Dimensionamento de um Trocador de Calor

0 Márcio André Grüger DIMENSIONAMENTO DE UM TROCADOR DE CALOR AUXILIAR PARA UM VEÍCULO MODELO SAVEIRO DIESEL Horizontina 2014 1 Márcio André Grüger DIMENSIONAMENTO DE UM TROCADOR DE CALOR AUXILIAR PARA UM VEÍCULO MODELO SAVEIRO DIESEL Trabalho Final de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica pelo Curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Horizontina ORIENTADOR Ademar Michels Doutor Horizontina 2014 2 FAHOR FACULDADE HORIZONTINA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA A Comissão Examinadora abaixo assinada aprova a monografia Dimensionamento de um trocador de calor auxiliar para um veículo modelo saveiro Diesel Elaborada por Márcio André Grüger como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica Aprovado em 26112014 Pela Comissão Examinadora Prof Dr Ademar Michels Presidente da Comissão Examinadora Orientador Prof Esp Leonardo Teixeira Rodrigues FAHOR Faculdade Horizontina Prof Dr Richard Thomas Lermen FAHOR Faculdade Horizontina Horizontina 2014 3 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho de final de curso aos meus pais que tornaram este sonho possível a minha esposa Cátia e filho Matheus pela compreensão aos amigos que de alguma forma contribuíram para a realização do mesmo a FAHOR e ao professor e doutor Ademar Michels pela orientação e auxílio 4 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus em primeiro lugar pela vida que me foi dada pela proteção no caminho e pela força para a conclusão deste trabalho pois alguns não tiveram a mesma sorte partiram antes mesmo de concluir este curso lamentável Agradeço aos meus pais Francisco e Helma pelo apoio e incentivo pois sem isto não seria possível realizar este sonho Agradeço a minha esposa Cátia pela compreensão maturidade incentivo e motivação deixando assim esta jornada mais suave e alegre e ao meu filho Matheus pela compreensão pelas horas que não pude dedicar a ele Agradeço ao orientador Prof Dr Ademar Michels pela dedicação orientação e conhecimentos repassados com alegria em sala de aula A FAHOR e a todos os professores e em especial aos Professores Anderson Dall Mollin Richard Thomas Lermen e Valmir Vilson Beck pela seriedade dedicação e conhecimentos repassados com profissionalismo 5 Posso pegar meu telescópio e ver milhões de quilômetros de distância no espaço mas também posso pôr meu telescópio de lado ir para o meu quarto fechar a porta e em oração fervorosa ver mais do Céu e me aproximar mais de DEUS do que quando estou equipado com todos os telescópios e instrumentos do mundo Isaac Newton 6 RESUMO Um trocador de calor é um dispositivo que visa transferir energia térmica de forma eficiente de um meio para outro ou seja de propiciar calor de um fluido para o outro encontrandose estes a temperaturas diferentes Em motores de combustão interna um terço da energia é liberada na forma de calor sendo para tanto necessário o emprego de um trocador de calor bem dimensionado para que não ocorram problemas com aquecimentos excessivos O objetivo deste trabalho é o dimensionamento de um trocador de calor para auxiliar no arrefecimento de um motor de combustão interna ciclo Diesel de um automóvel tipo saveiro que tem as suas temperaturas altas e oscilantes quando submetido a maiores esforços Este trabalho justificase em manter a temperatura mais baixa para que haja um aumento na vida útil do motor Os dados utilizados para parâmetros de entrada e saída dos fluidos quente e frio bem como a vazão da bomba foram coletados a partir de testes experimentais Dadas as condições de escoamento dos fluidos e das suas respectivas temperaturas de entrada e saída as análises térmicas foram feitas para determinação das características geométricas do trocador de calor e do tipo do material empregado através de cálculos O trocador de calor auxiliar dimensionado não foi produzido porém foi adquirido um com características semelhantes para a realização dos testes experimentais Os testes experimentais foram realizados coletandose a temperatura do veículo durante a realização de um percurso de 45 km com e sem o trocador de calor auxiliar instalado no veículo O resultado foi significativo pois obtevese um melhor controle da temperatura conforme especificado para motores Diesel Palavraschave Trocador de calor Temperatura alta Saveiro Diesel 7 ABSTRACT A heat exchanger is a device which aims to transfer heat efficiently from one medium to another or to provide heat from one fluid to another meeting these at different temperatures In internal combustion engines a third of the energy is released as heat and to do so requires the use of a well dimensioned heat exchanger to prevent any problems with overheating The objective of this work is the design of a heat exchanger to aid in cooling an internal combustion diesel engine cycle of a car sloop type which has its high and fluctuating temperatures when subjected to greater efforts This work is justified in maintaining the lowest temperature so that there is an increase in engine life The data used for input and output parameters of the hot and cold fluids and pump output were collected from experimental tests Due to the flow conditions of fluids and their respective inlet and outlet temperatures thermal analyzes were performed to determine the geometric characteristics of the heat exchanger and the type of material used by calculation The scaled auxiliary heat exchanger was not produced but was acquired with similar characteristics to perform the experimental tests Experimental tests were performed by collecting the temperature of the vehicle during execution of a route of 45 km with and without the auxiliary heat exchanger installed in the vehicle The result was significant because it gave better control of temperature as specified for diesel engines Keywords heat exchanger High temperature Diesel Saveiro 8 LISTA DE FIGURA Figura 1 Esquema de um trocador de calor casco e tubo 16 Figura 2 Trocador de calor tipo placa 16 Figura 3 Tipos de tubos aletados 17 Figura 4 Diferentes regimes de escoamento e perfis de temperatura 20 Figura 5 Fator de correção F para correntes cruzadas 22 Figura 6 Gráfico eficiência da aleta 24 Figura 7 Mapa do percurso usado para a coleta dos dados 28 Figura 8 Trocador de calor auxiliar instalado 28 Figura 9 Esquema de instalação do trocador de calor auxiliar 29 Figura 10 Indicador de temperatura com escala em graus Celsius e Fahrenheit 30 Figura 11 Sistema de Refrigeração com a posição de sensor de temperatura instalado 30 Figura 12 Sensor de temperatura da água instalado 31 Figura 13 Trocador de calor semelhante ao do projeto 32 Figura 14 Material para instalação do trocador de calor auxiliar 32 Figura 15 Termômetro digital 33 Figura 16 Gráfico de fator de correção F para trocador de calor com único passe 39 Figura 17 Eficiência da aleta 41 Figura 18 Aletas mm 42 Figura 19 Trocador de calor auxiliar mm 43 Figura 20 Gráfico da Altitude X Percurso 44 Figura 21 Gráfico da Temperatura T1 X Percurso 45 Figura 22 Gráfico da Temperatura T2 X Percurso 47 Figura 23 Gráfico da Temperatura T1 e Altitude X Percurso 47 Figura 24 Temperatura T1 e T2 X Percurso 48 9 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Dados de entrada para os cálculos 34 Quadro 2 Dados consultados em tabela 35 Quadro 3 Dados calculados 36 Quadro 4 Critérios para otimização do projeto 36 Quadro 5 Características para o trocador de calor auxiliar 37 Quadro 6 Características impostas levando em conta os critérios de otimização 37 Quadro 7 Altitudes entre o percurso de Santa Rosa e Horizontina RS 43 10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 12 11 JUSTIFICATIVA 12 12 OBJETIVOS 13 2 REVISÃO DA LITERATURA 14 21 TRANSFÊRENCIA DE CALOR 14 22 TROCADOR DE CALOR 14 23 CLASSIFICAÇÕES DOS TROCADORES DE CALOR 15 231 TROCADORES DE CALOR TUBULARES 15 232 TROCADOR DE CALOR TIPO PLACA 16 233 TROCADORES DE CALOR DE SUPERFÍCIE ESTENDIDA E ALETADA 17 24 OTIMIZAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR 17 25 TEMPERATURA DO MOTOR DIESEL 18 26 EQUACIONAMENTO DE TROCADOR DE CALOR 18 261 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 19 262 METODO DTML PARA ANALISE DO TROCADOR DE CALOR 20 263 FATOR F DE CORREÇÃO DTML 21 264 ESCOAMENTO TURBULENTO EM TUBOS 22 265 EFICIÊNCIA DA ALETA 23 3 METODOLOGIA 25 31 MÉTODOS E TÉCNICAS UTILIZADOS 25 311 MODELO MATEMÁTICO 25 312 COLETA DE DADOS 26 313 O PERCURSO 27 314 INSTALAÇÃO DO TROCADOR DE CALOR AUXILIAR 28 32 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS 29 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 34 41 EQUACIONAMENTO DE TROCADOR DE CALOR 34 411 TAXA NECESSÁRIA PARA A TRANSFERÊNCIA DE CALOR 35 412 NUMERO DE REYNOLDS PARA ESCOAMENTO 38 413 METODO DTML PARA A TRANSFERENCI DE CALOR 38 414 FATOR DE CORREÇÃO F 38 415 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 39 416 EFICIÊNCIA DA ALETA 40 42 DIMENSÕES DO TROCADOR DE CALOR AUXILIAR 42 43 VALORES DOS DADOS COLETADOS 43 11 431 ANÁLISE DOS DADOS COLETADOS 47 5 CONCLUSÕES 49 6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 50 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51 APENDICE A FICHA DE REGISTRO DAS ALTITUDES 52 APENDICE B FICHA DE REGISTRO DE DADOS DA ETAPA 1 53 APENDICE C FICHA DE REGISTRO DE DADOS DA ETAPA 2 54 ANEXO A CARACTERÍSTICAS DA MANGUEIRA 55 12 1 INTRODUÇÃO Um trocador de calor é um dispositivo que efetua a transmissão de calor de um fluido para outro São mais comuns no entanto os trocadores de calor nos quais um fluido é separado do outro por uma parede ou partição através da qual passa o calor Essas unidades de trocador de calor são largamente empregadas porque podem ser construídas com grandes superfícies de troca de calor num volume relativamente pequeno e são adequados para aquecimento resfriamento evaporação ou condensação de todas as espécies de fluidos CELSO ARAÚJO 1978 O sistema para o qual o trocador de calor auxiliar foi dimensionado pertence a um veículo de passeio da marca Volkswagen modelo Saveiro O motor do veículo é um motor de combustão interna ciclo Diesel e refrigerado a água O trocador de calor já existente no sistema de refrigeração do motor é precário não atendendo a demanda que o motor realmente necessita o que acaba gerando temperaturas superiores às especificadas para motores de combustão interna ciclo Diesel reduzindo desta forma a vida útil do motor Sendo desta forma necessário a adição de mais um trocador de calor para baixar e manter estáveis as temperaturas altas e oscilantes que o motor produz quando submetido a maiores esforços temperaturas que oscilam entre 82C e 104C 11 JUSTIFICATIVA Abordado como ponto principal deste trabalho foi o resfriamento do fluido refrigerante de um veículo Saveiro Diesel através do dimensionamento de um trocador de calor auxiliar pois tem as suas temperaturas altas e oscilantes Este trabalho Justificase pela necessidade de manter a temperatura dentro das condições normais de trabalho especificadas para motores Diesel para que se garanta o bom funcionamento do motor e um aumento na vida útil do mesmo 13 12 OBJETIVOS O objetivo geral deste trabalho foi projetar um trocador de calor auxiliar para um veículo modelo saveiro equipado com motor ciclo Diesel para auxiliar na refrigeração do mesmo Para chegar ao objetivo geral os objetivos específicos devem ser atendidos os quais são Elaborar um memorial de cálculo para o dimensionamento correto do trocador de calor projetar e dimensionar o trocador de calor para que atenda às necessidades do problema e Testar o trocador de calor auxiliar no veículo com um trocador de calor com características semelhantes ao dimensionado 14 2 REVISÃO DA LITERATURA Com o intuito de melhorar o conhecimento relativo ao assunto do dimensionamento de um trocador de calor foram consultadas algumas obras para conhecer assim a forma como este assunto foi abordado e analisado em estudos anteriores e para saber quais são as variáveis para o dimensionamento de um trocador de calor 21 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Sempre que existir um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou que dois sistemas a diferentes temperaturas forem colocados em contato haverá transferência de energia O processo pelo qual a energia é transportada chamase transmissão de calor A entidade em trânsito chamada calor não pode ser medida ou observada diretamente mas os efeitos por ela produzidos são susceptíveis à observação e à medida KREITH 1977 Segundo Araújo 1978 sempre que um corpo esta a uma temperatura maior que a de outro ou inclusive no mesmo corpo existem temperaturas diferentes ocorre uma cessão de energia da região de temperatura mais elevada para a mais baixa e a esse fenômeno dáse o nome de transmissão de calor Para Incropera e DeWitt 1996 transferência de calor é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes haverá necessariamente transferência de calor 22 TROCADOR DE CALOR O trocador de calor é um equipamento térmico no qual um fluido quente cede calor a um fluido frio ou seja exige a presença de dois fluidos um quente e um frio proporcionando dependente da natureza do equipamento uma transferência de calor sensível ou latente ARAÚJO 1978 O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações em engenharia O equipamento usado para implementar essa troca é 15 conhecido por trocador de calor INCROPERA DEWITT 1996 Para Kreith 1977 um trocador de calor é um dispositivo que efetua a transmissão de calor de um fluido para outro O tipo mais simples de trocador de calor é um recipiente no qual um fluido quente e um frio são misturados diretamente Num sistema como esse ambos atingem a mesma temperatura final e a quantidade de calor transferida pode ser estimada igualandose a energia perdida pelo fluido mais quente com a energia ganha pelo mais frio 23 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR Segundo Incropera e DeWitt 1996 os trocadores de calor são classificados em função da configuração do escoamento e do tipo de construção No trocador de calor mais simples os fluidos quente e frio se movem no mesmo sentido ou em sentidos opostos em uma construção com tubos concêntricos Para Braga Filho 2004 os trocadores de calor podem ser classificados de diversas maneiras quanto ao modo de operação ao numero e natureza dos fluidos envolvidos ao tipo de construção etc De maneira mais básica a forma de classificar que realmente interessa para o desenvolvimento do trocador de calor auxiliar é a classificação em função das suas características de construção 231 Trocadores de calor tubulares Os trocadores de casco e tubos são os mais comuns em aplicações industriais constituídos de pequenos tubos dispostos lado a lado no interior de