ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOTORES · JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1 ESTUDO...
Transcript of ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOTORES · JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1 ESTUDO...
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 2
Perfil dos instrutores
José Eduardo Mautone Barros • Doutor em Engenharia Mecânica
Área de Motores de Combustão Interna – UFMG
• Mestre em Engenharia Aeronáutica, Área de Propulsão – ITA
• 23 anos de experiência em projetos de desenvolvimento na indústria
aeroespacial e na academia
• Desenvolvimento de motores foguetes (Lançador de satélite VLS, Míssil
MAA-1.1 Piranha, Míssil MSS-1.2, Sistema ASTRO Avibras)
• Desenvolvimento de pirotécnicos ( Airbag, Parafusos explosivos,
Válvulas, Cordões de corte)
• Ensaios de turbocompressores e simulações
• Simulações de motores de combustão interna
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 3
Perfil dos instrutores
José Guilherme Coelho Baêta • Doutorando em Engenharia Mecânica,
Área de Motores de Combustão Interna – UFMG
• Especialista em Engenharia Automotiva – PUC-MG
• 10 anos de experiência em projetos de desenvolvimento na indústria
automotiva (FIAT)
• Desenvolvimento de técnicas de calibração experimental de centrais
eletrônicas de motores de combustão interna
• Desenvolvimento de motores multifuel sobrealimentados
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
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 2006 - Prancha 5
Modos
de transferência de calor
Importância
A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as
emissões dos motores através dos seguintes parâmetros:
Temperatura e pressão dos gases de combustão
(afeta potência útil)
Consumo específico de combustível
Detonação (troca de calor para os gases não queimados)
que limita a taxa de compressão
Aquecimento da válvula de exaustão (afeta a eficiência
volumétrica de admissão)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Modos
de transferência de calor
Importância
A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as
emissões dos motores através dos seguintes parâmetros:
Emissões de CO e HC queimados na exaustão
Temperatura dos gases de exaustão (EGT) que controla
turbocompressores e recuperadores
Aquecimento do óleo (maior atrito)
Expansão térmica dos componentes
(pistão, anéis, cilindro, cabeçote, etc.)
Carrega o sistema de resfriamento e seus acessórios
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Modos
de transferência de calor
Ordens de grandezas Temperatura máxima típica do gás queimado:
2200 ºC (2500 K)
Temperatura máxima do material da parede do cilindro:
Ferro fundido 400 ºC (673 K)
Ligas de alumínio 300 ºC (573 K)
Lubrificante 180 ºC (453 K)
Pico de fluxo de calor para as paredes do cilindro:
0,5 a 10 MW/m2
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Modos
de transferência de calor
Condução Modo de transferência em sólidos e líquidos em repouso
A intensidade é função do material e do gradiente de
temperatura
É o modo de transferência de calor no cabeçote, paredes do
cilindro, pistão, bloco e coletores
dx
dTk
A
TkA
x
xCN
CN
onde,
= fluxo de calor (W/m2)
k = condutibilidade térmica (W/m/K)
A = área transversal de transferência (m2)
q
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Modos
de transferência de calor
Convecção Modo de transferência entre fluidos e uma superfície
sólida
A intensidade é função do fluido, do movimento relativo
da diferença de temperaturas
No motor a convecção é forçada, em regime turbulento,
pois existe bombeamento dos fluidos
Depende de relações empíricas específicas para cada tipo
de escoamento e geometria
É o modo de transferência de calor entre os gases e
líquidos e as paredes dos componentes do motor
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 10
Modos
de transferência de calor
Convecção
gw,ggCV TT hA
onde,
h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2/K)
Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K)
= temperatura média do fluido (K)
Subscritos, g = gás
c = fluido de resfriamento (água ou ar)
ccw,cCV TT hA
T
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11
Modos
de transferência de calor
Radiação Modo de transferência entre corpos quentes e frios por
meio de emissão e absorção de ondas eletromagnéticas
A intensidade é função da diferença de temperaturas
Depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade específicos para cada tipo material e geometria
É um modo secundário de transferência de calor entre os gases quentes durante a queima e as paredes do cilindro
É mais significativo em motores de ignição por compressão (ciclo Diesel) devido a presença de fuligem durante uma fase da queima do combustível no cilindro
Existe radiação térmica proveniente do coletor de escape
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 12
Modos
de transferência de calor
Radiação
4
gw,
4
gfR TTσ ε FA
onde,
σ = constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m2/K4
ε = emissividade
Ff = fator de forma
Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K)
Tg = temperatura média do fluido (K)
Subscrito g = gás
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 13
