ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOTORES

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1 ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOTORES José Eduardo Mautone Barros José Guilherme Coelho Baêta JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 1

2 Sumário Cap. 1 Transferência de calor Cap. 2 Balanço térmico do motor Cap. 3 Dimensionamento do sistema de arrefecimento Cap. 4 Análise da combustão e transferência de calor no cilindro Cap. 5 Análise Computacional da combustão e transferência de calor no cilindro Cap. 6 Modelagem dinâmica do sistema de arrefecimento JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 2

3 Descrição do sistema de arrefecimento Funcionamento e componentes Radiador de Óleo Válvula termostática Óleo Válvula de alívio de óleo Ar Radiador Eletroventilador Motor Válv. de alívio de ar Bomba de Óleo Ar Compressor Água Bomba centrífuga Intercooler ECU Ar comprimido JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 3

4 Componentes principais (tipo) Radiador de água (trocador de calor compacto) Bomba de água (bomba centrífuga) Eletroventilador (ventilador) Válvula termostática (termostato) Intercooler (trocador de calor compacto) Radiador de óleo (trocador de calor compacto) Bomba de óleo (bomba de engrenagens) Válvula de alívio de óleo (pressostato) JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 4

5 Metodologia Especificar faixas de operação (normas, histórico, simulações e testes) Temperatura máxima na entrada do radiador (K) Aumento admissível de temperatura do ar no radiador (K) Carros de Passeio Utilitários (Euro 3) Avaliar as cargas térmicas, vazões e potências envolvidas Para cada componente: Especificar condições de operação Dimensionar Selecionar os componentes padrões mais próximos do especificado (superdimensionar) ou encomendar novo projeto (otimização) JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 5

6 Definições Coeficiente global de troca de calor U [W/(m 2 K)] Q = U A T média U A = 1 UA = 1 ha 1 R térmicas + 1 w ( ) h ( hsa) ( hsa) ( ) c h + R + 1 c + 1 ha JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 6

7 Definições Diferença de temperatura média logarítmica (DTML ou LMTD) JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 7

8 Definições Fator de correção para a DTML em função do arranjo de fluxos do trocador de calor (F) Razão adimensional de diferenças de temperaturas (P 1 ) Razão de capacidades térmicas (R 1 ) JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 8

9 Definições Fator de correção para a DTML em função do arranjo de fluxos do trocador de calor (F) para trocador de correntes cruzadas de fluidos não misturados e um único passe JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 9

10 Definições Capacidade térmica [W/K] do fluido mais quente C h = m h c ph Capacidade térmica do fluido mais frio C c = m c c pc Número de unidades de transmissão de calor (NUT ou NTU) = medida da eficiência termodinâmica do trocador JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 10

11 Definições Efetividade do trocador de calor () = quantidade real de calor transferida / quantidade máxima de calor possível de ser transferida JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 11

12 Metodologia Projeto Objetivo: cálculo das dimensões físicas do trocador Funcionamento Objetivo: cálculo da temperaturas de saída do trocador Procedimento iterativo assumindo as temperaturas de saída dos fluidos de trabalho e recalculando estas temperaturas pelo método da DTML ou pela efetividade JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 12

13 Bibliografia Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combustion engine handbook. Warrendale: SAE International, Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook of mechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 2ª ed., Welty, J. R., Wilson, R. E. et Wilcks, C. E. Fundamentals of momentum heat and mass transfer. New York: John Wiley & Sons, 2ª ed., JEMB & JGCB - Fevereiro de Prancha 13