uma carcaça Um fluido percorre o interior dos tubos enquanto o outro fluido é forçado a escoar através da carcaça como observado na Figura 1 16 Figura 1 Esquema de um trocador de calor casco e tubo Fonte Çengel e Ghajar 2012 p 631 232 Trocador de calor tipo placa Trocadores de calor do tipo placa são geralmente construídos de placas delgadas lisas ou onduladas Este trocador pela geometria da placa não suporta pressões e diferenças de temperatura tão elevadas quanto um tubo cilíndrico são ordinariamente projetados para temperaturas ou pressões moderadas conforme Figura 2 Figura 2 Trocador de calor tipo placa Fonte adaptado de Çengel e Ghajar 2012 p 632 17 233 Trocadores de calor de superfície estendida e aletada Uma classe importante de trocadores de calor é utilizada para atingir altas áreas de transferência de calor por unidade de volume Conhecidos por trocadores de calor compactos esses equipamentos possuem densas matrizes de tubos ou placas aletadas Os tubos podem ser planos ou circulares e as aletas podem ser planas ou circulares conforme mostra na Figura 3 INCROPERA DEWITT 1996 Figura 3 Tipos de tubos aletados a tubos planos aletas planas contínuas b Tubos circulares aletas planas contínuas c Tubos circulares aletas circulares Fonte Adaptado de Incropera e DeWitt 1996 p 319 24 OTIMIZAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR Embora os projetos padrões dos trocadores de calor possam satisfazer às necessidades da maior parte das unidades pequenas e simples operando em temperaturas moderadas e pressões baixas é possível que sejam necessárias unidades individualmente projetadas Os trocadores de calor são projetados para uma vasta variedade de aplicações por isso os critérios de otimização dependem do tipo de aplicação Por exemplo os critérios de otimização podem requerer um mínimo de peso um mínimo de volume ou superfície mínima de transferência de calor custo inicial mínimo ou custos inicial e operacional mínimos maior taxa de transferência de calor perda de carga mínima para uma certa taxa de transferência de calor diferença média de temperatura mínima e assim por diante 18 Por isso para efetivar um estudo de otimização deve ser executado o projeto térmico do trocador de calor e os cálculos devem ser repetidos para cada variável do projeto até que o critério de otimização seja satisfeito Uma vez escolhida a geometria da superfície o projetista tem a opção de impor restrições adicionais como os valores da altura da aleta espessura da aleta passe da aleta condutividade térmica da aleta comprimento da aleta etc Então o problema se reduz à resolução do problema do cálculo térmico dentro dos limites das variáveis especificadas 25 TEMPERATURA DO MOTOR DIESEL Para ARIAZPAZ 1970 a refrigeração esta calculada para dar um bom rendimento em tempo de calor o mais desfavorável de forma que a temperatura da água não suba além do normal nem seja muito baixa a ponto de o óleo não ter boa fluidez dificultando a lubrificação Ao por o motor em movimento convém que se aqueça rapidamente para dar fluidez ao óleo e facilitar a lubrificação O motor trabalha nas melhores e devidas condições quando sua água mantémse em torno de 85C Para Soares et al 1978 a necessidade de regulagem da refrigeração é mais importante em um motor Diesel pois é mais sensível do que em um motor a gasolina para as variações da temperatura Para se obter as condições ideais de viscosidade do óleo lubrificante do motor Diesel a temperatura não deve ultrapassar os 99C baseada em óleos que utilizem a classificação SAE Já a temperatura ideal de funcionamento do motor Diesel é de 80 a 85C Fazendose uma analogia da máxima temperatura admitida pelo óleo para que não perca as propriedades lubrificantes e a máxima temperatura ideal de funcionamento do motor Diesel encontrase uma temperatura média de 92C 26 EQUACIONAMENTO DE TROCADOR DE CALOR Para Incropera e DeWitt 1996 as equações geralmente usadas nos projetos de trocadores de calor estão baseadas em um conjunto de hipóteses clássicas como coeficiente global de transferência de calor e propriedades termofísicas 19 constantes ao longo da área de transferência Estas considerações permitem soluções analíticas funções da configuração do escoamento do balanço de energia e da equação de projeto ao longo da área de transferência de calor representadas pelas relações conhecidas do Método DTML Diferença de Temperatura Média Logarítmica Entretanto há processos térmicos que não são apropriadamente descritos por estas equações convencionais 261 Coeficiente global de transferência de calor Segundo Incropera e DeWitt 1996 para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a grandezas tais como Temperaturas de entrada dos fluidos Temperaturas de saída dos fluidos Coeficiente Global de transferência de calor Área superficial total disponível para a transferência de calor Uma etapa essencial e a mais imprecisa de qualquer análise de trocadores de calor é a determinação do coeficiente global de transferência de calor A equação fundamental para o dimensionamento de trocador de calor é dado pela Equação 1 U A ΔTml 1 Onde é a taxa de transferência de calor W A é a área de troca térmica m² U ou h é o coeficiente global de transferência de calor W m²C ΔTml é diferença média logarítmica de temperatura entre os fluidos C Assumindose que a transferência de calor dos fluidos entre o trocador de calor e a vizinhança sejam desprezíveis assim como as mudanças nas energias potencial e cinética do sistema e que não ocorram mudanças de fase dos fluidos e se forem admitidos calores específicos constantes é possível chegar à taxa de transferência de calor do fluido quente conforme a Equações 2 INCROPERA E DEWITT 1996 20 q q Cpq 𝑇qe 𝑇qs Fluido quente 2 Onde q é a vazão mássica do fluido quente kgs 𝑐𝑝q é o calor específico a pressão constante fluido quente JkgC 𝑇q𝑒 é a temperatura de entrada do fluido quente C 𝑇q𝑠 é a temperaturas de saída do fluido quente C 262 Método DTML para análise do trocador de calor A solução de um problema em um trocador de calor é facilitada através da utilização de um método adequado ao problema onde o mesmo pode ser classificado como problema de projeto e problema de desempenho Na Figura 4 uma diferença de temperatura cria a força motriz que determina a transmissão de calor de uma fonte a um receptor Sua influência sobre um sistema de troca de calor é o objeto para o estudo deste trabalho Os tubos concêntricos conduzem duas correntes e em cada uma destas duas existe um coeficiente de película particular e suas respectivas temperaturas da entrada e saída variam Figura 4 Diferentes regimes de escoamento e perfis de temperatura associados em trocador de calor de tubo duplo Fonte Çengel e Ghajar 2012 p 630 21 A diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio varia ao longo do trocador de calor e que é conveniente dispor da diferença da temperatura média ΔTml para uso na Equação 𝑄 𝑈 𝐴 ΔTml O valor de ΔTml é obtido pela Equação 3 3 Onde ΔT1 Tqe Tfs ΔT2 Tqs Tfe Este método é mais adequado para determinar o tamanho de um trocador de calor quando todas as temperaturas de entrada e saída são conhecidas conforme a equação 4 Çengel e Ghajar 2012 263 Fator F de correção DTML Para Çengel e Ghajar 2012 trocadores de calor de multipasses e escoamento cruzado a DTML não se aplica à análise da transferência de calor nestas condições As diferenças efetivas de temperatura foram determinadas nos escoamentos de correntes cruzadas e também multipasse mas as expressões resultantes são muito complicadas Por isso nessas situações é costume introduzir um fator de correção F de modo que a DTML simples ΔTlm possa ser ajustada para representar a diferença efetiva de temperatura ΔTlmCorr correta para a disposição de correntes cruzadas e multipasse No gráfico da Figura 5 é mostra o fator de correção F em função dos parâmetros P e R ΔT𝑚𝑙 ΔT1 ΔT2 𝑙𝑛 ΔT1 ΔT2 22 Figura 5 Fator de correção F para correntes cruzadas um só passe dois fluidos sem mistura Fonte Adaptado de Çengel e Ghajar 2012 p 645 Após encontrar o valor dos parâmetros P e R encontrase no gráfico o fator de correção F logo aplicase a Equação 4 ΔTlm Corr F ΔTlm 4 264 Escoamento turbulento em tubos Para Çengel e Ghajar 2012 os escoamentos turbulentos são flutuações caóticas e rápidas nas regiões de redemoinhos do fluido ao longo do escoamento também chamadas de turbilhões e proporcionam um mecanismo adicional de transferência de calor Esses turbilhões transportam massa e a quantidade de movimento e energia para outras regiões do escoamento muito rapidamente aumentando muito a transferência de calor No escoamento no interior de um tubo circular o numero de Reynolds é utilizado para definir se o escoamento é turbulento ou não O numero de Reynolds para essa situação é definido pela Equação 5 𝑒 5 Onde um é a velocidade média do fluido D é o diâmetro interno do tubo ν é a viscosidade cinemática do fluido 23 Para Incropera e DeWitt 1996 para um numero de Reynolds alto as forças de inércia são suficientemente elevadas para amplificar as perturbações e ocorre a transição do regime laminar para o regime turbulento Em um escoamento completamente desenvolvido o numero de Reynolds crítico que corresponde ao surgimento de turbulência é de Re 2300 e é adimensional 265 Eficiência da aleta Para Çengel e Ghajar 2012 em uma aleta de área transversal constante fixada a uma superfície com perfeito contato o calor é transferido a partir da superfície para a aleta por condução e a partir da aleta para o meio circundante por convecção com um certo coeficiente de transferência de calor A convecção a partir da superfície da aleta causa uma diminuição da temperatura ao longo da aleta causando uma transferência de calor menor por causa da diferença de temperatura em direção a ponta da aleta Para considerar o efeito da diminuição da diferença da temperatura na transferência de calor é definida a eficiência da aleta na Equação 6 6 Onde Q aleta Transferência real de calor através da aleta Q ideal Transferência ideal de calor através da aleta O gráfico da Figura 6 mostra a eficiência da aleta em função do parâmetro ξ com geometrias típicas das aletas onde L é o comprimento da aleta h é o coeficiente de transferência de calor por convecção k é a condutividade térmica do material t é a espessura da aleta 24 Figura 6 Gráfico eficiência da aleta Fonte Adaptado de Çengel e Ghajar 2012 p 172 25 3 METODOLOGIA O objetivo deste capitulo é apresentar completamente e detalhadamente os métodos e as técnicas utilizadas para o projeto de trocador auxiliar visando simplificar e esclarecer os procedimentos adotados e também a descrição dos materiais e equipamentos utilizados no desenvolvimento deste trabalho 31 MÉTODOS E TÉCNICAS UTILIZADOS Para a realização do dimensionamento do trocador de calor auxiliar fazse uma pesquisa bibliográfica para ter um melhor conhecimento sobre o assunto e assim dimensionar o trocador de calor auxiliar com os equacionamentos necessários Logo adquiriuse um trocador de calor similar ao do projeto e procedeuse a instalação do mesmo Fazse também necessário uma pesquisa experimental coletandose dados de temperatura do veículo com e sem o trocador de calor auxiliar instalado gerando assim tabelas e gráficos para melhor visualização e compreensão dos resultados 311 Modelo matemático Para aquisição do modelo matemático foram adotadas algumas simplificações apresentadas na sequência As propriedades de transporte de calor dos fluidos quente e frio não variam com a temperatura Não há mudança de fase nos fluidos considerados As variações de energia cinética e de energia potencial são desprezíveis Pressão e perda de cargas são desprezíveis Os processos de transferência de calor considerados na representação matemática do sistema estudado foram os seguintes Transferência de calor por convecção entre o fluido quente e os tubos do lado interno 26 Transferência de calor por condução nas paredes dos tubos e aletas Transferência de calor convecção entre o fluido frio e os tubos e aletas do lado externo O método DTML para analise do trocador de calor foi utilizado para o dimensionamento do trocador de calor e é efetuado levando em consideração os dados coletados e devidamente registrados Dados estes que foram coletados diretamente no veículo Dados para o cálculo Vazão média de fluido quente do sistema m3s Temperatura de entrada do fluído quente Tqe C Temperatura de saída desejada do fluído quente Tqs C Temperatura de entrada do fluido frio Tfe C Temperatura de saída fluido frio Tfs C Fluido quente do sistema é a água Fluido frio do sistema é o ar 312 Coleta dos dados Uma primeira coleta de dados fezse necessária para o reconhecimento das altitudes do percurso em relação ao nível do mar e a cada 3 km percorridos iniciandose a primeira leitura da altitude na Avenida Tuparendi n 588 na cidade de Santa Rosa e finalizandose na Avenida dos Ipês n 565 na cidade de Horizontina totalizando 16 leituras durante todo o percurso Nos registros seguintes não se fez mais a leitura das altitudes já que o percurso é sempre o mesmo Após a verificação das altitudes do percurso iniciouse a coleta dos dados referentes à temperatura do motor do veículo para isso realizouse a coleta em duas etapas A etapa 1 caracterizase por não ter instalado o trocador de calor auxiliar no veículo e a temperatura é definida como T1 e a etapa 2 etapa caracterizase por ter instalado o trocador de calor auxiliar no veículo e a temperatura neste caso é definida como T2 27 Os dados coletados no percurso são os seguintes Data Hora Trocador de calor auxiliar instalado no veículo sim ou não Temperatura ambiente C ClimaTempo sol nublado ou chuvoso Altitude m Temperatura do veículo T1 e T2 C Tempo total do percurso min Velocidade média kmh O método utilizado para a coleta dos dados foi a verificação da temperatura do veículo ao longo de um percurso esta temperatura foi registrada em um tabela a cada 3 km percorridos e foi realizada da seguinte maneira Antes de iniciar o percurso tomouse nota da data e da hora temperatura do ambiente e o clima se sol nublado ou chuvoso Durante o percurso tomouse nota da temperatura da água a cada 3 km rodados E após o término do percurso tomouse nota do tempo que foi gasto para a realização do percurso e da velocidade média do percurso A vazão média da bomba foi adquirida através de sucessivas amostras coletadas no veículo 313 O percurso O percurso adotado para a coleta dos dados situase entre as cidades de Santa Rosa e Horizontina RS com uma distância total de 45 km com inicio na Avenida Tuparendi n 588 na cidade de Santa Rosa e segue na direção do parque de exposições chegando na BR 472 na rotatória saindo pela direita seguindo na direção do Hotel Villa Romana