ESUDO DA RANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOORES José Eduardo Mautone Barros José Gulherme Coelho Baêta JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 1
Perfl dos nstrutores José Eduardo Mautone Barros Doutor em Engenhara Mecânca Área de Motores de Combustão Interna UFMG Mestre em Engenhara Aeronáutca, Área de Propulsão IA 23 anos de experênca em projetos de desenvolvmento na ndústra aeroespacal e na academa Desenvolvmento de motores foguetes (Lançador de satélte VLS, Míssl MAA-1.1 Pranha, Míssl MSS-1.2, Sstema ASRO Avbras) Desenvolvmento de protécncos ( Arbag, Parafusos explosvos, Válvulas, Cordões de corte) Ensaos de turbocompressores e smulações Smulações de motores de combustão nterna JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 2
Perfl dos nstrutores José Gulherme Coelho Baêta Doutorando em Engenhara Mecânca, Área de Motores de Combustão Interna UFMG Especalsta em Engenhara Automotva PUC-MG 10 anos de experênca em projetos de desenvolvmento na ndústra automotva (FIA) Desenvolvmento de técncas de calbração expermental de centras eletrôncas de motores de combustão nterna Desenvolvmento de motores multfuel sobrealmentados JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 3
Sumáro Cap. 1 ransferênca de calor Cap. 2 Balanço térmco do motor Cap. 3 Dmensonamento do sstema de arrefecmento Cap. 4 Análse da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 5 Análse Computaconal da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 6 Modelagem dnâmca do sstema de arrefecmento JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 4
Modos de transferênca de calor Importânca A transferênca de calor afeta o desempenho, a efcênca e as emssões dos motores através dos seguntes parâmetros: emperatura e pressão dos gases de combustão (afeta potênca útl) Consumo específco de combustível Detonação (troca de calor para os gases não quemados) que lmta a taxa de compressão Aquecmento da válvula de exaustão (afeta a efcênca volumétrca de admssão) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 5
Modos de transferênca de calor Importânca A transferênca de calor afeta o desempenho, a efcênca e as emssões dos motores através dos seguntes parâmetros: Emssões de CO e HC quemados na exaustão emperatura dos gases de exaustão (EG) que controla turbocompressores e recuperadores Aquecmento do óleo (maor atrto) Expansão térmca dos componentes (pstão, anés, clndro, cabeçote, etc.) Carrega o sstema de resframento e seus acessóros JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 6
Modos de transferênca de calor Ordens de grandezas emperatura máxma típca do gás quemado: 2200 ºC (2500 K) emperatura máxma do materal da parede do clndro: Ferro funddo 400 ºC (673 K) Lgas de alumíno 300 ºC (573 K) Lubrfcante 180 ºC (453 K) Pco de fluxo de calor para as paredes do clndro: 0,5 a 10 MW/m 2 JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 7
Modos de transferênca de calor Condução q q Modo de transferênca em sóldos e líqudos em repouso A ntensdade é função do materal e do gradente de temperatura É o modo de transferênca de calor no cabeçote, paredes do clndro, pstão, bloco e coletores CN CNx Q k A Q x d k A dx onde, q = fluxo de calor (W/m 2 ) k = condutbldade térmca (W/m/K) A = área transversal de transferênca (m 2 ) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 8
Modos de transferênca de calor Convecção Modo de transferênca entre fludos e uma superfíce sólda A ntensdade é função do fludo, do movmento relatvo da dferença de temperaturas No motor a convecção é forçada, em regme turbulento, pos exste bombeamento dos fludos Depende de relações empírcas específcas para cada tpo de escoamento e geometra É o modo de transferênca de calor entre os gases e líqudos e as paredes dos componentes do motor JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 9
Modos de transferênca de calor Convecção onde, q q CV CV Q A h h = coefcente de transferênca de calor por convecção (W/m 2 /K) g Q h A g w,g w = temperatura da superfíce da parede sólda (K) = temperatura méda do fludo (K) Subscrtos, g = gás c = fludo de resframento (água ou ar) c w,c c JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 10