Modos
de transferência de calor
Mecanismo combinado de transferência de
calor no cilindro
Regime transiente
(aproximação
quase-permanente)
Escoamento turbulento
Tridimensional
(aproximação
unidimensional)
cCVCNRgCV qqqq
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 14
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor
Temperaturas no pistão
Temperatura maior no
centro do pistão
Os pontos na figura são
valores medidos e as
isolinhas são calculadas em
um motor ciclo Otto
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 15
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor Pistão de motores ciclo Diesel são 50 ºC mais quentes
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 16
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor
Temperaturas na parede do
cilindro em um motor ciclo Diesel
O topo é mais quente devido a
queima
A carga térmica devido a fricção é
significativa
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 17
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor Altas temperaturas entre as válvulas do cabeçote (Otto)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 18
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor
Temperaturas na válvula de
exaustão (ciclo Diesel)
Em válvulas pequenas a base
recebe a maior carga térmica
Em válvulas grandes a sede
recebe a maior carga térmica
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 19
Análise térmica do motor
Efeito nos componentes do motor Fluxo de calor
calculados em diversas regiões do pistão
A carga térmica é mais elevada na cabeça do pistão
Motores ciclo Diesel possuem canais de resfriamento entre a cabeça e a saia do pistão
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 20
Análise térmica do motor
Efeito das variáveis do motor O parâmetro de calor total (100%) é a energia do combustível
(massa de combustível injetada vezes o poder calorífico inferior)
A perda de calor relativa a energia total diminui com o aumento da velocidade de rotação
A perda de calor absoluta aumenta com o aumento da velocidade de rotação
O fluxo de calor é máximo para lambda igual a 0,91 (mistura rica) para a gasolina
A perda de calor relativa (28%) é maior para lambda igual a 1,0 (mistura estequiométrica)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 21
Análise térmica do motor
Efeito das variáveis do motor O aumento da razão de compressão diminui a perda de calor
relativa, mas aumenta o fluxo de calor total
Aumentando o ângulo de avanço em relação ao ponto morto superior (PMS) reduz-se a perda de calor relativa
O “swirl”(rotação) e o “squish”(estrangulamento) aumentam a perda de calor relativa devido ao aumento da velocidade do gás no interior do cilindro
O aumento da temperatura do fluido de resfriamento aumenta diretamente a temperatura dos componentes internos do motor
O aumento da temperatura de admissão aumenta a perda de calor relativa
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 22
Análise térmica do motor
Efeito das variáveis do motor A ocorrência de detonação provoca um aumento da perda de
calor relativa em função do aumento da temperatura e pressão de queima. O fluxo é aumentado em 3 a 4 vezes.
Os materiais mais comuns da parede do cilindro são o ferro fundido e o alumínio, que restringem as temperaturas a faixa de 200 a 400 ºC
O revestimento cerâmico permite aumentar a temperatura de trabalho dos gases, contudo o aumento da temperatura das paredes prejudica a admissão de mistura e facilita a detonação
A carga térmica nos componentes é cíclica e provoca variações de temperatura de aproximadamente 20 K por ciclo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 23
Análise dimensional
Variáveis envolvidas Aplicada a convecção no interior do cilindro do motor que
a maior parte do fluxo gerado
hc = coeficiente de transferência de calor por convecção
qch = taxa de calor gerada por volume pela queima do combustível
D = diâmetro do cilindro L = altura máxima do cilindro
y = altura instantânea do cilindro k = condutibilidade térmica do fluido
μ = viscosidade do fluido cp = calor específico do fluido
ρ = densidade do fluido v = velocidade média do fluido
N = velocidade de rotação θ = ângulo do virabrequim
T = temperatura do fluido
0θN,v,,cρ,μ,k,,T y,L,D,,q,hf pchc
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 24
Análise dimensional
Grupos adimensionais Aplicando a técnica da análise dimensional (ver cap. 11 de
Welty, Wilson et Wilcks, 1976 ) são gerados os seguintes
grupos adimensionais, após algumas combinações de
grupos:
...Mach Prandtl,Reynolds,Nusselt,
0θ
θ ,
D
y,
TNcρ
q ,
D
L,
v
DN,
v
Tc,
k
μc,
μ
Dvρ,
k
DhF
fp
ch
2
ppc
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 25
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção
Forma de relacionamento proposta para problemas de
convecção forçada em dutos cilíndricos
(a, m, n e z são constantes)
k
μcPr
μ
ρvDRe
k
DhNu
pc
z
D
LnPrm
ReaNu
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 26
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção A viscosidade (μ) é devida a
interações moleculares nos gases e líquidos. A movimentação entre as camadas gera uma força de cisalhamento ao longo do fluido.