passando pela ponte sobre o Rio Santa Rosa até a RS 342 que da acesso a cidade de Três de Maio na rotatória tomando a direção da esquerda para a cidade de Horizontina até a rua da Campina acesso para o Campus da FAHOR seguindo até o campus na Avenida dos ipês n 565 onde termina o percurso Todo o percurso é visualizado no mapa da Figura 7 28 Figura 7 Mapa do percurso usado para a coleta dos dados Fonte Elaborado pelo autor 314 Instalação do trocador de calor auxiliar O trocador de calor auxiliar foi instalado na parte frontal esquerda do veículo de maneira a receber o ar ambiente diretamente sobre ele para que haja convecção naturalmente quando o veículo estiver parado e convecção forçada quando estiver em movimento Na Figura 8 é visto o trocador de calor já instalado no veículo na parte frontal esquerda logo abaixo do elemento do filtro do ar Figura 8 Trocador de calor auxiliar instalado Na esquerda Vista superior Na direita vista inferior Fonte Elaborado pelo autor A entrada do fluido quente no trocador de calor auxiliar é proveniente da parte de traz do cabeçote do motor e a saída do fluido quente do trocador de calor foi conectada à mangueira do reservatório de água conforme visto no esquema da Figura 9 29 Figura 9 Esquema de instalação do trocador de calor auxiliar Fonte Elaborado pelo autor 32 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Para que este trabalho fosse realizado bem como as pesquisas experimentais foi necessário a intervenção de alguns materiais O veículo utilizado para os teses tratase de uma camionete cabine dupla da marca Volkswagen modelo Saveiro CL de ano 1988 equipado com motor AP 16 litros ciclo Diesel e tem as suas temperaturas altas e oscilantes quando submetida a maiores esforços por diversos fatores como um aclive altas velocidades temperaturas elevadas de ambiente como no verão ou com muita carga E tem suas temperaturas reduzidas quando submetido a fatores como um declive baixas velocidades com pouca carga ou em temperaturas de ambiente baixas como no inverno ou dias chuvosos Por tanto o veículo possui as suas temperaturas altas e oscilantes o que compromete a vida útil do motor não passando dos 50 mil km rodados sem que seja feita uma reforma no mesmo O veículo possui instalado um indicador de temperatura visto na Figura 10 com graduação em graus Celsius e Fahrenheit instalado no console usado para coletar os dados de temperatura do fluido quente água que sai do motor 30 Figura 10 Indicador de temperatura com escala em graus Celsius e Fahrenheit Fonte Elaborado pelo autor O sensor de temperatura é instalado na mangueira superior do motor saída do fluido quente representado esquematicamente na Figura 11 e visto já instalado na Figura 12 Figura 11 Sistema de Refrigeração com a posição do sensor de temperatura instalado Fonte Adaptado de Soares et al 1978 p 258 31 Figura 12 Sensor de temperatura da água instalado Fonte Elaborado pelo autor Um GPS da Marca BAK modelo BKGPS5003 instalado no parabrisas do veículo através de seu suporte usado para a verificação e registro das altitudes em relação ao nível do mar durante todo o percurso e a cada 3 km também usado para o registro do tempo gasto no percurso e a velocidade média do percurso O trocador de calor auxiliar não foi devidamente fabricado ou construído devido aos altos custos para a produção de apenas um único produto Para Çengel e Ghajar 2012 um trocador de calor de prateleira tem grande vantagem de custo em relação aos feitos sob encomenda então se buscou um com a capacidade de transferência de calor e dimensões similares aos do projeto deste trabalho o mesmo aplicado nos veículos da Volkswagen modelo Gol Geração 5 utilizado para o uso do ar quente do mesmo visto na Figura 13 32 Figura 13 Trocador de calor auxiliar semelhante ao do projeto Fonte Elaborado pelo autor Na instalação foram usados dois metros de mangueira ¾ da marca Gates modelo MAA 300 resistente a alta pressão e temperatura e para a fixação da mesma foram usadas quatro abraçadeiras e uma conexão em forma de T ¾ de metal material visto na Figura 14 Figura 14 Material para instalação do trocador de calor auxiliar Fonte Elaborado pelo autor Na Figura 15 observase um termômetro digital que foi utilizado para a coleta de dados referentes à temperatura do fluido frio na saída do trocador de calor original do veículo 33 Figura 15 Termômetro digital Fonte Elaborado pelo autor Fezse uso do software Microsoft Word 2010 para a digitação edição e formatação de todo este trabalho bem como para a criação de tabelas para a coleta dos dados Também utilizouse o software Excel 2010 para a criação de tabelas com os dados coletados no percurso a partir das quais usouse para a confecção dos gráficos existente neste trabalho todos devidamente editados e formatados O software Solidworks 2012 foi utilizado no projeto para desenhar o trocador de calor auxiliar e suas partes principais seguindo rigorosamente todos os valores e medidas resultantes dos cálculos deste trabalho para assim melhor atender as necessidades do problema 34 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 41 EQUACIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR A partir das equações de balanço global de energia adquiriuse um modelo matemático do trocador de calor com aletas Estabeleceuse o projeto do trocador de calor auxiliar capacidades e dimensões com tubos aletados determinando a taxa de transferência global de calor Para tanto considerouse O tipo de trocador de calor Material empregado na construção Disposição das correntes Vazões Geometria das superfícies Temperaturas de entrada e saída No Quadro 01 estão representados os valores de temperatura de entrada e saída do fluido quente que neste caso é a água temperatura de entrada e saída do fluido frio que neste caso é o ar e também a vazão média do fluido quente Estes dados foram coletados no veículo Quadro 01 Dados de entrada para os cálculos DADOS INICIAIS Descrição Valor Unidade Temperatura de entrada da água Tqe 104 C Temperatura requerida na saída da água Tqs 92 C Temperatura de entrada do ar Tfe 23 C Temperatura de saída do ar Tfs 65 C Vazão média do fluido quente Q 03 ls Fonte Elaborado pelo autor 2014 Na Tabela 1 são mostrados diversos coeficientes de transmissão de calor por convecção em vários materiais e situações O trocador de calor do projeto em questão esta instalado em um veículo de passeio que pode estar em diversas 35 situações parado em baixas velocidades médias velocidades e ainda a ventoinha pode estar ligada forçando a passagem do ar pelo trocador de calor em qualquer situação Por tanto optouse por um valor médio de coeficiente de transmissão de calor por convecção de 150 Wm²C Tabela 1 Coeficientes de transmissão de calor por convecção Fonte Adaptado de Kreith 1977 p 11 No Quadro 2 estão relacionados algumas informações necessárias para o dimensionamento e que foram pesquisadas em tabelas Quadro 2 Dados consultados em tabela DADOS COLETADOS EM TABELAS Descrição Valor Unidade Calor específico da água a 100C Cp 4211 kJkgC Massa especifica da água a 90C ρ 965 kgm3 Viscosidade cinemática da água a 90 C ν 0326x106 m2s Condutividade térmica do alumínio K 230 Wmc Coeficiente de transferência de calor por convecção adotado h 150 Wm²c Fonte Elaborado pelo autor 411 Taxa necessária para a transferência de calor Primeiramente calculase a taxa de transferência de calor necessária para resfriar o fluido quente que está a temperatura de 104C para uma temperatura de 92C e o cálculo se da por maio da Equação 2 Logo a vazão mássica do fluido é 36 q Q ρ 00003 965 02895 kgs Então temse q q Cpq 𝑇qe 𝑇qs q 0289 4211 104 92 q 14600 W No Quadro 3 demonstrase a taxa de transferência de calor necessária para reduzir a temperatura do fluido quente e a vazão mássica do fluido quente Quadro 3 Dados calculados DADOS CALCULADOS Descrição Valor Unidade Vazão mássica do fluido quente a 90C q 0289 kgs Taxa de transferência de calor necessária q 146 kW Fonte Elaborado pelo autor A taxa de transferência de calor necessária para reduzir a temperatura do fluido quente é de 146 kW Fazse então necessário a construção de um trocador de calor com esta capacidade de transferência de calor e com os critérios de otimização Também alguns critérios de otimização foram observados tais como espaço disponível no veículo custo mínimo para a realização do projeto pouco peso dos materiais e condutividade térmica do material boa Para isso optouse pelo material alumínio que é adequado aos critérios de otimização do projeto Os detalhes são vistos no Quadro 4 Quadro 4 Critérios para otimização do projeto CRITÉRIOS DE OTIMIZAÇÃO Critério Descrição Espaço disponível no veículo base altura e profundidade 200 x 300 x 100 mm Peso Abaixo de 2 Kg Condutividade térmica Acima de 200 Wm2C Fonte Elaborado pelo autor 37 No Quadro 5 estão dispostos as características e dimensões dos materiais empregados no projeto do trocador de calor auxiliar como o diâmetro comercial do tubo espessura do tubo espessura da aleta e a condutividade térmica do alumínio A geometria do trocador de calor escolhida foi de feixe de tubos cilíndricos com aletas de chapas contínuas Quadro 5 Características para o trocador de calor auxiliar CARACTERISITCAS E CRITÉRIOS PARA O DIMENCIONAMENTO Material Alumínio Descrição Valor Unidade Diâmetro comercial do tubo encontrado 80 mm Diâmetro interno do tubo 60 mm Espessura do tubo 10 mm Espessura da aleta comercial encontrada t 02 mm Fonte Elaborado pelo autor Após ter escolhido a geometria da superfície dos materiais a serem empregados no projeto de trocador de calor auxiliar e observando os critérios de otimização impôsse as restrições adicionais vistas no Quadro 6 Quadro 6 Características impostas levando em conta os critérios de otimização CARACTERISITCAS IMPOSTAS PELO AUTOR Descrição Valor Unidade Comprimento dos tubos 180 mm Numero de tubos 20 Qnt Passo dos tubos na longitudinal 18 mm Passo dos tubos na transversal 21 mm Espaçamento entre aletas 10 mm Comprimento da aleta 192 mm Largura da aleta 39 mm Diâmetro dos furos da aleta 80 mm Numero de aletas 150 Qnt Fonte Elaborado pelo autor 38 412 Número de Reynolds para o escoamento Para o conhecimento do escoamento no interior dos tubos circulares do projeto do trocador de calor auxiliar foi determinado o numero de Reynolds a partir da velocidade média do escoamento do diâmetro interno do tubo e da viscosidade cinemática da água a 90C aplicandose a Equação 5 𝑒 𝑒 𝑒 O escoamento é turbulento para essas condições pois segundo Incropera e DeWitt 1996 Re 2300 corresponde ao surgimento de turbulência 413 Método DTML para transferência de calor Sendo que ΔT1 Tqe Tfs 104C 65C 39 C ΔT2 Tqs Tfe 92C 23C 69 C Aplicandose a Equação 3 temse ΔT ΔT1 ΔT2 ΔT1 ΔT2 ΔT ΔTlm 526 C 414 Fator de correção F A ΔTlm deve ser calculada nas condições de contracorrente e o fator de correção F deve ser aplicado para isso os parâmetros P e R devem ser calculados 𝑇 P 015 𝑇 𝑇 R 35 Com os parâmetro já calculados encontrase o fator de correção F no gráfico da Figura 16 O valor de F encontrado é 096 39 Figura 16 Gráfico de fator de correção F para trocador de calor com único passe com escoamento cruzado e com dois fluidos sem mistura Fonte Adaptado de Çengel e Ghajar 2012 p 645 Aplicandose o fator de correção F ao ΔTlm temse Δ𝑇lm Δ𝑇𝑚l F Δ𝑇lm 526 096 Δ𝑇lm 505 C 415 Coeficiente global de transferência de calor Calculado a partir da Equação 1 U A ΔTlm onde A é a área de transferência de calor do trocador de calor auxiliar dimensionado e é dada por A Atc Af Al m² Onde Af é a área de transferência de calor total das aletas e Al é a área de transferência de calor total da fração lisa dos tubos E são dadas por Af Nal 2Aal Afr Al Ntb Atb Apf Nal Onde Aal é a área de uma aleta bh Atb é a área externa do tubo 2πRtubol 40 Apf é a área do perímetro do furo 2πRtubot Afr é a soma das áreas dos furos das aletas 20πRtubo² Nal é o numero total de aletas do trocador de calor 150 Ntb é o numero total de tubos do trocador de calor 20 l é o comprimento total dos tubos t é a espessura da aleta Af Nal 2Aal Afr Af 150 2000748 0001 Af 1944 m² Al Ntb Atb Apf Nal Al 20 000452 000000502 150 Al 007534 m² Atc Af Al Atc 1944 007534 Atc 2019 m² U A ΔTlm 150 202 505 153015 w Isto significa que o coeficiente global de transferência de calor para um trocador de calor ideal sem perdas nas aletas é de 153 kW porém sabese que existem perdas nas aletas que devem ser levado em consideração 415 Eficiência da aleta Para ter um valor mais próximo da realidade devese determinar a eficiência da aleta calculando o parâmetro ξ e aplicando o valor no gráfico da Figura 17 ξ ξ 2 1 23 2 ξ 04 41 Figura 17 Eficiência das aletas Fonte Adaptado de Çengel e Ghajar 2012 p 172 O valor da eficiência da aleta encontrado no gráfico é de 096 Assim determinase a transferência de calor real do trocador de calor auxiliar dimensionado Aplicandose a Equação 6 temse 𝑄 𝑒 𝑄 𝑒 𝑄 𝑒 𝑄 𝑒 Isto significa que o trocador de calor auxiliar calculado neste trabalho tem a taxa de transferência de calor real na ordem de 148 kW Logo entendese que para uma necessidade de 146 kW o projeto atende as necessidades do problema 42 41 Dimensões do trocador de calor auxiliar Após a conclusão dos cálculos o dimensionamento do trocador de calor foi efetuado observando todos os resultados obtidos algumas simplificações foram feitas sempre procurando aumentar a eficiência do trocador de calor As dimensões das aletas são vistas na Figura 18 bem como o passo dos tubos Figura 18 Aletas mm Fonte Elaborado pelo autor As dimensões finais do trocador de calor auxiliar estão dispostas na Figura 19 que foram obtidas utilizandose do software SolidWorks 2012 43 Figura 19 Trocador de calor auxiliar mm Fonte Elaborado pelo autor 43 VALORES DOS DADOS COLETADOS Os dados coletados no percurso referentes às altitudes estão todos relacionados no Quadro 7 a partir destes dados criouse o gráfico visto na Figura 20 que representa graficamente as altitudes do percurso assim podese ter uma ideia dos aclives e declives existentes entre as cidades de Santa Rosa RS e Horizontina RS respectivamente Quadro 7 Altitudes entre Santa Rosa e Horizontina RS Fonte Elaborado pelo autor N Leitura 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Km 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 Altitudes 290 320 340 320 290 230 200 310 310 310 350 340 350 360 330 320 Quadro das Altitudes 44 Na leitura de n 7 do Quadro 7 no km 18 do percurso registrouse a menor altitude do percurso 200 m que se encontra exatamente sobre a ponte do rio Santa Rosa Na leitura de n 14 no km 39 do percurso registrouse a maior altitude 360 m que se encontra a 6 km da cidade de Horizontina Figura 20 Gráfico da Altitude X Percurso Fonte Elaborado