Modos de transferênca de calor Radação Modo de transferênca entre corpos quentes e fros por meo de emssão e absorção de ondas eletromagnétcas A ntensdade é função da dferença de temperaturas Depende de parâmetros de forma, absorção e emssvdade específcos para cada tpo materal e geometra É um modo secundáro de transferênca de calor entre os gases quentes durante a quema e as paredes do clndro É mas sgnfcatvo em motores de gnção por compressão (cclo Desel) devdo a presença de fulgem durante uma fase da quema do combustível no clndro Exste radação térmca provenente do coletor de escape JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 11
Modos de transferênca de calor Radação onde, q R Q A F f ε σ 4 g 4 w,g σ = constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m 2 /K 4 ε = emssvdade F f = fator de forma w = temperatura da superfíce da parede sólda (K) g = temperatura méda do fludo (K) Subscrto g = gás JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 12
Modos de transferênca de calor Mecansmo combnado de transferênca de calor no clndro q q q q CVg R CN Regme transente (aproxmação quase-permanente) Escoamento turbulento rdmensonal (aproxmação undmensonal) CVc JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 13
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor emperaturas no pstão emperatura maor no centro do pstão Os pontos na fgura são valores meddos e as solnhas são calculadas em um motor cclo Otto JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 14
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor Pstão de motores cclo Desel são 50 ºC mas quentes JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 15
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor emperaturas na parede do clndro em um motor cclo Desel O topo é mas quente devdo a quema A carga térmca devdo a frcção é sgnfcatva JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 16
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor Altas temperaturas entre as válvulas do cabeçote (Otto) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 17
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor emperaturas na válvula de exaustão (cclo Desel) Em válvulas pequenas a base recebe a maor carga térmca Em válvulas grandes a sede recebe a maor carga térmca JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 18
Análse térmca do motor Efeto nos componentes do motor Fluxo de calor calculados em dversas regões do pstão A carga térmca é mas elevada na cabeça do pstão Motores cclo Desel possuem canas de resframento entre a cabeça e a saa do pstão JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 19
Análse térmca do motor Efeto das varáves do motor O parâmetro de calor total (100%) é a energa do combustível (massa de combustível njetada vezes o poder calorífco nferor) A perda de calor relatva a energa total dmnu com o aumento da velocdade de rotação A perda de calor absoluta aumenta com o aumento da velocdade de rotação O fluxo de calor é máxmo para lambda gual a 0,91 (mstura rca) para a gasolna A perda de calor relatva (28%) é maor para lambda gual a 1,0 (mstura estequométrca) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 20
Análse térmca do motor Efeto das varáves do motor O aumento da razão de compressão dmnu a perda de calor relatva, mas aumenta o fluxo de calor total Aumentando o ângulo de avanço em relação ao ponto morto superor (PMS) reduz-se a perda de calor relatva O swrl (rotação) e o sqush (estrangulamento) aumentam a perda de calor relatva devdo ao aumento da velocdade do gás no nteror do clndro O aumento da temperatura do fludo de resframento aumenta dretamente a temperatura dos componentes nternos do motor O aumento da temperatura de admssão aumenta a perda de calor relatva JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 21