A difusividade é um parâmetro em um formato mais adequado ao modelo de transferência de quantidade de movimento.
ν = μ/ρ = difusividade de quantidade de movimento (m2/s)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 27
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção No. de Reynolds
Forcas de inércia / Forças
viscosas
As forças de inércia causam
movimentos macroscópicos de
porções do fluido que dissipam
energia.
ν
DvRe
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 28
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção A condutibilidade térmica (k) é devida a interações
moleculares nos gases e líquidos e ao movimento de elétrons
nos sólidos que levam a uma alteração de temperatura local.
A difusividade térmica (α) é um parâmetro derivado
diretamente relacionado com (k) que possui um formato mais
adequado ao modelo de transferência de calor (m2/s)
pcρ
kα
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 29
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção No. de Prandtl
Difusividade de quantidade de
movimento / difusividade
térmica
pcρ
k
ρ
μPr
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 30
Análise dimensional
Grupos adimensionais para convecção No. de Nusselt
Condutibilidade por
convecção do fluido /
condutibilidade por
condução k
DhNu c
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 31
Análise dimensional
Pontos importantes no uso das correlações
Velocidade a ser usada no número de Reynolds
Temperatura média do gás
Temperatura de referência para os cálculos das
propriedades
Abrangência da correlação, ou seja, ela gera coeficientes
de transferência de calor para fluxo instantâneo ou pra o
fluxo médio em um ciclo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 32
Trocadores de calor compactos
Circuito principal de resfriamento
Motor
Radiador
Bomba centrífuga
Válvula termostática
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 33
Trocadores de calor compactos
Circuito principal de resfriamento (exemplo)
Motor FIRE 1.3 16V
Líquido de arrefecimento: mistura de água + 30% de Paraflu Radiador com tubos e aletas em alumínio e caixa plástica Pressão de trabalho a quente: 1,4 bar
Vazão = 6,5 m3/ h a 5000 rpm da bomba, pressão de 1 bar e temperatura do líquido de 90ºC, potência de 0,20 kW
Válvula termostática instalada na região posterior do cabeçote (fechada para temperaturas menores que 87ºC ± 2ºC)
Eletroventilador com duas velocidades e comandado diretamente pela ECU (centralina) de injeção eletrônica (1º velocidade = 97ºC e 2º velocidade = 101ºC)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 34
Trocadores de calor compactos
Circuitos auxiliares de resfriamento
Radiador de óleo
“Intercooler”
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 35
Trocadores de calor compactos
Circuitos auxiliares de resfriamento
Radiador de óleo : tem a função de manter a
temperatura do óleo entre 85 e 120 ºC quando o
motor funciona frequentemente com cargas
elevadas e em alta rotação
“Intercooler” : tem a função de abaixar a
temperatura do ar e admissão após a compressão
(ex: FIRE FLEX 1.3 8V com turbo GT12,
de 95 ºC para 60 ºC)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 36
Trocadores de calor compactos
Tipos de radiadores Compactos são trocadores de calor gás-fluido
com uma densidade de área de troca de calor
superior a 700 m2/m3
O limite atual nos trocadores comerciais é de
3300 m2/m3
Tipos: Placas corrugadas; Placas e tubos;
Regeneradores e Placas paralelas
Os de placas e tubos são usados em veículos
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 37
Trocadores de calor compactos
Tipos de radiadores Placas e Tubos
(Ar ) (Água)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 38
Trocadores de calor compactos
Tipos de radiadores Quanto ao sentido de
circulação da água
Vertical
Horizontais
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 39
Trocadores de calor compactos
Métodos de cálculo de equipamentos Os métodos a seguir são usados para dimensionar o
tamanho do trocador ou calcular as temperaturas de
operação (entrada e saída) para cada fluido
Método da diferença de temperatura média logarítmica
(DTML ou DTM ou MTD)
Método da efetividade do trocador de calor (ε-NTU)
(NUT ou NTU é o número de unidades de transferência
de calor do trocador)
Método modificado da efetividade (P-NTU)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 40
Trocadores de calor compactos
Métodos de cálculo de equipamentos O coeficiente global de transferência de calor varia
de 50 a 150 kcal/h/m2/ºC
O coeficiente de perda de pressão é calculado usando o
fator de atrito de Fanning em função do número de