pelo Autor Após terse descoberto os aclives e declives do percurso buscouse as informações referentes às temperaturas do fluido quente T1 e T2 que sai do motor Na Tabela 2 estão dispostas as temperaturas do fluido quente T1 sem o trocador de calor auxiliar instalado no veículo 45 Tabela 2 Dados coletados na etapa 1 sem o trocador de calor auxiliar Fonte Elaborado pelo autor Através das informações registradas da Tabela 2 criouse o gráfico Temperaturas T1 em função de Percurso visto na Figura 21 para uma melhor compreensão e visualização dos dados fornecidos pela pesquisa da etapa 1 Figura 21 Gráfico da Temperatura T1 X Percurso Fonte Elaborado pelo autor Data 17092014 T Amb 23C n leitura Km Altitude Temp Agua Outros 1 0 290 50 Hora I 2 3 320 83 1502 3 6 340 87 Tempo 4 9 320 82 40 min 5 12 290 90 Vel Média 6 15 230 85 67kmh 7 18 200 90 8 21 310 96 Hora f 9 24 310 91 1542 10 27 310 82 11 30 350 90 Clima 12 33 340 100 Nublado 13 36 350 103 14 39 360 102 15 42 330 104 16 45 320 90 TABELA DE DADOS Etapa1 46 Neste gráfico é visível o real problema em questão como temperaturas altas que chegam até 104C e temperaturas oscilantes que variam ao longo de todo o percurso mostrando uma real instabilidade na temperatura do veículo Após a instalação do trocador de calor auxiliar no veículo iniciouse a coleta das informações da etapa 2 que são mostrados na Tabela 3 Tabela 3 Dados coletados na etapa 2 com trocador de calor auxiliar Fonte Elaborado pelo autor Posteriormente foi criado o gráfico da Temperatura T2 em função do Percurso visto na Figura 22 Data 07102014 T Amb 23 C n leitura Km Altitude Temp Agua Outros 1 0 290 60 Hora I 2 3 320 80 1457 3 6 340 80 Tempo 4 9 320 80 38 min 5 12 290 82 Vel Média 6 15 230 78 71 kmh 7 18 200 78 8 21 310 95 hora f 9 24 310 87 1535 10 27 310 87 11 30 350 83 Clima 12 33 340 85 Sol 13 36 350 87 14 39 360 91 15 42 330 91 16 45 320 82 TABELA DE DADOS Etapa 2 47 Figura 22 Gráfico da temperatura T2 X Percurso Fonte Elaborado pelo autor 431 Análise dos dados coletados Na Figura 23 encontrase um gráfico cujo cruzamento de dados é referente da Tabela 1 T1 e do Quadro 7 Altitudes pela distância do percurso onde podese comprovar que Quando há um aumento na altitude ou seja um aclive há também um aumento na temperatura do fluido quente que sai do motor e pode ser evidenciado nos quilômetros 0 à 6 18 à 21 e 27 à 30 Figura 23 Gráfico da Temperatura T1 e Altitude X Percurso Fonte Elaborado pelo autor 48 Quando há uma diminuição da altitude ou seja um declive há uma diminuição da temperatura do fluido quente que sai do motor fato evidenciado no quilômetros 6 à 9 12 à 15 e 42 à 45 Quando há uma planície a temperatura também diminui fato evidenciado entre os quilômetros 21 à 27 A comparação das informações das temperaturas T1 e T2 das etapas 1 e 2 são representadas no gráfico Temperaturas T1 e T2 em função do Percurso da Figura 24 Neste gráfico podese comparar as duas temperaturas e evidenciar a diferença entre elas devido a presença do trocador de calor auxiliar instalado no veículo Figura 24 Temperatura T1 e T2 X Percurso Fonte Elaborado pelo autor Na linha T1 onde não existe trocador de calor auxiliar instalado evidenciase curvas mais agressivas Já na linha T2 onde o trocador de calor auxiliar encontrase instalado são encontradas curvas menos agressivas do que as curvas da linha T1 49 5 CONCLUSÕES O presente trabalho apresentou o dimensionamento de um trocador de calor para auxiliar para o arrefecimento de um motor ciclo Diesel de uma camionete cabine dupla saveiro do fabricante Volkswagen onde há um problema de aquecimento excessivo e oscilante da temperatura do motor quando o mesmo é submetido a maiores esforços O memorial de cálculo para o dimensionamento correto do trocador de calor auxiliar foi executado com clareza e objetividade revisouse todos os cálculos para que a taxa de erros nos valores finais sejam as menores possíveis e assim estão mais próximos da realidade O dimensionamento do trocador de calor auxiliar obtevese com clareza e simplicidade mas o mesmo não foi produzido por motivos de custos pois fabricar apenas um produto encareceo significativamente então foi encontrado um com características semelhantes que suprisse as necessidades do projeto satisfazendo assim as necessidades do problema Os testes foram feitos antes e após a instalação do trocador de calor auxiliar coletando todos os dados com clareza e fidelidade visando sempre a qualidade e a precisão das informações Na comparação das informações percebeuse a real diferença entre a etapa 1 e a etapa 2 Concluise que o trocador de calor auxiliar calculado dimensionado e testado obteve melhoras significativas nas temperaturas do veículo mantendose mais próximas dos padrões estabelecidos para motores Diesel satisfazendo as necessidades do problema em questão e o que certamente aumentará a vida útil do motor 50 6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Uma sugestão para trabalhos futuros é o dimensionamento de um único trocador de calor para o veículo ou seja somandose as taxas de transferência de calor dos dois trocadores de calor o original e o dimensionado neste trabalho e aplicandose em um projeto de um único trocador de calor e melhorando ainda mais a eficiência da troca 51 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAÚJO CELSO DE Transmissão de Calor Rio de Janeiro Livros técnicos e Científicos SA 1978 ARIAZPAZ MANUEL Manual de automóveis 2 ed Madrid EDITORA MESTRE JOU1970 BRAGA FILHO WASHINGTON Transmissão de calor São Paulo Editora THOMSON PIONEIRA 2004 ÇENGEL Y A GHAJAR A J Transferência de Calor e Massa 4 ed Porto Alegre Editora Mc Graw Hill bookman AMGH Editora Ltda 2012 INCROPERA F P DEWITT D P Fundamentos de transferência de calor e de massa 4 ed Rio de Janeiro Livros técnicas e Científicos Editora SA 1996 KREITH FRANK Princípios da transmissão de calor 3 ed São Paulo EDITORA EDGARD BLÜCHER LTDA 1977 SOARES J DE B et al Motores Diesel São Paulo Editora hemus livraria editora limitada 1978 52 APÊNDICE A FICHA DE REGISTRO DAS ALTITUDES 53 APÊNDICE B FICHA DE REGISTRO DE DADOS DA ETAPA 1 54 APÊNDICE C FICHA DE REGISTRO DE DADOS DA ETAPA 2 55 ANEXO A CARACTERÍSTICAS DA MANGUEIRA UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA HENRIQUE GUILARDUCCI DE MELO DIMENSIONAMENTO DE UM RADIADOR AUTOMOTIVO ALETADO E ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS GEOMÉTRICOS NO SEU DESEMPENHO OURO PRETO MG 2019 HENRIQUE GUILARDUCCI DE MELO henriqueguilarduccialunoufopedubr DIMENSIONAMENTO DE UM RADIADOR AUTOMOTIVO ALETADO E ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS GEOMÉTRICOS NO SEU DESEMPENHO Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico Professor orientador DSc Luís Antônio Bortolaia OURO PRETO MG 2019 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ATA DA DEFESA Ao 4º dia do mês de Julho do ano de dois mil e dezenove às 9h30 horas no auditório da Escola de Minas localizado na Escola de Minas Campus Ouro Preto UFOP foi realizada a defesa de monografia do aluno Henrique Guilarducci de Melo sendo a comissão examinadora constituída pelos professores Profª DSc Elisângela Martins Leal Prof DSc Cláudio Márcio Santana e Prof DSc Luís Antônio Bortolaia O candidato apresentou o trabalho intitulado Dimensionamento de um radiador automotivo aletado e análise da influência dos parâmetros geométricos no seu desempenho sob orientação do Prof DSc Luís Antônio Bortolaia Após as observações dos avaliadores em comum acordo os presentes consideram o aluno aprovado Ouro Preto 04 de Julho de 2019 Prof DSc Luís Antônio Bortolaia Professor Orientador Profª DSc Elisângela Martins Leal Professor Avaliador Prof DSc Cláudio Márcio Santana Professor Avaliador Henrique Guilarducci de Melo Aluno A Deus meu pai Sebastião minha mãe Sandra minha irmã Ana Cláudia meus avós e todos que estiveram comigo durante essa caminhada AGRADECIMENTO Agradeço primeiramente a Deus por todas as bênçãos em minha vida Agradeço aos meus pais Sebastião e Sandra por serem exemplo de amor compreensão amizade e nunca medirem esforços A minha irmã Ana Cláudia Aos meus avós Luiz Donana e Zé Niquinha infelizmente não estão mais presentes e vó Dadaça por toda a preocupação e oração E a toda a minha família A UFOP Escola de Minas Todos os professores que dividiram um pouco de seu conhecimento comigo em especial meu orientador professor Bortolaia pela orientação e paciência A Ouro Preto A vida é muito curta para não morar em Ouro Preto A todos os amigos de infância e aos que fiz durante toda essa trajetória Por fim a república Covil todos os exalunos e moradores Hasta la victoria siempre Che Guevara i R E S U M O MELO Henrique Guilarducci Dimensionamento de um radiador automotivo aletado e análise da influência dos parâmetros geométricos no seu desempenho Monografia Graduação em Engenharia Mecânica Escola de Minas Universidade Federal de Ouro Preto 63 páginas 2019 Os motores de combustão interna geram grande taxa de calor durante seu funcionamento sendo que o sistema de arrefecimento é o responsável pela retirada de boa parte do calor O radiador é o principal equipamento desse sistema ele garante melhor eficiência do motor e maior vida útil dos componentes O presente trabalho realiza os cálculos pertinentes ao dimensionamento de um radiador e faz análise da influência de alguns parâmetros geométricos número de aletas altura dos tubos número de tubos e espessura das aletas no desempenho do equipamento Todos os cálculos são realizados no software Microsoft Office Excel onde os dados de entrada foram os parâmetros geométricos e os resultados que demonstram o desempenho do radiador foram o coeficiente global de transferência de calor Número de Unidades de Transferência NTU eficiência global da superfície das aletas efetividade e taxa de transferência de calor O trabalho trata de uma revisão bibliográfica e um estudo de caso Os dados iniciais geométricos e operacionais são retirados de um estudo de caso O radiador em questão necessita retirar do motor para o ambiente 23kW Após os cálculos básicos do equipamento comprovouse a eficácia do mesmo que retira 3845kW Depois foram variados os parâmetros geométricos e analisado a influência no desempenho final do radiador Percebese que o aumento no número de aletas e espessura das aletas influenciam de maneira positiva aumentando a taxa de transferência de calor em 61 e 9 respectivamente Já a altura dos tubos e o número de tubos influenciam de maneira negativa a diminuição é de 22 e 3 respectivamente Concluise que o aumento no número de aletas é o parâmetro geométrico mais influente Com ele acontece um aumento da área de troca térmica na parte externa e um aumento da turbulência do escoamento externo estas duas mudanças são benéficas para o melhor desempenho do radiador Palavraschave Motor de combustão interna Radiador Trocador de calor compacto Eficiência global da superfície das aletas Método da efetividade NTU Influência geométrica Desempenho Térmico ii ABSTRACT MELO Henrique Guilarducci Dimensioning of a finned automotive radiator and analysis of the influence of geometric parameters on its performance Bachelor degree in Mechanical Engineering School of Mining Federal University of Ouro Preto 63 pages 2019 Internal combustion engines generate a high rate of heat during operation the cooling system is responsible for the removal of much of the heat The radiator is the main equipment of this system It ensures better engine efficiency and longer component life The present work makes the calculations pertinent to the design of a radiator and analyzes the influence of some geometric parameters number of fins tube height number of tubes and thickness of fins in the performance of the equipment All calculations were performed in Microsoft Office Excel software where the input data were the geometric parameters and the results that demonstrate the radiator performance were global coefficient of heat transfer number and transfer units NTU surface efficiency of the fin effectiveness and heat transfer rate The work is a bibliographical review and a case study The initial geometric and operational data were taken from a case study The radiator in question needs to be removed from the engine to the 23kW environment After the basic calculations of the equipment the efficiency of the equipment which withdraws 3845kW has been proven Then geometric parameters were varied and the influence on the final performance of the radiator was analyzed It can be seen that the increase in the number of fins and thickness of the fins influence positively the increase in the heat transfer rate is 61 and 9 respectively Since the height of the tubes and the number of tubes influence negatively the decrease is 22 and 3 respectively It is concluded with the work that the increase in the number of fins is the most influential geometric parameter With it happens an increase of the area of thermal exchange in the outside and an increase of the turbulence of the external flow The two changes beneficial to the best performance of the radiator Keywords Internal combustion engine Radiator Compact heat exchanger fin surface Efficiency NTU effectiveness method Geometric influence Thermal performance iii LISTA DE SIMBOLOS A Área total de troca térmica do trocador de calor m² A0 Área externa de fluxo livre m² Aaletabase Área da superfície total das aletas mais a área da base de um único tubo m² Aaleta Área da superfície de uma aleta m² Ab Área da superfície da base do radiador m² Af Área frontal do radiador m² Atotal Área externa total de troca térmica m² Atubo Área da seção transversal do tubo m² C Capacidade térmica kWK Cmin Capacidade térmica mínima do fluido kWK cp Calor específico do fluido kJkgK Dhidraulico Diâmetro hidráulico m h Coeficiente de transferência de calor por convecção Wm2K Haleta Espessura de uma aleta m Hradiador Altura total do radiador m Htubo Altura do tubo m kf Condutividade térmica do fluido WmK Km Condutividade térmica do material WmK Laleta Altura da aleta m Lc Comprimento corrigido da aleta m Lradiador Comprimento total do radiador m Ltubo Comprimento do tubo m m Coeficiente para cálculo da aleta m1 Vazão mássica do fluido kgs iv NTU Número de Unidades de Transferência Nu Número de Nusselt Pr Número de Prandtl Ptubo Perímetro do tubo m Taxa de transferência de calor real kW qaleta Taxa de transferência de calor com aleta kW Taxa de transferência de calor máxima kW qsaleta Taxa de transferência de calor na superfície sem aleta kW Rcond Resistência térmica por condução KW Rconv Resistência térmica por convecção KW Re Número de Reynolds Requi Resistência térmica equivalente KW Rf Fator de incrustação m2KW ou m2W Rinc Resistência térmica devida à incrustação KW