Nuevo modelo mejora precisión en compresores de vehículos eléctricos
La transición hacia la movilidad eléctrica ha impulsado una carrera tecnológica no solo en baterías y motores, sino también en los sistemas auxiliares que garantizan el confort y la eficiencia del vehículo. Entre estos, el sistema de climatización desempeña un papel crucial, especialmente en condiciones climáticas adversas. A diferencia de los vehículos de combustión interna, que aprovechan el calor residual del motor para calentar el habitáculo, los vehículos eléctricos (VE) dependen exclusivamente de bombas de calor eléctricas. Este hecho convierte a la gestión térmica en un factor determinante para la autonomía, particularmente en invierno, cuando el consumo de energía para la calefacción puede reducir significativamente el alcance del vehículo.
En este contexto, la tecnología de compresión con inyección de vapor, también conocida como «inyección de gas» o «compresión en dos etapas», ha emergido como una solución prometedora para mejorar el rendimiento de las bombas de calor en VE. Este sistema permite inyectar refrigerante a presión y temperatura intermedias directamente en la cámara de compresión del compresor, lo que aumenta el caudal de refrigerante y, por ende, la capacidad de calefacción, mientras simultáneamente ayuda a reducir la temperatura de descarga del compresor, un parámetro crítico para la fiabilidad y la vida útil del componente. Sin embargo, el diseño y la optimización de estos compresores de tipo scroll (espiral) han estado limitados por la falta de modelos de simulación precisos que reflejen fielmente su comportamiento en condiciones reales de operación.
Un equipo de investigación liderado por Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun y Li Kang, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghái, junto con colaboradores del Instituto de Investigación y Diseño de Shanghái y del Instituto de Investigación de Incendios de Shanghái bajo el Ministerio de Gestión de Emergencias, ha publicado un estudio pionero en la revista Fluid Machinery que aborda precisamente esta limitación. Su trabajo presenta un modelo matemático unidimensional de simulación que incorpora por primera vez de manera integral dos fenómenos físicos clave que tradicionalmente han sido ignorados o simplificados en los modelos existentes: las fugas internas y la transferencia de calor.
La mayoría de los modelos termodinámicos utilizados en la industria para predecir el rendimiento de los compresores se basan en el proceso isentrópico idealizado. Este modelo asume que la compresión ocurre sin pérdidas de calor (adiabático) y sin fricción, y que no hay fugas de refrigerante entre las cámaras de trabajo. Aunque este enfoque es computacionalmente eficiente y proporciona una estimación rápida, sus predicciones distan mucho de la realidad operativa. En la práctica, siempre existen pequeñas holguras entre el scroll orbitante y el scroll fijo. Estas holguras crean caminos de fuga que permiten que el refrigerante de alta presión se escape hacia cámaras de menor presión, un fenómeno conocido como «fuga interna». Este proceso reduce el caudal de refrigerante efectivo, disminuye la eficiencia volumétrica del compresor y, por lo tanto, influye directamente en la capacidad de calefacción y el consumo de energía.
Además de las fugas, otro factor crítico que el modelo isentrópico pasa por alto es la transferencia de calor entre el refrigerante en las cámaras de compresión y las paredes metálicas del compresor. Durante el ciclo de compresión, el gas se calienta, y este calor se transfiere a las paredes más frías del scroll. Este intercambio térmico enfría el gas durante el proceso de compresión, lo que altera su trayectoria termodinámica y, en última instancia, afecta parámetros clave como la temperatura de descarga final. Ignorar este efecto lleva a una subestimación de la temperatura real, lo que puede resultar en sobrecalentamientos peligrosos en condiciones de operación extremas, comprometiendo la integridad del compresor.
El modelo desarrollado por el equipo de Li Kang, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Energética y de Potencia de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghái, representa un salto cualitativo al integrar dinámicamente estos dos fenómenos en su cálculo. El modelo divide el ciclo de compresión en pequeños incrementos angulares, siguiendo la rotación del eje principal. Para cada incremento, realiza un balance de masa y energía en cada cámara de trabajo. La masa total en la cámara se calcula considerando tres flujos: el refrigerante que entra por la línea de succión, el refrigerante adicional que se inyecta a través de los orificios de inyección de vapor, y la masa que se pierde debido a las fugas internas a través de las holguras axial y radial.
El cálculo de las fugas se basa en principios de flujo a través de orificios, distinguiendo entre flujo bloqueado (sónico) y flujo subcrítico, dependiendo de la relación de presión entre las cámaras adyacentes. Esto permite una predicción más realista del caudal de fuga, que varía con la velocidad del compresor, la presión de succión, la presión de descarga y la posición angular de la cámara. Simultáneamente, el modelo incorpora un coeficiente de transferencia de calor convectiva, derivado de correlaciones empíricas para intercambiadores de calor, para cuantificar la tasa de intercambio térmico entre el refrigerante y las paredes del scroll. Esta pérdida o ganancia de calor se suma al balance de energía, afectando directamente la temperatura y entalpía del gas en cada paso del cálculo.
Para validar la precisión de su modelo, los investigadores diseñaron y construyeron un banco de pruebas altamente especializado basado en el método de calorímetro de refrigerante secundario, un estándar de oro en la medición de rendimiento de compresores. El objeto de estudio fue un compresor scroll de línea corta con inyección de vapor, específicamente diseñado para aplicaciones en vehículos eléctricos, con una cilindrada de 38 cm³/r. El compresor estaba equipado con dos pares de orificios de inyección circulares, ubicados simétricamente en la placa de cubierta del scroll fijo.