Reynolds e de parâmetros geométricos do trocador de
calor
Um fator de entupimento deve ser usado para radiadores
sujos que deprecia a área de troca de calor
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 41
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Levantamento de propriedades
Gráficos e tabelas de livros e manuais (“handbooks”) de
propriedades
Relações matemáticas para estimativa das propriedades
termodinâmicas e de transporte dos fluidos
As simulações matemáticas exigem que as propriedades
estejam convertidas em modelos matemáticos padrões
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 42
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equação dos gases ideais Relação constitutiva válida para gases até 30 bar (3x106Pa)
(para pressões até 100 bar (1x107Pa) o erro é inferior a 1,5%)
TRρP
(kg/kgmol)gásdomolecularpeso M
gásdoconstanteM
RR
ideaisgasesdosuniversalconstanteJ/kgmol/K8314R
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 43
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações das propriedades de termodinâmicas Polinômios JANNAF para cada espécie química “i”
(NASA SP-273)
4
5
3
4
2
321ip
TaTaTaTaaR
c
T
aT
5
aT
4
aT
3
aT
2
aa
TR
h 645342321
0
i
7
45342321
0
i aT4
aT
3
aT
2
aTaTlna
R
s
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 44
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações das propriedades de termodinâmicas Valores integrais para entalpia, entropia e energia livre de
Gibbs (referência 298,15 K e 101325 Pa )
iii sThg
0
T i,
T
Tip
0
i 0
0
sT
Tdcs
0
T i,
T
Tip
0
i 0
0
hTdch
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 45
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações das propriedades de transporte Viscosidade e difusividade térmica (NASA TM-4513)
sm
kg42
3217-
i bT
b
T
bTlnb
1x10
μln
Km
W42
3214-
i cT
c
T
cTlnc
1x10
αln
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 46
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações das propriedades ligadas a
compressibilidade Razão de calores específicos e número de Prandtl
Rc
c
c
cγ
p
p
v
p
f
5γ9
γ4Pr
f
f
Relação de Eucken
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 47
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações para misturas de gases
fração mássica
fração molar (volumétrica)
i
N
1 i
ii
N
1 i
iM
RCRCR
ρ
ρ
m
mC ii
i
i
iii
M
MC
n
nX
N
1i
iii MXM
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 48
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Equações para misturas de gases
i
N
1i
i
0
0 XlnXR P
PlnRss
N
1i
ii
N
1i
iii
MX
MXμ
μ
N
1i
3ii
N
1i
3iii
MX
MXα
α
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 49
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Líquidos e misturas de duas fases
As propriedades termodinâmicas e de transporte de um
líquido podem seguir os polinômios propostos para os
gases
A faixa de temperatura correspondente a validade dos
dados deve ser colocada com cuidado
As regras de cálculo termodinâmico de duas fases devem
ser respeitadas quando gás e líquido estiverem presentes
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 50
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Regressão linear por mínimos quadrados Para os dados termodinâmicos pode-se usar as rotina
prontas de regressão polinomial
Para os dados de transporte deve-se resolver o seguinte
sistema :
i
2
i
i
i
4
3
2
1
pontos2
2432
32
2i
2
μlnT
μlnT
μln
Tlnμln
b
b
b
b
nT
1
T
1Tln
T
1
T
1
T
1
T
TlnT
1
T
1
T
1
T
Tln
TlnT
Tln
T
TlnTln
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 51
Propriedades
dos fluidos de trabalho
Fluidos envolvidos Ar, deve ser tratado como uma mistura de N2, O2 e Ar
Gases de combustão, devem ser tratados como uma mistura de gases de queima contendo no mínimo N2, O2, Ar, CO, CO2 e H2O, cuja composição foi calculada por um modelo de equilíbrio químico ou de cinética química
Água e aditivos (líquido), o aditivo a base de monoetilenoglicol (40 a 50 % v/v) muda a temperatura de ebulição(+170 ºC) e solidificação(-35 ºC)
Óleo lubrificante (líquido), usar valores de propriedades para uma composição base
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 52
Propriedades
dos materiais do motor
Ligas em contato com os fluidos
Material Massa específica
(kg/m3)
Calor específico
(J/kg/K)
Condutibilidade
térmica (W/m/K)
Difusividade
térmica (m2/s)
Ferro fundido 7200 480 54 1,57x10-5
Alumínio 2750 915 155 6,2x10-5
Nitreto de silício 2500 710 10 2,8x10-6
Revestimento de Zirconia 5200 732 1,2 3,2x10-7
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 53
Bibliografia
Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
Giacosa, D. Motori endotermici. Milano: Hoepli, 15ª ed., 2000.