Rtotequi Resistência total equivalente KW s Distância entre duas aletas m Te Temperatura de entrada ºC Tfe Temperatura de entrada do fluido frio Cº Tf Temperatura média ºC Tqe Temperatura de entrada do fluido quente Cº Ts Temperatura de saída ºC U Coeficiente global de transferência de calor kWm²K Vol Volume do radiador m³ Waleta Comprimento da aleta m Wradiador Largura do radiador m v Wtubo Largura do tubo m ε Efetividade η0 Eficiência global da superfície das aletas ηaleta Eficiência de uma aleta μ Viscosidade dinâmica do fluido kgms ν Velocidade do fluido ms ρ Massa específica kgm3 vi LISTA DE FIGURAS Figura 1 Esquema de produção de trabalho de um motor 4 Figura 2 Conjunto pistão biela e virabrequim 5 Figura 3 Funcionamento de um motor a 2 tempos ciclo Otto 6 Figura 4 Tempo de admissão 7 Figura 5 Tempo de compressão 7 Figura 6 Tempo de expansão 8 Figura 7 Tempo de exaustão 8 Figura 8 Formas de transferência de calor 9 Figura 9 Transferência de calor por condução 9 Figura 10 Transferência de calor por radiação 10 Figura 11 Transferência de calor por convecção 10 Figura 12 Temperatura média dos componentes principais 10 Figura 13 Sistema de arrefecimento a ar do VW Fusca 12 Figura 14 Fluxo da água de arrefecimento do motor no sistema de circulação forçada 13 Figura 15 Sistema de arrefecimento de circulação forçada 13 Figura 16 Diferentes regimes de escoamento para trocador de calor duplo tubo 15 Figura 17 Esquema de um trocador de calor casco tubo 16 Figura 18 Representação esquemática do sistema de arrefecimento veicular 16 Figura 19 Composição de um radiador 17 Figura 20 Trocador de calor compacto a elementos básicos b dois tipos de escoamento 18 Figura 21 Geometria das aletas 18 Figura 22 Esquema do radiador 19 Figura 23 Esquema de um tubo 19 vii Figura 24 Geometria real da aleta 20 Figura 25 Geometria assumida da aleta 20 Figura 26 Metodologia para projeto de um trocador de calor 24 Figura 27 Efetividade de um trocador de calor com fluidos cruzados e com os dois fluidos não misturados em função do número de unidade de transferência 28 Figura 28 Número de Nusselt para escoamento laminar em diferentes geometrias de dutos 33 Figura 29 Planejamento para o dimensionamento do radiador 36 Figura 30 Radiador brasado de alumínio 37 Figura 31 Esquema do radiador 42 Figura 32 Esquema de um tubo 42 Figura 33 Geometria assumida da aleta 43 Figura 34 Arranjos dos trocadores de calor de acordo com o grau de compactação do equipamento 46 Figura 35 Influência do número de aletas na efetividade na eficiência global da superfície das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA 47 Figura 36 Influência do número de aletas na taxa de transferência de calor 48 Figura 37 Influência da altura do tubo na efetividade na eficiência global superficial das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA 49 Figura 38 Influência da altura do tubo na taxa de transferência de calor 50 Figura 39 Influência do número de tubos na efetividade na eficiência global superficial das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA 51 Figura 40 Influência do número de tubos na taxa de transferência de calor 54 Figura 41 Influência da espessura da aleta na efetividade na eficiência superficial da aleta no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA 56 Figura 42 Influência da espessura da aleta na taxa de transferência de calor 57 Figura 43 Resultados resumidos 58 viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 Efetividade ε em função da razão entre as taxas de capacidade térmica Cmin Cmáx e o número de unidades de transferência NTU para condição de escoamento cruzado com os dois fluidos não misturados 29 Tabela 2 Fatores de incrustação representativos resistência térmica devido à incrustação para uma unidade de superfície 31 Tabela 3 Dimensões básicas do radiador 37 Tabela 4 Variáveis e indicadores para projeto de um radiador 38 Tabela 5 Dados de rejeição térmica e vazão de água 39 Tabela 6 Dados de temperatura e vazão 40 Tabela 7 Calor específico dos fluidos 40 Tabela 8 Capacidade térmica dos fluidos 41 Tabela 9 Taxa de transferência de calor máxima 41 Tabela 10 Efetividade 41 Tabela 11 Parâmetros geométricos do radiador 43 Tabela 12 Áreas das geometrias 44 Tabela 13 Dados de saída 45 Tabela 14 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com o número de aletas 47 Tabela 15 Variação das áreas de acordo com o aumento do número de aletas 48 Tabela 16 Percentual de aumento da taxa de transferência de calor de acordo com o número de aletas 48 Tabela 17 Variação no número de Reynolds de acordo com o número de tubos 50 Tabela 18 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com a altura do tubo 50 Tabela 19 Porcentagem da variação da taxa de transferência de calor de acordo com a altura do tubo 51 ix Tabela 20 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com o número de tubos 52 Tabela 21 Valores da efetividade da eficiência global superficial das aletas do Número de Unidades de Transferência NTU e do produto UA de acordo com o número de tubos 53 Tabela 22 Valores da taxa de transferência de calor de acordo com o número de tubos 55 Tabela 23 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com espessura da aleta 56 Tabela 24 Porcentagem da variação da taxa de transferência de calor de acordo com espessura da aleta 57 Tabela 25 Influência de alguns parâmetros 60 x SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 1 11 Formulação do Problema 1 12 Justificativa 2 13 Objetivos 2 131 Geral 2 132 Específicos 3 14 Estrutura do Trabalho 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4 21 Motor de combustão interna 4 211 Motores ciclo Otto de quatro tempos 6 212 Fluxos de calor gerado em um motor de combustão interna 8 22 Sistema de arrefecimento 11 23 Trocadores de calor compactos 14 231 Radiador 17 232 Aspectos gerais da composição 17 233 Parâmetros geométricos 19 234 Dimensionamento e análise 23 235 Desempenho do radiador 24 3 METODOLOGIA 35 31 Tipo de pesquisa 35 32 Materiais e métodos 36 33 Variáveis e indicadores 37 34 Coleta de dados 38 35 Apresentação dos dados 38 36 Considerações finais 38 4 RESULTADOS 39 41 Dados de entrada e considerações iniciais 39 42 Análise paramétrica do radiador 41 421 Cálculos iniciais do radiador 42 422 Influência do número de aletas 46 xi 423 Influência da altura do tubo Htubo 49 424 Influência do número de tubos 51 425 Influência da espessura da aleta Haleta 56 43 Análise dos resultados 57 5 CONCLUSÃO 59 51 Conclusões 59 52 Recomendações 60 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 61 1 1 INTRODUÇÃO 11 Formulação do Problema Segundo Brunetti 2012 máquinas térmicas são aquelas que transformam calor em trabalho Essa transformação é obtida de diferentes fontes energia química energia elétrica energia nuclear entre outras O trabalho em questão foca na conversão da energia química dos combustíveis combustão em energia mecânica que é o caso dos motores a combustão interna veicular Os modelos atuais de veículos automotores operam segundo dois ciclos Ciclo Otto e Ciclo Diesel O primeiro trabalha geralmente com três combustíveis gasolina eou álcool ou gás natural O segundo com óleo Diesel No ciclo Otto o pistão comprime a mistura ar combustível até o ponto morto superior e a vela produz a centelha elétrica para que ocorra a combustão Já no ciclo Diesel apenas o ar é comprimido quando o pistão chega ao ponto morto superior os bicos injetores injetam o combustível que ao entrar em contato com o ar comprimido entra em combustão Os motores de ciclo Otto também são conhecidos como Motores de ignição por faísca e os motores de ciclo Diesel por Motores de ignição espontânea BRUNETTI 2012 Essa combustão gera a expansão dos gases e com isso um grande aumento de pressão dentro do cilindro o que faz com que o pistão seja empurrado para baixo assim transformando a energia química dos combustíveis em energia mecânica Uma grande parcela dessa energia é transformada em calor atrito entre outras Com isso o conhecimento dos materiais a serem aplicados nesse sistema faz se de suma importância já que serão atingidos altíssimos valores de temperatura e pressão BRUNETTI 2012 Na corrida do mercado automobilístico as empresas procuram desenvolver motores cada vez mais potentes e leves exigindo cada vez mais desenvolvimento de tecnologias dos materiais que serão utilizados nesse sistema A eficiência dos motores de combustão interna está ligada diretamente a temperatura de trabalho LORA E NASCIMENTO 2004 Todas essas variáveis agridem severamente os materiais que constituem esse sistema Por isso a necessidade de dissipar boa parte desse calor para o ambiente Nos veículos a função de fazer tal dissipação de calor é do sistema de arrefecimento Segundo Brunetti 2012 o sistema de arrefecimento dissipa de 25 a 30 de todo calor 2 gerado no processo de combustão Para tal afirmativa necessitase um sistema de arrefecimento compacto e leve Diante do que foi dito anteriormente temse o seguinte problema Como dimensionar e analisar a influência dos parâmetros geométricos no desempenho de um radiador aletado 12 Justificativa Como visto anteriormente os motores de combustão interna geram uma grande quantidade de calor durante seu funcionamento assim atingindo altíssimas temperaturas de trabalho Devido a essas condições os materiais que constituem esse sistema são agredidos severamente durante o trabalho assim necessitando de um sistema que dissipe boa parte do calor gerado Nos motores de combustão interna veicular o sistema de arrefecimento é o responsável pela dissipação desse calor Com as solicitações térmicas cada vez maiores devido à procura do mercado por veículos cada vez mais potentes e leves temse também a necessidade de sistemas de arrefecimento cada vez com maior rendimento O principal componente do sistema de arrefecimento veicular é o radiador O radiador veicular é um trocador de calor compacto que precisa ser projetado de maneira que consiga realizar a retirada de calor do sistema e que influencie minimamente no layout e na aerodinâmica do veículo Para a realização desse projeto é de suma importância o conhecimento da metodologia e dos equacionamentos envolvidos no mesmo Além disso é necessário determinar as variáveis e parâmetros geométricos que mais influenciam no rendimento desse trocador de calor a fim de obter o ponto ideal para trabalho 13 Objetivos 131 Geral Analisar as principais variáveis e parâmetros geométricos que influenciam no rendimento de um radiador aletado 3 132 Específicos Realizar um estudo sobre os fluxos de calor envolvidos nos motores de combustão interna e seu sistema de arrefecimento Estabelecer o ponto ideal de trabalho para um radiador veicular Dimensionar um radiador aletado veicular Analisar as variáveis e parâmetros geométricos que mais influenciam no desempenho de um radiador aletado veicular 14 Estrutura do Trabalho Esse trabalho é dividido em cinco capítulos sendo o primeiro a introdução onde será apresentada a formulação do problema a justificativa para resolver o mesmo os objetivos gerais e específicos do trabalho No segundo capítulo iremos tratar da fundamentação teórica na qual o trabalho está inserido e o embasamento teórico que será utilizado para o desenvolvimento dos demais capítulos No terceiro capítulo será apresentada a metodologia de estudo ferramentas materiais entre outras técnicas que serão utilizadas para a resolução do problema Já o quarto capítulo apresenta e discuti os resultados encontrados durante o trabalho Para finalizar o quinto capítulo será a conclusão que tem por objetivo mostrar as considerações finais de todo trabalho acima 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nesse capítulo é abordada a fundamentação teórica dos itens apresentados na formulação do problema passando por motores de combustão interna os fluxos de calor nele gerado sistema de arrefecimento radiador veicular conceitos de transferência de calor e por fim equacionamento para projeto de um radiador aletado veicular 21 Motor de combustão interna Segundo Tillmann 2013 motores de combustão interna são máquinas térmicas que transformam a energia química dos combustíveis em energia mecânica trabalho Nos veículos são utilizados motores alternativos MORAN SHAPIRO 2002 Esses motores operam segundo o princípio de dois ciclos ciclo Otto e ciclo Diesel E possuem duas sequências possíveis Dois tempos ou Quatro tempos TILLMANN 2013 A Figura 1 mostra a transformação da energia química em trabalho Figura 1 Esquema de produção de trabalho de um motor Fonte Luz 2018 Os ciclos Otto e Diesel quanto à construção mecânica não apresentam grandes diferenças a não ser a maior robustez do motor Diesel devido as maiores taxas de compressão 5 BRUNETTI 2012 E também como comentado acima pelo combustível e a forma de como ocorre à compressão dentro do cilindro Os motores alternativos possuem suas partes divididas em dois principais grupos partes fixas e partes móveis As principais partes fixas são Bloco Cárter e Cabeça do motor E as partes móveis Virabrequim Pistão Biela Árvore de comando de válvulas LIMA et al 2009 O movimento alternativo do pistão dentro do cilindro é transformado em movimento rotativo através da biela e do virabrequim LUZ 2018 A Figura 2 mostra o conjunto pistão biela e virabrequim montado Figura 2 Conjunto pistão biela e virabrequim Fonte CAR UP 2017 Nos motores de dois tempos Figura 3 na primeira etapa ocorre a compressão e admissão ao mesmo tempo e na segunda etapa a combustão e exaustão dos gases Já nos motores de quatro tempos cada um desses passos ocorre de forma separada 6 Figura 3 Funcionamento de um motor a 2 tempos ciclo Otto Fonte Tillmann 2013 211 Motores ciclo Otto de quatro tempos A maioria dos motores veiculares atuais trabalham segundo o ciclo Otto de quatro tempos Esse ciclo foi patenteado pelo engenheiro alemão Nikolaus August Otto por volta de 1876 e tem seu princípio de funcionamento utilizado até os dias atuais SPRING 2018 Esse motor funciona pela repetição ordenada de quatro movimentos chamados de tempo do motor são eles Admissão com a válvula de escapamento fechada a válvula de admissão vai abrindo progressivamente O êmbolo do pistão deslocase do ponto morto superior para o ponto morto inferior aspirando à mistura arcombustível Figura 4 7 Figura 4 Tempo de admissão Fonte ROSA E OLIVEIRA apud FIAT 2003 Compressão com as duas válvulas fechadas o êmbolo do pistão inverte seu movimento agora indo do ponto morto inferior para o ponto morto superior comprimindo a mistura arcombustível na câmara de combustão Figura 5 Figura 5 Tempo de compressão Fonte ROSA E OLIVEIRA apud FIAT 2003 Expansão com as duas válvulas ainda fechadas a mistura arcombustível comprimida é inflamada por