Análse térmca do motor Efeto das varáves do motor A ocorrênca de detonação provoca um aumento da perda de calor relatva em função do aumento da temperatura e pressão de quema. O fluxo é aumentado em 3 a 4 vezes. Os materas mas comuns da parede do clndro são o ferro funddo e o alumíno, que restrngem as temperaturas a faxa de 200 a 400 ºC O revestmento cerâmco permte aumentar a temperatura de trabalho dos gases, contudo o aumento da temperatura das paredes prejudca a admssão de mstura e faclta a detonação A carga térmca nos componentes é cíclca e provoca varações de temperatura de aproxmadamente 20 K por cclo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 22
Análse dmensonal Varáves envolvdas Aplcada a convecção no nteror do clndro do motor que a maor parte do fluxo gerado f h,q,d, L, y,,k, μ, ρ, c,v, N,θ 0 c ch p h c = coefcente de transferênca de calor por convecção q ch = taxa de calor gerada por volume pela quema do combustível D = dâmetro do clndro L = altura máxma do clndro y = altura nstantânea do clndro k = condutbldade térmca do fludo μ = vscosdade do fludo c p = calor específco do fludo ρ = densdade do fludo v = velocdade méda do fludo N = velocdade de rotação θ = ângulo do vrabrequm = temperatura do fludo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 23
Análse dmensonal Grupos admensonas Aplcando a técnca da análse dmensonal (ver cap. 11 de Welty, Wlson et Wlcks, 1976 ) são gerados os seguntes grupos admensonas, após algumas combnações de grupos: F hc D k ρ v D, μ Nusselt, cp μ cp,,, 2 k v Reynolds, N D v Prandtl,, L D q ch, ρc N Mach... p, y D, θ θ f 0 JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 24
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção Nu hc D k Re ρvd μ Pr Forma de relaconamento proposta para problemas de convecção forçada em dutos clíndrcos (a, m, n e z são constantes) c p k μ Nu m a Re n Pr L D z JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 25
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção A vscosdade (μ) é devda a nterações moleculares nos gases e líqudos. A movmentação entre as camadas gera uma força de csalhamento ao longo do fludo. A dfusvdade é um parâmetro em um formato mas adequado ao modelo de transferênca de quantdade de movmento. ν = μ/ρ = dfusvdade de quantdade de movmento (m 2 /s) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 26
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção No. de Reynolds Forcas de nérca / Forças vscosas As forças de nérca causam movmentos macroscópcos de porções do fludo que dsspam energa. Re v D ν JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 27
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção A condutbldade térmca (k) é devda a nterações moleculares nos gases e líqudos e ao movmento de elétrons nos sóldos que levam a uma alteração de temperatura local. A dfusvdade térmca (α) é um parâmetro dervado dretamente relaconado com (k) que possu um formato mas adequado ao modelo de transferênca de calor (m 2 /s) α k ρ c p JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 28
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção No. de Prandtl Dfusvdade de quantdade de movmento / dfusvdade térmca Pr μ ρ k ρc p JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 29
Análse dmensonal Grupos admensonas para convecção hc D Nu k No. de Nusselt Condutbldade por convecção do fludo / condutbldade por condução JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 30
Análse dmensonal Pontos mportantes no uso das correlações Velocdade a ser usada no número de Reynolds emperatura méda do gás emperatura de referênca para os cálculos das propredades Abrangênca da correlação, ou seja, ela gera coefcentes de transferênca de calor para fluxo nstantâneo ou pra o fluxo médo em um cclo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 31
rocadores de calor compactos Crcuto prncpal de resframento Válvula termostátca Radador Motor Bomba centrífuga JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 32
rocadores de calor compactos Crcuto prncpal de resframento (exemplo) Motor FIRE 1.3 16V Líqudo de arrefecmento: mstura de água + 30% de Paraflu Radador com tubos e aletas em alumíno e caxa plástca Pressão de trabalho a quente: 1,4 bar Vazão = 6,5 m 3 / h a 5000 rpm da bomba, pressão de 1 bar e temperatura do líqudo de 90ºC, potênca de 0,20 kw Válvula termostátca nstalada na regão posteror do cabeçote (fechada para temperaturas menores que 87ºC ± 2ºC) Eletroventlador com duas velocdades e comandado dretamente pela ECU (centralna) de njeção eletrônca (1º velocdade = 97ºC e 2º velocdade = 101ºC) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 33