Gordon, S. et McBride, B. J. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium composition, rocket performance, incident and reflected shocks, and Chapman-Jouguet detonations. NASA SP-273. Washington,D.C.: NASA, 1971.
Heywood, J. B. Internal combustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988.
Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977.
McBride, B. J., Gordon S. et Reno M. A. Coefficients for calculating thermodynamic and transport properties of individual species. NASA Technical Memorandum 4513. Washington, D.C.: NASA, 1993.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 54
Bibliografia
Perry, R. H. et Chilton, C. H. Chemical engineers’ handbook. 5ª ed.
Tokyo: McGraw-Hill, 1974. 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., 2005.
Welty, J. R., Wilson, R. E. et Wilcks, C. E. Fundamentals of momentum heat and mass transfer. New York: John Wiley & Sons, 2ª ed., 1976.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 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 2006 - Prancha 3
Descrição
do sistema de arrefecimento
Funcionamento e componentes
Radiador de Óleo
Ra
dia
do
r
Bomba centrífuga
Válvula termostática
Ele
tro
ven
tila
do
r
Intercooler
Bomba de Óleo
Compressor
Água
Óleo
Ar comprimido
Ar
Ar
ECU
Motor
Válvula de alívio
de óleo
Válv. de
alívio de ar
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
Dimensionamento
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 2006 - Prancha 5
Dimensionamento
Metodologia Especificar faixas de operação
(normas, histórico, simulações e testes)
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)
Carros de Passeio Utilitários (Euro 3)
Temperatura máxima na entrada do radiador (K) 80 65
Aumento admissível de temperatura do ar no radiador (K) 35 15
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
Definições Coeficiente global de troca de calor U [W/(m2 K)]
médiaTAUQ
ccs
w
hsh
térmicas
hA
1
Ah
1R
Ah
1
hA
1
UA
1
R
1AU
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
Definições Diferença de temperatura média logarítmica
(DTML ou LMTD)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
Definições Fator de correção para a DTML em função do arranjo de
fluxos do trocador de calor (F)
Razão adimensional de diferenças de temperaturas (P1)
Razão de capacidades térmicas (R1)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
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 2006 - Prancha 10
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
Definições Capacidade térmica [W/K] do fluido mais quente
Ch = mhcph
Capacidade térmica do fluido mais frio
Cc = mccpc
Número de unidades de transmissão de calor
(NUT ou NTU) = medida da eficiência termodinâmica do
trocador
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
Definições Efetividade do trocador de calor (ε) = quantidade real de calor
transferida / quantidade máxima de calor possível de ser
transferida
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 12
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
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 2006 - Prancha 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, 2003.
Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combustion engine handbook. Warrendale: SAE International, 2004.
Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977.
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., 2005.