uma centelha vinda da vela de ignição com a queima formase gases que expandem e empurram êmbolo do pistão para o ponto morto inferior Figura 6 8 Figura 6 Tempo de expansão Fonte ROSA E OLIVEIRA apud FIAT 2003 Exaustão com a válvula de admissão fechada a válvula de escapamento abre se progressivamente à medida que o êmbolo do pistão vai do ponto morto inferior para o ponto morto superior expelindo assim os gases provenientes da combustão conforme observase na Figura 7 OLIVEIRA ROSA 2003 Figura 7 Tempo de exaustão Fonte ROSA E OLIVEIRA apud FIAT 2003 212 Fluxos de calor gerado em um motor de combustão interna Segundo Brunetti 2012 o processo de combustão nos motores produz grandes variações de temperatura entre os gases de combustão e as paredes da câmara além de promover a transferência de boa parte do calor gerado para as paredes dos cilindros e para o cabeçote A Figura 8 mostra como é dividida a transformação da energia do combustível 9 Figura 8 Formas de transferência de calor Fonte Brunetti 2012 Observando a Figura 8 concluise que a maior parte da energia do combustível não é transformada em trabalho mecânico E que o sistema de arrefecimento tem por finalidade a retirada de 25 a 30 do calor gerado no processo de combustão a fim de manter a temperatura nos níveis adequados aos materiais que constituem o sistema mecânico Os processos de transferência de calor nos motores de combustão interna obedecem às leis da termodinâmica Sendo assim a transferência de calor ocorre por condução convecção e radiação TILLMANN 2013 As Figuras 9 10 e 11 mostram esquematicamente as formas de transferência de calor Figura 9 Transferência de calor por condução Fonte Tillmann 2013 10 Figura 10 Transferência de calor por radiação Fonte Tillmann 2013 Figura 11 Transferência de calor por convecção Fonte Tillmann 2013 O calor gerado pela combustão nos motores em um cilindro pode chegar a 2500 kcalcvh Caso o mesmo não seja retirado de alguma forma da estrutura mecânica do sistema atingirá temperaturas médias do ciclo entre 600 e 800ºC BRUNETTI 2012 Segundo Brunetti 2012 existe uma faixa de temperatura que cada componente do sistema mecânico interno do motor estará sujeito como mostra a Figura 12 Figura 12 Temperatura média dos componentes principais Fonte Brunetti 2012 11 22 Sistema de arrefecimento A manutenção da temperatura de trabalho em um ponto ideal no motor de combustão interna é um dos grandes desafios para a indústria automotiva O sistema de arrefecimento é o responsável por essa manutenção Composto por um conjunto de dispositivos eletromecânicos o sistema de arrefecimento deve retirar o calor excessivo do motor a fim de manter a temperatura em torno de 8595ºC VARELLA 2012 Segundo Brunetti 2012 os meios de arrefecimento mais usados são ar água e óleo Esses fluidos são responsáveis por entrar em contato com as partes quente do motor absorvendo o calor e rejeitando para o meio ambiente Nos motores arrefecidos a ar a taxa de calor rejeitado para o fluido varia de 20 a 25 do total de calor gerado já nos motores arrefecidos a água essa taxa varia de 25 a 35 O sistema de arrefecimento a ar Figura 13 tem seu projeto e sua construção mais simples não necessitam de reservatório nem de tubulação fechada para sua condução não tem problemas com incrustações nem corrosão Apesar dessas vantagens possuem também desvantagens como menor poder de troca térmica necessitando de uma maior vazão de ar para a retirada de uma caloria não possuem controle de temperatura para as diversas rotações do motor assim formando pontos quentes VARELLA 2012 Esse sistema é utilizado para motores com menores taxas de compressão e com menores eficiências térmicas BRUNETTI 2012 Esse sistema pode ser de dois tipos circulação livre e circulação forçada O que difere basicamente os dois é a presença da ventoinha no sistema de circulação forçada 12 Figura 13 Sistema de arrefecimento a ar do VW Fusca Fonte CARROS INFOCO 2014 O sistema de arrefecimento a óleo é utilizado na sua maioria para complementar o sistema de arrefecimento a ar Embora o sistema de lubrificação já contribua para a retirada de calor do motor pode ser melhorado com a circulação do óleo nas paredes dos cilindros BRUNETTI 2012 O sistema de arrefecimento a água é o mais utilizado na indústria automotiva pois ele permite o melhor controle da temperatura média do motor assim como dos seus componentes mais solicitados termicamente Mantem a temperatura média mais baixa que os outros sistemas apresentados propiciando assim maiores taxas de compressão o que leva a melhores eficiências térmicas BRUNETTI 2012 Existem dois tipos diferentes desse sistema circulação de água por termossifão e circulação de água forçada Segundo Tillmann 2013 o arrefecimento por circulação de água por termissifão ocorre de maneira natural Ao ser aquecida a água diminui sua densidade o que faz com que ela suba para a parte mais alta do motor indo do bloco do motor para o cabeçote em seguida 13 para o radiador através das mangueiras de ligação Esse sistema possui como grande vantagem a simplicidade Em compensação necessita de camisas e tubulações mais amplas a fim de evitar a perda de carga no sistema além de necessitar de um radiador com área cerca de 30 maior do que o sistema de circulação de água forçada O sistema de arrefecimento por circulação de água forçada Figura 14 é o principal sistema que a indústria automotiva utiliza para os veículos atuais Uma bomba promove à circulação forçada do fluido refrigerante no caso a água E a válvula termostática situada entre o cabeçote e o radiador controla a temperatura Figura 14 Fluxo da água de arrefecimento do motor no sistema de circulação forçada Fonte Varella 2012 Nesse sistema a água circula sob pressão e absorve o calor dos cilindros e através de um radiador transfere esse calor para o ar do ambiente Figura 15 A quantidade de água utilizada nesse sistema é reduzida consideravelmente se comparada ao sistema termossifão já que a mesma circula sob pressão e com alta velocidade VARELLA 2012 Figura 15 Sistema de arrefecimento de circulação forçada Fonte Varella 2012 14 Como representado na Figura 15 esse sistema tem como principais partes constituintes o radiador a bomba dágua a válvula termostática a ventoinha as mangueiras de ligação e as camisas dágua 23 Trocadores de calor compactos Trocadores de calor são dispositivos que tem por finalidade a troca de calor entre dois fluidos que se encontram em diferentes temperaturas Na prática possuem uma enorme gama de aplicação que vai desde sistemas de aquecimento e arcondicionado domésticos até produção de potência em grandes indústrias ÇENGEL e GHAJAR 2012 A transferência de calor nos trocadores de calor se dá na sua maioria por convecção entre os fluidos de trabalho e por condução nas paredes dos tubos e aletas do trocador ÇENGEL e GHAJAR 2012 Os trocadores de calor são classificados em função da configuração de escoamento e os tipos de construção Nos trocadores de calor mais simples o fluido quente e o fluido frio escoam em corretes paralelas ou em contra correntes e o tipo de construção é o chamado duplo tubo INCROPERA E DEWITT 2003 A Figura 16 representa esses modelos 15 Figura 16 Diferentes regimes de escoamento para trocador de calor duplo tubo Fonte Çengel e Ghajar 2012 O trocador de calor mais utilizado em processos industriais é o trocador de calor casco tubo As formas específicas que diferem esse trocador é o número de passes no casco e nos tubos Geralmente são instaladas chicanas no lado do casco para causar turbulência assim aumentando o coeficiente convectivo dos fluidos ÇENGEL e GHAJAR 2012 O esquema representativo de um trocador de calor casco tubo é mostrado na Figura 17 16 Figura 17 Esquema de um trocador de calor casco tubo Fonte Çengel e Ghajar 2012 Segundo Çengel e Ghajar 2012 os trocados de calor compactos são especificamente projetados para possuir uma grande superfície de transferência de calor por unidade de volume A razão entre a superfície de transferência de calor e o volume é chamada de densidade de área β Para um trocador de calor ser considerado um trocador compacto β deve ser maior que 700 m²m³ e pelo menos um dos fluidos seja um gás A transferência de calor que ocorre no sistema de arrefecimento de um motor veicular é apresentada esquematicamente abaixo na Figura 18 KAYS e LONDON apud BORSATTI 2010 Notase que o responsável pela dissipação do calor para o ar ambiente é o radiador objetivo principal do trabalho em questão Figura 18 Representação esquemática do sistema de arrefecimento veicular Fonte KAYS e LONDON apud BORSATTI 2010 17 231 Radiador Radiador é o nome dado ao trocador de calor compacto de escoamento cruzado com fluidos não misturados que são utilizados no sistema de arrefecimento dos veículos Apesar do nome a troca térmica não acontecer por radiação mas sim por convecção entre o ar e a água e condução nas paredes dos tubos e aletas Os radiadores nos automóveis têm a função de garantir o resfriamento do sistema que muitas vezes é dado em condições extremas ter alta durabilidade por períodos prolongados além de influenciar pouco na aerodinâmica e layout BRUNETTI 2012 Os radiadores são geralmente constituídos por uma matriz de tubos e aletas montados em sua extremidade por coletores que alojam o elemento de vedação e os tanques plásticos que fazem a interface com as mangueiras que conduzem o fluido para os sistemas a serem resfriados BRUNETTI 2012 São instalados geralmente na parte dianteira do motor A Figura 19 mostra como é composto o radiador Figura 19 Composição de um radiador Fonte Brunetti 2012 232 Aspectos gerais da composição Segundo Bejan e kraus 2003 entre as partes que constituem um trocador de calor compacto o núcleo é o que mais sofre variação de forma Normalmente esse núcleo é composto por duas placas paralelas conectadas por elemento de metal Na Figura 20 temse o esquema representativo de um trocador de calor compacto 18 Figura 20 Trocador de calor compacto a elementos básicos b dois tipos de escoamento Fonte Adaptado de Kuppan 2013 Na Figura 20a têmse duas placas paralelas cercadas por barras paralelas e no meio delas as aletas Na Figura 20b um trocador de calor de correntes cruzadas onde os fluxos dos dois fluidos são perpendiculares entre si e um trocador de calor de contra corrente onde cada fluido entra em uma extremidade e escoam um ao contrário do outro Segundo Kuppan 2013 existem várias geometrias diferentes para as aletas que constituem o núcleo do trocador de calor como aletas triangulares planas onduladas retangulares planas e louvered Na Figura 21 vêse os tipos de aletas citados Figura 21 Geometria das aletas Fonte Adaptado de Kuppan 2013 19 233 Parâmetros geométricos Para formular os parâmetros geométricos é preciso conhecer algumas dimensões características dos radiadores A Figura 22 mostra um esquema de radiador com aletas de geometria senoidal e tubos retangulares Figura 22 Esquema do radiador Fonte Carl et al 2012 Na Figura 22 o comprimento Lradiador é o comprimento total do radiador e o comprimento do tubo onde a água escoa Hradiador é a altura total do radiador ou seja a soma da altura de n tubos mais a soma da altura das aletas Wradiador é a largura do radiador e também a largura dos tubos visto que se considera um único tubo por linha Na Figura 23 é definida a geometria do tubo onde escoa o fluido quente Figura 23 Esquema de um tubo Fonte Carl et al 2012 20 Na Figura 23 Htubo é a altura do tubo Ltubo é o comprimento do tubo e é igual a Lradiador como definido anteriormente E Wtubo é a largura do tubo e para o nosso caso que será um radiador de um único tubo por linha a largura total do radiador A Figura 24 mostra a geometria real das aletas Figura 24 Geometria real da aleta Fonte Carl et al 2012 Como as aletas são de geometria senoidal e de espessura muito fina para facilitar nos cálculos elas serão consideradas aletas retas A Figura 25 mostra a geometria das aletas consideradas Figura 25 Geometria assumida da aleta Fonte Pesquisa direta 2019 Na Figura 25 Waleta é o comprimento da aleta que também é a largura dos tubos e a largura do radiador Laleta é a altura da aleta e a distância entre dois tubos Haleta é a espessura de uma aleta e s é a distância entre duas aletas Agora definidos os parâmetros geométricos do radiador partese para o equacionamento das áreas 21 2331 Escoamento interno ao duto Para o equacionamento do cálculo das áreas foi utilizado como base o formulário de cálculo para radiadores proposto por Kuppan 2013 e adaptando a realidade dos aspectos geométricos citados É considerado que a espessura do tubo seja muito pequena com isso as áreas interna e externa do tubo são consideradas iguais A área dentro do duto onde escoa o líquido de arrefecimento fluido quente será apresentada pelas seguintes equações Área da seção transversal do tubo Atubo 1 Perímetro do tubo Ptubo 2 Diâmetro hidráulico Dhidráulico 3 O diâmetro hidráulico é utilizado porque a seção transversal do tubo não é circular Futuramente essa variável será utilizada para calcular o número de Reynolds 2332 Escoamento externo Para calcular a área de transferência de calor total somase a área vertical que é a área da altura da aleta e a área horizontal que é a área da superfície horizontal do duto externo 4 Área de fluxo livre A0 5 Área frontal do radiador Af 22 6 Volume do radiador Vol 7 2333 Desempenho das aletas As aletas são usadas para aumentar a área de superfície efetiva de troca térmica e consequentemente aumentar a transferência de calor Contudo as aletas representam uma resistência térmica condutiva nas paredes das superfícies originais Assim não se pode afirmar o aumento da transferência de calor INCROPERA E DEWITT 2003 Para saber se o uso da aleta é realmente vantajoso no ponto de vista de engenharia são analisados dois parâmetros que irão auxiliar na seleção do tipo de aleta Eficiência da aleta pode ser calculada por CARL ET AL 2012 8 Que para o caso do presente trabalho pode ser escrita como na equação 8 visto que considera aletas de seção transversal uniforme e extremidades adiabáticas Onde m é chamado de coeficiente para o cálculo da aleta e Lc o comprimento corrigido da aleta E são dados por CARL ET AL 2012 9 10 Efetividade da aleta pode ser calculada por INCROPERA e DEWITT 2003 23 11 Sendo qaleta é a taxa de transferência de calor da aleta e qsaleta é a taxa de transferência de calor que existiria sem a presença da aleta INCROPERA e DEWITT 2003 Ainda segundo Incropera e Dewitt 2003 só se justifica o uso de aletas caso ε for maior ou igual a 2 Segundo Carl et al 2012 para analisar a taxa de transferência de calor externa não basta apenas a eficiência da aleta Devido às imperfeições do fluxo ao redor das aletas é necessário