Caracterización experimental y modelación de una bomba de calor reversible para un vehículo eléctrico

Experimental characterization and modelling of a reversible heat pump for electric automotive application

El sistema de aire acondicionado y de calefacción en los automóviles se utiliza principalmente por motivos de seguridad para garantizar que el conductor esté concentrado y con buena visibilidad durante la conducción. Para la calefacción, en los vehículos convencionales, se cuenta con una energía térmica considerable y a una excelente temperatura, esto debido al calor disipado por el motor a combustión. Los vehículos eléctricos no cuentan con esta fuente de calor, por lo que se debe suplir por algún sistema auxiliar como resistencias eléctricas o una bomba de calor. En el estudio que se desarrolla en esta investigación se propone utilizar una bomba de calor para la calefacción del automóvil. El objetivo que se plantea en este estudio es validar experimentalmente un principio de calefacción para automóviles eléctricos basado en una de bomba de calor reversible y desarrollar un modelo de simulación para explorar su desempeño a diferentes condiciones de operación. La bomba de calor se logró ensayar a temperaturas de hasta –10 ºC, obteniéndose COP superiores a 2,0 en todo el rango experimental. La modelación de la bomba de calor permite establecer que esta es capaz de funcionar en condiciones aceptables de hasta –10 ºC, con un COP del orden de 1,48 y un calor transferido por el radiador de 4,1 kW, con un flujo de aire impulsado a la cabina a 45 ºC, lo que permite mantenerla a temperaturas por sobre los 20 ºC.

INTRODUCCIÓN

Los vehículos eléctricos no gozan de una fuente de calor como los vehículos convencionales para utilizarla como fuente de calefacción de la cabina. Una alternativa es utilizar resistencias eléctricas, lo que es menos eficiente que otro tipo de tecnología como, por ejemplo, las bombas de calor. En la industria automóvil existen numerosas investigaciones relacionadas con el uso de bombas de calor para calefacción. Las referencias [1-3] analizan el uso de bombas de calor que utilizan una fuente de calor dual: aire ambiente y calor residual del sistema. Suzuki e Ishii [4] realizan un estudio similar al desarrollado en este estudio, obteniendo un COP de 2,3 y un flujo de calor de 2,3 kW para una bomba de calor operando a -10 °C.

En el estudio que se presenta en este trabajo se analiza una bomba de calor reversible, la que solo se analiza en modo calefacción. Esta utiliza como fuente de calor el aire ambiente. El sistema propuesto está constituido por componentes convencionales utilizados en un sistema de aire acondicionado de automóvil, al que se le ha agregado un circuito de agua con etileno glicol con un intercambiador de calor de placas y una válvula cuatro vías.