rocadores de calor compactos Crcutos auxlares de resframento Radador de óleo Intercooler JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 34
rocadores de calor compactos Crcutos auxlares de resframento Radador de óleo : tem a função de manter a temperatura do óleo entre 85 e 120 ºC quando o motor funcona frequentemente com cargas elevadas e em alta rotação Intercooler : tem a função de abaxar a temperatura do ar e admssão após a compressão (ex: FIRE FLEX 1.3 8V com turbo G12, de 95 ºC para 60 ºC) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 35
rocadores de calor compactos pos de radadores Compactos são trocadores de calor gás-fludo com uma densdade de área de troca de calor superor a 700 m 2 /m 3 O lmte atual nos trocadores comercas é de 3300 m 2 /m 3 pos: Placas corrugadas; Placas e tubos; Regeneradores e Placas paralelas Os de placas e tubos são usados em veículos JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 36
rocadores de calor compactos pos de radadores Placas e ubos (Ar ) (Água) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 37
rocadores de calor compactos pos de radadores Quanto ao sentdo de crculação da água Vertcal Horzontas JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 38
rocadores de calor compactos Métodos de cálculo de equpamentos Os métodos a segur são usados para dmensonar o tamanho do trocador ou calcular as temperaturas de operação (entrada e saída) para cada fludo Método da dferença de temperatura méda logarítmca (DML ou DM ou MD) Método da efetvdade do trocador de calor (ε-nu) (NU ou NU é o número de undades de transferênca de calor do trocador) Método modfcado da efetvdade (P-NU) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 39
rocadores de calor compactos Métodos de cálculo de equpamentos O coefcente global de transferênca de calor vara de 50 a 150 kcal/h/m 2 /ºC O coefcente de perda de pressão é calculado usando o fator de atrto de Fannng em função do número de Reynolds e de parâmetros geométrcos do trocador de calor Um fator de entupmento deve ser usado para radadores sujos que depreca a área de troca de calor JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 40
Propredades dos fludos de trabalho Levantamento de propredades Gráfcos e tabelas de lvros e manuas ( handbooks ) de propredades Relações matemátcas para estmatva das propredades termodnâmcas e de transporte dos fludos As smulações matemátcas exgem que as propredades estejam convertdas em modelos matemátcos padrões JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 41
Propredades dos fludos de trabalho Equação dos gases deas Relação consttutva válda para gases até 30 bar (3x10 6 Pa) (para pressões até 100 bar (1x10 7 Pa) o erro é nferor a 1,5%) P ρr R M R constantedo gás M pesomolecular dogás (kg/kgmol) R 8314 J/kgmol/K constanteunversal dos gases deas JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 42
JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 43 Propredades dos fludos de trabalho Equações das propredades de termodnâmcas Polnômos JANNAF para cada espéce químca (NASA SP-273) 4 5 3 4 2 3 2 1 p a a a a a R c a 5 a 4 a 3 a 2 a a R h 6 4 5 3 4 2 3 2 1 0 7 4 5 3 4 2 3 2 1 0 a 4 a 3 a 2 a a ln a R s
Propredades dos fludos de trabalho Equações das propredades de termodnâmcas Valores ntegras para entalpa, entropa e energa lvre de Gbbs (referênca 298,15 K e 101325 Pa ) h s 0 0 g c h p s 0, 0 0 c p d s 0, 0 0 d h JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 44
Propredades dos fludos de trabalho Equações das propredades de transporte Vscosdade e dfusvdade térmca (NASA M-4513) μ ln 1x10-7 b 1 ln b 2 b 3 2 b 4 kg m s α ln 1x10-4 c 1 ln c2 c 3 2 c 4 W m K JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 45
Propredades dos fludos de trabalho Equações das propredades lgadas a compressbldade Razão de calores específcos e número de Prandtl γ f c c p v c p c p R Pr 4 γ 9 γ f f 5 Relação de Eucken JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 46
JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 47 Propredades dos fludos de trabalho Equações para msturas de gases fração mássca fração molar (volumétrca) N 1 N 1 M R C R C R ρ ρ m m C M M C n n X N 1 M X M
JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 48 Propredades dos fludos de trabalho Equações para msturas de gases N 1 0 0 ln X X R P P ln R s s N 1 N 1 M X M X μ μ N 1 3 N 1 3 M X M X α α
Propredades dos fludos de trabalho Líqudos e msturas de duas fases As propredades termodnâmcas e de transporte de um líqudo podem segur os polnômos propostos para os gases A faxa de temperatura correspondente a valdade dos dados deve ser colocada com cudado As regras de cálculo termodnâmco de duas fases devem ser respetadas quando gás e líqudo estverem presentes JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 49
JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 50 Propredades dos fludos de trabalho Regressão lnear por mínmos quadrados Para os dados termodnâmcos pode-se usar as rotna prontas de regressão polnomal Para os dados de transporte deve-se resolver o segunte sstema : 2 4 3 2 1 pontos 2 2 4 3 2 3 2 2 2 ln μ ln μ ln μ ln ln μ b b b b n 1 1 ln 1 1 1 ln 1 1 1 ln ln ln ln ln
Propredades dos fludos de trabalho Fludos envolvdos Ar, deve ser tratado como uma mstura de N 2, O 2 e Ar Gases de combustão, devem ser tratados como uma mstura de gases de quema contendo no mínmo N 2, O 2, Ar, CO, CO 2 e H 2 O, cuja composção fo calculada por um modelo de equlíbro químco ou de cnétca químca Água e adtvos (líqudo), o adtvo a base de monoetlenoglcol (40 a 50 % v/v) muda a temperatura de ebulção(+170 ºC) e soldfcação(-35 ºC) Óleo lubrfcante (líqudo), usar valores de propredades para uma composção base JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 51
Propredades dos materas do motor Lgas em contato com os fludos Materal Massa específca (kg/m 3 ) Calor específco (J/kg/K) Condutbldade térmca (W/m/K) Dfusvdade térmca (m 2 /s) Ferro funddo 7200 480 54 1,57x10-5 Alumíno 2750 915 155 6,2x10-5 Ntreto de slíco 2500 710 10 2,8x10-6 Revestmento de Zrcona 5200 732 1,2 3,2x10-7 JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 52
Bblografa Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão nterna aplcando análse orentada a objetos. Belo Horzonte: ese de Doutorado, Engenhara Mecânca, UFMG, 2003. Gacosa, D. Motor endotermc. Mlano: Hoepl, 15ª ed., 2000. Gordon, S. et McBrde, B. J. Computer program for calculaton of complex chemcal equlbrum composton, rocket performance, ncdent and reflected shocks, and Chapman-Jouguet detonatons. NASA SP-273. Washngton,D.C.: NASA, 1971. Heywood, J. B. Internal combuston engne fundamentals. New York: McGraw-Hll, 1988. Kreth, F. Prncípos da transmssão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977. McBrde, B. J., Gordon S. et Reno M. A. Coeffcents for calculatng thermodynamc and transport propertes of ndvdual speces. NASA echncal Memorandum 4513. Washngton, D.C.: NASA, 1993. JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 53
Bblografa Perry, R. H. et Chlton, C. H. Chemcal engneers handbook. 5ª ed. okyo: McGraw-Hll, 1974. Shah, R. Compact heat exchangers. In: he CRC handbook of mechancal engneerng. Kreth, F. et Goswam, D. Y. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005. Welty, J. R., Wlson, R. E. et Wlcks, C. E. Fundamentals of momentum heat and mass transfer. New York: John Wley & Sons, 2ª ed., 1976. JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 54
ESUDO DA RANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOORES José Eduardo Mautone Barros José Gulherme Coelho Baêta JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 1
Sumáro Cap. 1 ransferênca de calor Cap. 2 Balanço térmco do motor Cap. 3 Dmensonamento do sstema de arrefecmento Cap. 4 Análse da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 5 Análse Computaconal da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 6 Modelagem dnâmca do sstema de arrefecmento JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 2