Welty, J. R., Wilson, R. E. et Wilcks, C. E. Fundamentals of momentum heat and mass transfer. New York: John Wiley & Sons, 2ª ed., 1976.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 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 2006 - Prancha 3
Modelagem dinâmica do
sistema de arrefecimento
Objetivos
Prever a resposta no tempo das temperaturas do sistema de
arrefecimento e de lubrificação, ou seja, tempo de “warm-up”
Prever as temperaturas estabilizadas de funcionamento do
sistema de arrefecimento e de lubrificação para diferentes
regimes de carga no motor e velocidade do veículo
Prever alterações no desempenho do motor devido as
alterações nas temperatura da camisa de água e do óleo
Prever alterações nas condições de lubrificação devido a
alterações na temperatura do óleo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
Modelagem dinâmica do
sistema de arrefecimento
Modelagem Usando a orientação a
objetos (OOA)
MOTOR ALTERNATIVO A
PISTÃO
TReciprocatingEngine
ALETAS
TFins
1
1
SISTEMA DE
RESFRIAMENTO
TIdealCoolingSystem
RESFRIAMENTO A AR
TAirCoolingSystem
RESFRIAMENTO A ÁGUA
TWaterCoolingSystem
VENTOINHA
TBlower
RADIADOR
TRadiator
BOMBA D'ÁGUA
TBomb
FLUIDO RESFRIANTE
TCoolingFluid
1
1
1 1 1
1
1
usa
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 5
Modelagem do circuito de água
Ra
dia
do
r
Bomba centrífuga
Válvula termostática
Ele
tro
ven
tila
do
r
Água
Ar
ECU
Motor
Modelos e parâmetros Motor (gerador de potência e
calor)
Bomba (consumidor de
potência e cria fluxo de água)
Eletroventilador (consumidor
de potência e cria fluxo de ar)
Válvula (limitador)
Radiador (trocador de calor)
Fluidos: Ar e água ou solução
de glicois
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Modelagem do circuito de óleo
Bomba de Óleo
Óleo
ECU
Motor
Válvula de alívio
de óleo
Ar Modelos e parâmetros Motor (gerador de potência e calor)
Bomba (consumidor de potência e cria
fluxo de óleo)
Válvula (limitador)
Radiador (trocador de calor)
Fluidos: Ar e
óleo lubrificante
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Modelagem do circuito de ar
Ra
dia
do
r
Bomba centrífuga
Válvula termostática E
letr
ov
enti
lad
or
Intercooler
Bomba de Óleo
Compressor
Água
Óleo
Ar comprimido
Ar
Ar
ECU
Motor
Válvula de alívio
de óleo
Válv. de
alívio de ar
Ar
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Modelagem do circuito de ar
Carros de Passeio Utilitários (Euro 3)
Temperatura máxima na entrada do radiador (K) 80 65
Aumento admissível de temperatura do ar no radiador (K) 35 15
Modelos e parâmetros
Velocidade do veículo (cria fluxo de ar)
Ventilador (consumidor de potência e cria fluxo
de ar)
Válvula (limitador do turbo)
Radiadores e intercooler (trocadores de calor)
Fluidos: Ar
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Modelo de carga do motor
MOTOR
COM DUAS ZONAS
TTwoZonesEngine
VOLANTE
TFlywheel
CARGA
TLoad
DINAMÔMETRO
TDynamometer
ESTRADA
TRoadLoad
HÉLICE
TPropeller
1
1
Modelos e parâmetros Cargas aplicadas ao motor:
Volante (filtro de rotação)
Dinamômetro (rotação constante)
Estrada ou trecho urbano (normas)
Hélice (polar de hélice)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 10
Metodologia experimental para
o sistema de arrefecimento
Ensaios Prova estática (dinamômetro de rolo)
Norma A.T.B. (Air To Boil)
Medida de afastamento
do ponto de ebulição do
fluido (Tv) sob carga
A.T.B. = Tv – Th +Ta
Th = Temp. saída do motor
para o fluido de arrefecimento
Ta = temperatura ambiente
Prova dinâmica (pista)
Instrumentação: pressões, temperaturas e fluxo nos circuitos de
arrefecimento e de lubrificação (óleo)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11
Bibliografia
Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combustion engine handbook. Warrendale: SAE International, 2004.
Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1977.
Giacosa, D. Motori Endotermici. Milano: Hoepli, 15ª ed., 2000.
Plint, M. et Martyr, A. Engine testing - theory and practice.Warrendale: SAE, 2ª ed., 1999.
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., 2005.