada en entradas de sensores en tiempo real, incluyendo humedad, temperatura y presión, podría permitir un deshielo predictivo, evitando ciclos innecesarios y mejorando aún más la eficiencia.
En conclusión, el trabajo de Zhou Guanghui, Wang Rui y sus colegas proporciona un análisis exhaustivo del papel del flujo de aire en el rendimiento de los sistemas de bomba de calor para vehículos eléctricos en condiciones frías y húmedas. Sus resultados demuestran que, aunque velocidades más altas del ventilador interior aceleran la escarcha, también mejoran la velocidad y eficiencia del deshielo, conduciendo en última instancia a una mejor respuesta del sistema y tiempos de inactividad más cortos. Para la industria automotriz, esto significa que la gestión inteligente del flujo de aire no es simplemente una característica de confort, sino un componente crítico del diseño térmico eficiente en energía. A medida que los vehículos eléctricos continúen penetrando en mercados más fríos, tales conocimientos serán instrumentales para ofrecer soluciones de transporte confiables, cómodas y sostenibles.
Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo, Chu Xuejing, Universidad de Tecnología Zhongyuan, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008