Radador Eletroventlador Descrção do sstema de arrefecmento Funconamento e componentes Radador de Óleo Válvula termostátca Óleo Válvula de alívo de óleo Bomba de Óleo Ar Motor Válv. de alívo de ar Ar Compressor Água Bomba centrífuga Intercooler ECU Ar comprmdo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 3
Dmensonamento Componentes prncpas (tpo) Radador de água (trocador de calor compacto) Bomba de água (bomba centrífuga) Eletroventlador (ventlador) Válvula termostátca (termostato) Intercooler (trocador de calor compacto) Radador de óleo (trocador de calor compacto) Bomba de óleo (bomba de engrenagens) Válvula de alívo de óleo (pressostato) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 4
Dmensonamento Metodologa Especfcar faxas de operação (normas, hstórco, smulações e testes) Carros de Passeo Utltáros (Euro 3) emperatura máxma na entrada do radador (K) 80 65 Aumento admssível de temperatura do ar no radador (K) 35 15 Avalar as cargas térmcas, vazões e potêncas envolvdas Para cada componente: Especfcar condções de operação Dmensonar Seleconar os componentes padrões mas próxmos do especfcado (superdmensonar) ou encomendar novo projeto (otmzação) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 5
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Coefcente global de troca de calor U [W/(m 2 K)] Q UA méda U A 1 UA 1 ha 1 R térmcas 1 w h h sa h sa c h R 1 c 1 ha JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 6
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Dferença de temperatura méda logarítmca (DML ou LMD) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 7
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Fator de correção para a DML em função do arranjo de fluxos do trocador de calor (F) Razão admensonal de dferenças de temperaturas (P 1 ) Razão de capacdades térmcas (R 1 ) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 8
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Fator de correção para a DML em função do arranjo de fluxos do trocador de calor (F) para trocador de correntes cruzadas de fludos não msturados e um únco passe JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 9
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Capacdade térmca [W/K] do fludo mas quente C h = m h c ph Capacdade térmca do fludo mas fro C c = m c c pc Número de undades de transmssão de calor (NU ou NU) = medda da efcênca termodnâmca do trocador JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 10
Dmensonamento rocadores de calor compactos Defnções Efetvdade do trocador de calor (ε) = quantdade real de calor transferda / quantdade máxma de calor possível de ser transferda JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 11
Dmensonamento rocadores de calor compactos Metodologa Projeto Objetvo: cálculo das dmensões físcas do trocador Funconamento Objetvo: cálculo da temperaturas de saída do trocador Procedmento teratvo assumndo as temperaturas de saída dos fludos de trabalho e recalculando estas temperaturas pelo método da DML ou pela efetvdade JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 12
Bblografa Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão nterna aplcando análse orentada a objetos. Belo Horzonte: ese de Doutorado, Engenhara Mecânca, UFMG, 2003. Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combuston engne handbook. Warrendale: SAE Internatonal, 2004. Kreth, F. Prncípos da transmssão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977. Shah, R. Compact heat exchangers. In: he CRC handbook of mechancal engneerng. Kreth, F. et Goswam, D. Y. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005. Welty, J. R., Wlson, R. E. et Wlcks, C. E. Fundamentals of momentum heat and mass transfer. New York: John Wley & Sons, 2ª ed., 1976. JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 13
ESUDO DA RANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOORES José Eduardo Mautone Barros José Gulherme Coelho Baêta JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 1