analisar a eficiência global da superfície das aletas que é dada pela equação 12 12 Sendo Aaleta é a área da superfície de uma aleta equação 13 Ab é a área da superfície da base equação 14 e Aaletabase é a área da superfície total das aletas mais a base de todos os tubos equação 15 13 14 15 234 Dimensionamento e análise Devido a grande quantidade de cálculos e as inúmeras hipóteses envolvidas a metodologia para o dimensionamento de um trocador de calor compacto ideal no caso um radiador tornase extremamente complexa A Figura 26 demonstra o esquema proposto KAYS e LONDON apud BORSATTI 2010 24 Figura 26 Metodologia para projeto de um trocador de calor Fonte Kays e London apud Borsatti 2010 Na Figura podese notar que para começar os cálculos há necessidade de definir variáveis diferentes especificação do problema características de superfície e algumas propriedades físicas A maioria dessas variáveis são obtidas através de literatura e na sua maioria das empresas que trabalham com esse tipo de dimensionamento eou fabricação Então a característica da geométrica utilizada para certo tipo de radiador vai depender muito do modelo de veículo que ele irá ser utilizado 235 Desempenho do radiador O desempenho de um trocador de calor é influenciado por muitas variáveis as mais importantes são os parâmetros geométricos os materiais utilizados na construção e as características dos fluidos de arrefecimento A eficiência do trocador de calor pode ser medida 25 de duas formas mais convencionais média logarítmica de temperatura DMLT ou pela EfetividadeNTU εNTU O cálculo da eficiência utilizando a média logarítmica de temperatura DMLT é mais fácil de ser realizado quando se sabe a temperatura de entrada e de saída dos fluidos O grande problema é que muitas vezes não se sabe a temperatura de saída dos fluidos sendo assim tornase necessário um processo iterativo para a definição das temperaturas de saída INCROPERA e DEWITT 2003 Por esse motivo esse método é comumente utilizado para a determinação do tamanho do trocador de calor ÇENGEL e GHAJAR 2012 O método da EfetividadeNTU será utilizado durante esse trabalho visto que com ele podese perceber mais facilmente a influência dos parâmetros geométricos no desempenho do trocador de calor Esse método é utilizado quando o objetivo principal é a determinação da taxa de transferência de calor e das temperaturas de saída dos fluidos para uma temperatura de entrada dos fluidos e vazão mássica determinada com o tipo e tamanho do trocador de calor conhecido ÇENGEL e GHAJAR 2012 A efetividade de transferência de calor ε nos trocadores de calor é baseada em um número adimensional definido como a razão de transferência de calor real pela transferência de calor máxima dada pela equação 16 16 Sendo que a razão máxima de transferência de calor acontece quando o fluido quente atinge a temperatura do fluido frio na entrada ou o fluido frio atinge a temperatura do fluido quente na entrada O fluido que tiver menor taxa de capacidade calorífica será o limitante equação 17 ÇENGEL e GHAJAR 2012 17 Substituindo a equação 16 na equação 17 temse a taxa de transferência de calor real 18 26 Sendo que taxa de calor real kW taxa de calor máximo kW ε efetividade do sistema Cmin fluido de menor taxa de capacidade calorífica kWK Tqe temperatura de entrada do fluido quente ºC Tfe temperatura de entrada do fluido frio ºC 2351 Capacidade calorífica do fluido Para a análise do trocador de calor usase geralmente uma variável que vem do produto da vazão mássica do fluido e do calor específico do mesmo chamada taxa de capacidade térmica C Para os fluidos de trabalho será adotado Cmáx o maior valor obtido e Cmin para o menor valor A equação 19 define a taxa de capacidade térmica INCROPERA e DEWITT 2003 19 Sendo representa a vazão mássica do fluido kgs representa o calor específico do fluido kJkgK Segundo Incropera e Dewitt 2003 como existe uma variação de temperatura dos fluidos ao longo do traçador de calor para a obtenção das propriedades termodinâmica dos mesmos é necessário calcular a média aritmética entre a temperatura de entrada Te e a temperatura de saída Ts Essa temperatura é chamada de temperatura média Tf e é apresentada na equação 20 20 27 2352 Cálculo do parâmetro adimensional NTU Segundo Çengel e Ghajar 2012 o Número de Unidades de Transferência NTU é um parâmetro adimensional muito utilizado para análise de trocadores de calor e é definido pela equação 21 21 Em que U é o coeficiente global de transferência de calor e A é a área de troca térmica do trocador de calor Çengel e Ghajar 2012 ainda falam que NTU é proporcional a área de troca térmica A Então quanto maior NTU maior será o trocador de calor Kays e London apud Borsatti 2010 através de experimentos relacionam graficamente o parâmetro adimensional NTU com a efetividade ε de vários trocadores de calor Para o caso do radiador que tem escoamento cruzado com fluidos não misturados temos o gráfico representado na Figura 27 28 Figura 27 Efetividade de um trocador de calor com fluidos cruzados e com os dois fluidos não misturados em função do número de unidade de transferência Fonte Kays e London apud Borsatti 2010 Eles também fornecem essa relação através de tabela conforme a tabela 1 29 Tabela 1 Efetividade ε em função da razão entre as taxas de capacidade térmica Cmin Cmáx e o número de unidades de transferência NTU para condição de escoamento cruzado com os dois fluidos não misturados Fonte Kays e London apud Borsatti 2010 2353 Coeficiente global de transferência de calor Segundo Incropera e Dewitt 2003 o coeficiente global de transferência de calor U é oriundo da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos Para a análise de trocadores de calor esse coeficiente é comumente utilizado já que relaciona todas as resistências térmicas do sistema e possui a mesma unidade do coeficiente de convecção ÇENGEL e GHAJAR 2012 Em trocadores de calor é comum trabalhar com fluidos separados Nesse caso as resistências térmicas envolvidas são resistência de convecção no fluido frio e no fluido quente resistência de condução nas paredes dos tubos e resistência por incrustação tanto interno aos tubos quanto nas paredes externas INCROPERA E DEWITT 2003 A equação 22 mostra o cálculo do produto UA 30 22 Sendo que Rtotequi representa a resistência total equivalente KW 2354 Resistências térmicas Segundo Çengel e Ghajar 2012 existe três tipos principais de resistências térmicas sendo elas resistência térmica de condução resistência térmica de convecção e resistência térmica de radiação Será definida algumas resistências térmicas que serão utilizadas no decorrer do trabalho Para Incropera e Dewitt 2003 essas resistências para paredes planas são dadas da seguinte forma Para a resistência por condução 23 Sendo Km condutividade térmica do material WmK L comprimento onde há condução m A área total de troca térmica Para a resistência por convecção INCROPERA E DEWITT 2003 24 Sendo h coeficiente de transferência de calor por convecção do fluido Wm2K Segundo Carvalho et al 2017 o fenômeno da incrustação é dependente do tempo e alteram a dinâmica dos trocadores de calor Existem cinco mecanismos desse fenômeno são eles precipitação particulados deposição por reação química corrosão e deposição biológica Geralmente eles não aparecem isoladamente Segundo Incropera e Dewitt 2003 essa resistência térmica pode ser calculada pela equação 25 31 25 Rf fator de incrustação m2KW ou m2W Ainda segundo Incropera e Dewitt 2003 esse fator de incrustação pode ser obtido pela tabela 2 Tabela 2 Fatores de incrustação representativos resistência térmica devido à incrustação para uma unidade de superfície Fluido Rf m2 ºCW Água destilada água marinha águas fluviais água de alimentação de caldeiras 00001 Abaixo de 50 C Acima de 50 C 00002 Óleo combustível 00009 Vapor livre de óleo 00001 Refrigerantes líquido 00002 Refrigerantes vapor 00004 Vapores de álcool 00001 Ar 00004 Fonte Çengel 2009 Assim como as resistências elétricas as resistências térmicas podem ser escritas como circuitos térmicos equivalentes Para isso é preciso definir como elas estão associadas série ou paralelo INCROPERA E DEWITT 2003 Associação em série 26 Associação em paralelo 27 32 2355 Cálculo dos coeficientes de transferência de calor por convecção Segundo Incropera e Dewitt 2003 o coeficiente de convecção depende de uma vasta gama de variáveis como camada limite velocidade de escoamento do fluido viscosidade densidade entre outros Para Kuppan 2013 esse coeficiente pode ser calculado por 28 Sendo Nu Número de Nusselt adimensional kf condutividade térmica do fluido WmK Dhidraulico Diâmetro hidráulico m 2356 Número de Nusselt Segundo Çengel e Ghajar 2012 o número de Nusselt é uma forma de adimensionalizar o coeficiente de transferência de calor por convecção Este número leva em conta o regime de escoamento do fluido que pode ser laminar ou turbulento Segundo Çengel 2009 para um fluido em regime de escoamento laminar o Número de Nussult pode ser definido a partir da Figura 28 dependendo da geometria da seção da razão de aspecto dessa seção e da condição de contorno da superfície fluxo de calor uniforme ou temperatura constante 33 Figura 28 Número de Nusselt para escoamento laminar em diferentes geometrias de dutos Fonte Çengel 2009 Para um escoamento turbulento e em tubo não circular o número de Nusselt com o fluido de arrefecimento sendo resfriado é dado por INCROPERA e DEWITT 2003 29 Sendo Re Número de Reynolds adimensional Pr Número de Prandtl adimensional 2357 Número de Reynolds É a grandeza adimensional que define o regime de escoamento laminar ou turbulento Pode ser definido também como a razão das forças de inércia para as forças viscosas do fluido ÇENGEL E GHAJAR 2012 O Número de Reynolds é expresso por 34 30 Sendo ρ massa específica do fluido kgm3 ν velocidade do fluido ms μ viscosidade dinâmica do fluido kgms Dhidraulico diâmetro hidráulico m Para um valor de Número de Reynolds menor que 2000 considerase o escoamento laminar Se o Número de Reynolds estiver entre 2000 e 2400 considerase um escoamento de transição E para um número de Reynolds maior que 2400 o escoamento é considerado turbulento Brunetti 2008 2358 Cálculo da efetividade Com os todos os parâmetros anteriores já definidos podese determinar a efetividade do trocador de calor ε Para um escoamento cruzado com dois fluidos não misturados de passe único a efetividade é dada pela equação 31 INCROPERA E DEWITT 2003 31 35 3 METODOLOGIA Essa etapa trata das características da pesquisa e dos procedimentos utilizados para fomentar o trabalho aplicar os conceitos definidos durante o processo de revisão bibliográfica Serão também apresentados materiais e métodos instrumentos utilizados para a coleta de dados e a forma na qual serão calculados e tabulados os resultados 31 Tipo de pesquisa Para Minayo 2003 pesquisa é uma atividade básica das ciências que buscam a realidade uma atitude e uma prática teórica de constante procura que define um processo inacabado e permanente Segundo Gil 1999 é uma maneira formal e sistemática de desenvolvimento do método científico Com o objetivo fundamental encontrar soluções para um problema usando procedimentos científicos Existem várias maneiras de classificar as pesquisas quando se trata da forma de abordagem do problema elas podem ser classificadas como qualitativa ou quantitativa Quando se trata da primeira o resultado não pode ser totalmente traduzido em forma de números os dados estatísticos Já na segunda os resultados são quantificados ou seja traduzidos em números SILVA e MENEZES 2005 Existe também a classificação para o objetivo da pesquisa que pode ser exploratória que é aquela que tem por objetivo desenvolver esclarecer e modificar conceitos e ideias Na maioria desses casos as pesquisam buscam desenvolver um levantamento bibliográfico e análise de exemplos que facilitem a compreensão de algo Na pesquisa descritiva buscase descrever características de uma população fenômeno ou relação entre variáveis Isso envolvendo técnicas específicas para a coleta de dados Já na pesquisa explicativa buscase identificar as variáveis que influenciam na ocorrência de determinado fenômeno Para isso aprofundase no conhecimento da realidade a fim de explicar o porque das coisas GIL 2002 Quanto à forma de abordagem podese classificar o presente trabalho como quantitativo visto que apresentaremos cálculos e análise dos resultados Do ponto de vista dos objetivos da pesquisa podese dizer que se trata de uma pesquisa descritiva pois busca analisar as influências dos parâmetros geométricos no desempenho de um radiador 36 Segundo os procedimentos técnicos essa pesquisa se trata de uma revisão bibliográfica pois utilizam de livros artigos técnicos teses dissertações materiais da internet entre outros do gênero 32 Materiais e métodos Como já apresentado nos capítulos anteriores o dimensionamento de radiador apresenta certa complexidade O radiador é o responsável por rejeitar aproximadamente de 25 a 30 do calor gerado Antes do dimensionamento propriamente dito do radiador deve se definir alguns parâmetros como tipo de radiador dimensões parâmetros geométricos e características de operação do radiador Um fluxograma para o dimensionamento e análise do radiador é mostrado na Figura 29 Figura 29 Planejamento para o dimensionamento do radiador Fonte Pesquisa direta 2019 A Figura 29 mostra os procedimentos a serem seguidos para o dimensionamento do radiador definir o motor para saber a quantidade calor que o radiador precisa dissipar e o tipo Papais 2013 através de experimentos encontrou 23 kW de calor necessário a ser rejeitado para o ambiente pelo sistema de arrefecimento e com uma vazão mássica de água de 06 kgs para um certo motor Para o presente trabalho o radiador escolhido é do modelo brasado de alumínio O motivo da escolha é que esse equipamento trabalha com diversos fluidos não corrosivos com uma pressão de até 100 bar e com faixas de temperatura entre 269 ºC e 204 ºC KUPPAN 2013 A Figura 30 ilustra esse tipo de radiador 37 Figura 30 Radiador brasado de alumínio Fonte Oliveira 2018 Para a realização dos cálculos foram utilizadas também as dimensões obtidas no trabalho de Papais 2013 conforme a tabela 3 Tabela 3 Dimensões básicas do radiador DIMENSÕES BÁSICAS Lradiador m 055 Hradiador m 04 Wradiador m 00145 Ntubos 41 Tipo Brasado Fonte Papais 2013 Os pontos de operação do radiador também serão retirados do trabalho de Papais 2013 serão apresentados no decorrer do trabalho Depois dos parâmetros geométricos e características de funcionamento definidos podese partir para o dimensionamento utilizando o método definido no caso método da efetividade de NTU 33 Variáveis e indicadores Para Gil 2002 variável é termo