Las pruebas se realizaron bajo condiciones de calefacción nominal en invierno, según la norma GB/T 22068—2018, con una temperatura de evaporación de -15 °C y una temperatura de condensación de 35 °C, lo que representa un escenario de gran estrés para cualquier sistema de bomba de calor. Las pruebas se llevaron a cabo a dos velocidades del compresor: 5.000 y 6.000 r/min, y con cinco diferentes presiones de inyección, incluyendo un estado sin inyección. El refrigerante utilizado fue R134a, común en aplicaciones automotrices, y el lubricante FVC68D.
Los resultados de la simulación se compararon exhaustivamente con los datos experimentales obtenidos en el banco de pruebas. La concordancia fue excepcional. Para todos los parámetros clave —caudal total de refrigerante, potencia del compresor, coeficiente de rendimiento de calefacción (COP), capacidad de calefacción y temperatura de descarga— el error máximo entre el modelo propuesto y los datos experimentales se mantuvo por debajo del 8%. En condiciones de 5.000 r/min, el error para la capacidad de calefacción fue de solo un 4.3% y para la temperatura de descarga, un notable 2.1%. Incluso a la velocidad más alta de 6.000 r/min, donde los efectos dinámicos son más pronunciados, los errores no superaron el 6.1% para la capacidad de calefacción y el 2.8% para la temperatura de descarga.
Este nivel de precisión contrasta fuertemente con el rendimiento del modelo isentrópico tradicional. Cuando se utilizaron las mismas condiciones de prueba, el modelo isentrópico mostró errores de hasta un 20%. Este modelo, al no considerar las fugas ni la transferencia de calor, predice un caudal de refrigerante excesivamente alto, lo que conduce a una sobreestimación de la capacidad de calefacción y del COP, y a una subestimación peligrosa de la temperatura de descarga. Esta discrepancia no es solo un problema académico; puede llevar a errores de diseño costosos, como dimensionar un sistema de refrigeración insuficiente para el compresor, con el riesgo de fallos prematuros en el campo.
El estudio también reveló hallazgos operativos de gran relevancia. Uno de los más interesantes fue la observación de que aumentar la presión de inyección no siempre reduce la temperatura de descarga. En ciertos puntos, cuando la presión (y por tanto la temperatura) del refrigerante inyectado es más alta que la temperatura del gas parcialmente comprimido en la cámara en el momento de la inyección, el refrigerante inyectado no enfría el gas, sino que lo calienta. Este efecto de recalentamiento explica por qué la temperatura de descarga puede aumentar nuevamente a presiones de inyección muy altas, un fenómeno que debe ser cuidadosamente gestionado por los algoritmos de control del vehículo.
Además, el modelo demostró ser capaz de capturar la influencia de la velocidad del compresor. A velocidades más altas, el tiempo de residencia del gas en cada cámara disminuye, reduciendo la oportunidad para la transferencia de calor con las paredes. Esto hace que el proceso sea más adiabático, lo que tiende a aumentar la temperatura de descarga. Sin embargo, las velocidades más altas también generan gradientes de presión más altos, lo que incrementa las tasas de fuga, un efecto que tiende a disminuir el caudal efectivo y, por lo tanto, la capacidad de calefacción. El modelo unidimensional propuesto equilibra con éxito estos efectos opuestos, proporcionando una predicción coherente y realista.
Las implicaciones de este trabajo para la industria automotriz son profundas. Un modelo de simulación tan preciso actúa como un acelerador para el desarrollo de nuevos productos. Los ingenieros de sistemas térmicos pueden ahora explorar virtualmente una amplia gama de diseños de compresores, posiciones de orificios de inyección, perfiles de scroll y estrategias de control, todo ello sin la necesidad de construir múltiples prototipos físicos. Esto no solo reduce drásticamente los tiempos de desarrollo y los costos asociados, sino que también permite una optimización más profunda del sistema. Por ejemplo, el modelo puede usarse para determinar el momento óptimo de apertura de la válvula de inyección o para diseñar geometrías de orificios que minimicen las pérdidas de carga.
La capacidad de predecir con precisión la temperatura de descarga es esencial para garantizar la seguridad y la durabilidad. Temperaturas excesivas pueden degradar el lubricante, provocar la descomposición del refrigerante y causar daños mecánicos por dilatación térmica. Con este modelo, los fabricantes pueden simular escenarios de peor caso y diseñar sistemas de gestión térmica pasiva y activa más robustos, asegurando que el compresor opere dentro de sus límites de temperatura seguros bajo todas las condiciones.
En última instancia, esta investigación contribuye directamente a la meta final de los vehículos eléctricos: maximizar la autonomía y el confort del usuario. Una bomba de calor más eficiente consume menos energía de la batería para calentar el habitáculo. Esto se traduce directamente en más kilómetros de alcance, especialmente en climas fríos, reduciendo la ansiedad por la autonomía y mejorando la experiencia del conductor. El trabajo de Hu Jiayun y sus colegas no es solo un avance técnico; es un paso concreto hacia vehículos eléctricos que sean verdaderamente viables en todo tipo de entornos climáticos.
Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun, Li Kang. Thermodynamic study of vapor injection scroll compressors for electric vehicles considering internal leakage and heat transfer. Fluid Machinery, 2024, 52(11): 97-104. doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2024.11.013