Sumáro Cap. 1 ransferênca de calor Cap. 2 Balanço térmco do motor Cap. 3 Dmensonamento do sstema de arrefecmento Cap. 4 Análse da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 5 Análse Computaconal da combustão e transferênca de calor no clndro Cap. 6 Modelagem dnâmca do sstema de arrefecmento JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 2
Modelagem dnâmca do sstema de arrefecmento Objetvos Prever a resposta no tempo das temperaturas do sstema de arrefecmento e de lubrfcação, ou seja, tempo de warm-up Prever as temperaturas establzadas de funconamento do sstema de arrefecmento e de lubrfcação para dferentes regmes de carga no motor e velocdade do veículo Prever alterações no desempenho do motor devdo as alterações nas temperatura da camsa de água e do óleo Prever alterações nas condções de lubrfcação devdo a alterações na temperatura do óleo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 3
Modelagem dnâmca do sstema de arrefecmento 1 MOOR ALERNAIVO A PISÃO RecprocatngEngne 1 1 FLUIDO RESFRIANE CoolngFlud usa 1 1 1 1 1 ALEAS Fns VENOINHA Blower RADIADOR Radator BOMBA D'ÁGUA Bomb 1 SISEMA DE RESFRIAMENO IdealCoolngSystem Modelagem Usando a orentação a objetos (OOA) RESFRIAMENO A AR ArCoolngSystem RESFRIAMENO A ÁGUA WaterCoolngSystem JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 4
Radador Eletroventlador Modelagem do crcuto de água Modelos e parâmetros Motor (gerador de potênca e calor) Bomba (consumdor de potênca e cra fluxo de água) Eletroventlador (consumdor de potênca e cra fluxo de ar) Válvula (lmtador) Radador (trocador de calor) Fludos: Ar e água ou solução de glcos Ar Válvula termostátca Motor Água Bomba centrífuga ECU JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 5
Modelagem do crcuto de óleo Modelos e parâmetros Motor (gerador de potênca e calor) Bomba (consumdor de potênca e cra fluxo de óleo) Válvula (lmtador) Radador (trocador de calor) Fludos: Ar e óleo lubrfcante Motor Óleo ECU Ar Válvula de alívo de óleo Bomba de Óleo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 6
Radador Eletroventlador Modelagem do crcuto de ar Ar Válvula termostátca Óleo Válvula de alívo de óleo Bomba de Óleo Ar Motor Válv. de alívo de ar Ar Compressor Água Bomba centrífuga Intercooler ECU Ar comprmdo JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 7
Modelagem do crcuto de ar Modelos e parâmetros Velocdade do veículo (cra fluxo de ar) Ventlador (consumdor de potênca e cra fluxo de ar) Válvula (lmtador do turbo) Radadores e ntercooler (trocadores de calor) Fludos: Ar Carros de Passeo Utltáros (Euro 3) emperatura máxma na entrada do radador (K) 80 65 Aumento admssível de temperatura do ar no radador (K) 35 15 JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 8
Modelo de carga do motor Modelos e parâmetros Cargas aplcadas ao motor: Volante (fltro de rotação) Dnamômetro (rotação constante) MOOR COM DUAS ZONAS wozonesengne 1 CARGA Load Estrada ou trecho urbano (normas) Hélce (polar de hélce) 1 VOLANE Flywheel DINAMÔMERO Dynamometer ESRADA RoadLoad HÉLICE Propeller JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 9
Metodologa expermental para o sstema de arrefecmento Ensaos Prova estátca (dnamômetro de rolo) Norma A..B. (Ar o Bol) Medda de afastamento do ponto de ebulção do fludo ( v ) sob carga A..B. = v h + a h = emp. saída do motor para o fludo de arrefecmento a = temperatura ambente Prova dnâmca (psta) Instrumentação: pressões, temperaturas e fluxo nos crcutos de arrefecmento e de lubrfcação (óleo) JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 10
Bblografa Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão nterna aplcando análse orentada a objetos. Belo Horzonte: ese de Doutorado, Engenhara Mecânca, UFMG, 2003. Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combuston engne handbook. Warrendale: SAE Internatonal, 2004. Kreth, F. Prncípos da transmssão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977. Gacosa, D. Motor Endotermc. Mlano: Hoepl, 15ª ed., 2000. Plnt, M. et Martyr, A. Engne testng - theory and practce.warrendale: SAE, 2ª ed., 1999. Shah, R. Compact heat exchangers. In: he CRC handbook of mechancal engneerng. Kreth, F. et Goswam, D. Y. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005. JEMB & JGCB - Feverero de 2006 - Prancha 11