utilizado pelos pesquisadores que tem por objetivo conferir maior precisão para hipóteses leis princípios entre outros Conceitualmente é tudo aquilo que assume diferentes valores eou aspectos dependendo da condição que está inserido 38 Nas pesquisas quantitativas as variáveis são medidas Uma variável pode possuir vários significados sendo assim necessário um aprofundamento maior no que se pretende para o trabalho para assim poder chegar ao que realmente importa para o que está sendo desenvolvido As variáveis e indicadores são ilustradas na Tabela 4 Tabela 4 Variáveis e indicadores para projeto de um radiador VARIÁVEL INDICADORES Radiador Taxa de calor a ser retirada Dimensões Número de aletas Coeficiente global de transferência de calor Eficiência global da superfície das aletas Número de Unidades de Transferência Efetividade Fluxo de calor real Fonte Pesquisa direta 2019 34 Coleta de dados Os dados foram obtidos praticamente pela literatura através de livros manuais monografias dissertações artigos entre outros Essa coleta se fez necessária para obtenção dos parâmetros de entrada para o dimensionamento do radiador 35 Apresentação dos dados Como já comentado anteriormente os dados de entrada serão obtidos através da literatura Esses dados serão tratados através do software Microsoft office Excel Ele realizará todos os cálculos e os resultados serão apresentados em gráficos e tabelas no decorrer desse documento 36 Considerações finais Nesse capítulo foram apresentadas as etapas que a pesquisa será desenvolvida e também os métodos utilizados para a realização do dimensionamento e análise do radiador No próximo capítulo terá como objetivo principal a realização dos cálculos e a análise da influência dos parâmetros geométricos no desempenho do radiador Para desenvolver o que foi falado será utilizada a metodologia apresentada nesse capítulo 39 4 RESULTADOS Nesse capítulo será apresentado os dados de entrada necessários para realização dos cálculos citados nos capítulos anteriores bem como os resultados encontrados e análises gráficas feitas a fim de determinar a influência de algumas variáveis nos resultados finais 41 Dados de entrada e considerações iniciais Para início dos cálculos são necessários os dados de entrada que foram retirados do trabalho de Papais 2013 e de Oliveira 2018 Papais obteve seus dados através de ensaios de bancada e de considerações para determinar o ponto de trabalho do motor Foi considerado por ele que o ponto de funcionamento do motor será de quarta marcha 90 kmh e com rotação de 3300 rpm Com essas informações obtevese os dados iniciais de acordo com a tabela 5 Tabela 5 Dados de rejeição térmica e vazão de água Fonte Papais 2013 Ainda segundo Papais 2013 para determinar as temperaturas de entrada e de saída do líquido de arrefecimento e do ar os dados foram retirados de testes realizados em campo por montadoras Os mesmos serão apresentados na tabela 6 40 Tabela 6 Dados de temperatura e vazão Fonte Papais 2013 Papais 2013 em seu trabalho considera a pior situação que é quando o veículo possui sistema de ar condicionado Isso faz com que o ar sofra um préaquecimento antes de chegar ao radiador Nesse trabalho não foi considerado o ar condicionado e os dados para a temperatura de entrada e saída do ar vem do trabalho de Oliveira 2018 Para encontrar as propriedades termodinâmicas dos fluidos primeiro serão calculadas as temperaturas de filme equação 20 Isso se faz necessário porque essas propriedades são dependentes das temperaturas Os valores encontrados são apresentados na tabela 7 Tabela 7 Calor específico dos fluidos VALOR DE Cp PARA TEMPERATURA FILME ESCOAMENTO INTERNO LÍQUIDO Temperatura média C Cp JkgK 115 4200 ESCOAMENTO EXTERNO AR Temperatura média C Cp JkgK 45 1007 Fonte Pesquisa direta 2019 Depois de definidas as propriedades termodinâmicas acima calculase a capacidade térmica dos fluidos de acordo com a equação 19 Os valores são mostrados na tabela 8 41 Tabela 8 Capacidade térmica dos fluidos CÁLCULO DA CAPACIDADE TÉRMICA C ESCOAMENTO INTERNO LÍQUIDO JK 2520 ESCOAMENTO EXTERNO AR JK 65455 Fonte Pesquisa direta 2019 Considerando os valores da tabela 8 verificase que Cmin é igual a Car Cmin Car e consequentemente Cmax Clíquido Partese para o cálculo da taxa de transferência de calor máxima que é dada pela equação 17 Tabela 9 Taxa de transferência de calor máxima CÁLCULO DA TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR MÁXIMA Cmin JK 65455 Qmáx W 589095 Fonte Pesquisa direta 2019 Definese agora a efetividade mínima para o radiador de acordo com a equação 16 Tabela 10 Efetividade CÁLCULO DA EFETIVIDADE ε ε 3904 Fonte Pesquisa direta 2019 Para o modelo estudado no decorrer do trabalho a efetividade do radiador não poderá ser menor que 3904 caso isso venha acontecer o radiador não será capaz de retirar 23kW que é a quantidade necessária para o ponto de operação escolhido o que acarretará problemas aos componentes do sistema 42 Análise paramétrica do radiador Para a realizar o estudo paramétrico do radiador foi preparada uma planilha no Microsoft office Excel A intenção é mostrar a influência da variação de alguns parâmetros geométricos sobre a transferência de calor o Número de Unidades de Transferência NTU a efetividade o produto entre UA e a eficiência global da superfície aletada de transferência de 42 calor A planilha criada realiza os cálculos desses parâmetros de acordo com as equações já definidas no capítulo 2 421 Cálculos iniciais do radiador Para começar os cálculos do radiador foram fixados alguns parâmetros geométricos como comprimento do radiador Lradiador altura do radiador Hradiador largura do radiador Wradiador número de tubos Ntubos comprimento do tubo Ltubo altura do tubo Htubo largura do tubo Wtubo altura da aleta Laleta espessura da aleta Haleta comprimento da aleta Waleta número de aletas Naletas linhas horizontais e linhas verticais de acordo com as Figuras 31 32 e 33 Foram determinadas também as temperaturas de entrada e saída e vazão mássica do fluido de arrefecimento escoamento interno e do ar escoamento externo de acordo com a tabela 6 Figura 31 Esquema do radiador Fonte Carl et al 2012 Figura 32 Esquema de um tubo Fonte Carl et al 2012 43 Figura 33 Geometria assumida da aleta Fonte Pesquisa direta 2019 Tabela 11 Parâmetros geométricos do radiador PARÂMETROS GEOMÉTRICOS Comprimento do radiador Lradiador m 055 Altura do radiador Hradiador m 040 Largura do radiador Wradiador m 00145 Número de tubos Ntubos 41 Comprimento do tubo Ltubo m 055 Altura do tubo Htubo m 00019 Largura do tubo Wtubo m 00145 Altura da aleta Laleta m 00080525 Espessura da aleta Haleta m 000025 Comprimento da aleta Waleta m 00145 Linhas horizontais 1 Linhas verticais 40 Dis entre aletas s m 0000665557 Fonte Pesquisa direta 2019 A tabela 11 mostra os valores dos parâmetros fixados que foram utilizados como dados de entrada no programa para calcular alguns parâmetros dependentes do radiador Esses cálculos permitem a realização de análises sobre o radiador 44 Através desses dados calculase as áreas de troca térmica do escoamento interno e externo Além de perímetro diâmetro hidráulico entre outros A tabela 12 mostra esses valores Tabela 12 Áreas das geometrias CÁLCULO DAS ÁREAS ESCOAMENTO INTERNO LÍQUIDO Área da seção transversal de um tubo m2 276 105 Área da seção transversal dos tubos m2 113 103 Área de troca térmica m2 73964 103 Perímetro de um tubo m 328 103 Perímetro dos tubos m 1345 Diâmetro hidráulico de um tubo m 336 103 Diâmetro hidráulico dos tubos m 336 103 ESCOAMENTO EXTERNO AR Área frontal m2 022 Área de fluxo livre m2 0129 Área de troca térmica AT m2 6067 Perímetro de fluxo livre m 1444 Fonte Pesquisa direta 2019 O programa calculou também os dados de saída do radiador como Número de Reynolds o tipo de escoamento o coeficiente de transferência de calor por convecção a eficiência global da superfície das aletas a densidade de área do radiador a resistência equivalente o produto UA o Número de Unidades de Transferência NTU a efetividade do radiador e a taxa de transferência de calor real A tabela 13 mostra os valores encontrados 45 Tabela 13 Dados de saída ESCOAMENTO INTERNO ÁGUA EXTERNO AR Número de Reynolds Re 732917 32006 Regime Turbulento Laminar Coeficiente de transferência de calor por convecção h Wm2K 653521 16834 Eficiência global da superfície das aletas η0 NA 094 Fator de compactação β m2m3 213374 Resistência equivalente Requi KW 00012 UA KWm2K 080 Número de Unidades de Transferência NTU 123 Efetividade ε 6527 Taxa de calor troca Qreal kW 3845 Fonte Pesquisa direta 2019 Pelos dados fornecidos é visto que o radiador necessita de uma efetividade mínima de 3904 para retirar do líquido de arrefecimento 23kW Analisando os dados de saída é possível ver que a efetividade do radiador ficou em 6527 retirando do líquido de arrefecimento 3845kW que o torna capaz conforme indica a tabela 5 De acordo com os dados de saída também percebese que a eficiência global da superfície das aletas é de 943 que é um valor satisfatório Segundo Çengel e Ghajar 2012 um trocador de calor é considerado compacto quando β for maior ou igual a 700m2m3 De acordo com os dados de saída β é igual a 213374 m2m3 Shah e Sekulic 2003 fornece uma imagem com o grau de compactação de alguns equipamentos Figura 34 46 Figura 34 Arranjos dos trocadores de calor de acordo com o grau de compactação do equipamento Fonte Shah e Sekulic 2003 Foi realizada a variação de alguns parâmetros como o número de aletas número de tubos altura do tubo Htubo e espessura da aleta Haleta a fim de realizar uma análise da influência desses parâmetros sobre a efetividade a eficiência global da superfície das aletas o Número de Unidades de Transferência NTU o produto UA e a taxa de transferência de calor 422 Influência do número de aletas Variando o número de aletas com os parâmetros de entrada permanecendo fixos Tabela 11 menos a distância entra aletas s que é um parâmetro dependente de Lradiador e da espessura da aleta Haleta A influência do número de aletas na efetividade na eficiência superficial das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA está representada na Figura 35 47 Figura 35 Influência do número de aletas na efetividade na eficiência global da superfície das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA Fonte Pesquisa direta 2019 Analisando a Figura 35 percebese que a variação do número de aletas de 400 até 700 repercute em um aumento de 61 no valor da efetividade Para a eficiência global superficial das aletas representa uma diminuição de 3 E para o Número de Unidades de Transferência NTU e o produto UA representa um aumento de aproximadamente 135 A tabela 14 mostra esses valores Tabela 14 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com o número de aletas Variação Nº de aletas Efetividade ε Eficiência global das superfícies das aletas η0 Número de Unidades de Transferência NTU Coeficiente global de transferência de calor UA kWm2K 700 0724 0934 1537 1006 400 0450 0961 0655 0446 Δ 61 3 135 135 Fonte Pesquisa direta 2019 Aprofundando nesses resultados e sabendo que a eficiência global da superfície das aletas diminui com o aumento do número de aletas comprovase o que diz a equação 12 O aumento do número de aletas aumenta a área de troca térmica consideravelmente tabela 15 fazendo com que a resistência de troca térmica diminua e assim aumentando UA e NTU que são diretamente proporcionais A tabela 15 mostra a variação das áreas de troca térmica interna e externa de acordo com a variação no número de aletas 48 Tabela 15 Variação das áreas de acordo com o aumento do número de aletas CÁLCULO DAS ÁREAS ESCOAMENTO INTERNO LÍQUIDO Número de aletas 400 Área de troca térmica m² 0740 700 Área de troca térmica m² 0740 ESCOAMENTO EXTERNO AR 400 Área de troca térmica AT m² 4198 700 Área de troca térmica AT m² 7001 Fonte Pesquisa direta 2019 Em seguida o gráfico da Figura 36 mostra a influência do número de aletas na taxa de transferência de calor Figura 36 Influência do número de aletas na taxa de transferência de calor Fonte Pesquisa direta 2019 Analisando o gráfico da Figura 36 vêse que quando o radiador possui 700 aletas a taxa de transferência de calor é de 4267 kW e com 400 aletas é de 2649 kW representando um aumento expressivo A tabela 16 mostra esse aumento em percentual Tabela 16 Percentual de aumento da taxa de transferência de calor de acordo com o número de aletas Variação Nº de aletas Taxa de transferência de calor kW 700 42673 400 27205 Δ 61 Fonte Pesquisa direta 2019 49 423 Influência da altura do tubo Htubo A análise agora parte de variar a altura do tubo Consequentemente serão modificadas a área da seção transversal do duto o perímetro do duto a velocidade de escoamento o número de Reynolds do escoamento interno entre outras variáveis dependentes desse dado de entrada Os outros dados de entrada permanecem inalterados menos a altura da aleta Laleta que varia pois a altura do radiador Hradiador é fixa pela construção do mesmo A Figura 37 mostra o comportamento da efetividade da eficiência global superficial das aletas do Número de Unidades de Transferência e do produto UA Figura 37 Influência da altura do tubo na efetividade na eficiência global superficial das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA Fonte Pesquisa direta 2019 Variando a altura do tubo Htubo de 09mm até 4mm percebese que o coeficiente de transferência de calor UA decresce consideravelmente esse fato é relacionado diretamente ao escoamento do líquido no interior do tubo Quando aumenta a altura do tubo Htubo diminui o número de Reynolds tabela 17 diminuindo a turbulência do escoamento do líquido O Número de Unidades de Transferência também diminui na mesma proporção porque é diretamente proporcional a UA Com o decrescimento desses parâmetros a efetividade também decresce de acordo com a equação 31 A eficiência global da superfície das aletas tem um pequeno crescimento pois a área de troca térmica da aleta diminui A tabela 18 mostra essas variações em porcentagem 50 Tabela 17 Variação no número de Reynolds de acordo com o número de tubos NÚMERO DE REYNOLDS ESCOAMENTO INTERNO LÍQUIDO Altura do tubo mm 09 Número de Reynolds 7805086 4 6497207 ESCOAMENTO EXTERNO AR 09 Número de Reynolds 286391 4 424995 Fonte Pesquisa direta 2019 Tabela 18 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com a altura do tubo Variação Variação na altura do tubo Efetividade Eficiência global das superfícies das aletas η0 Número de Unidades de Transferência UA kWm2K 4 055 097 091 059 09 071 093 145 095 Δ 22 4 37 37 Fonte Pesquisa direta 2019 Para a mesma variação da altura do tubo Htubo foi plotado o gráfico do comportamento da taxa de transferência de calor A Figura 38 apresenta o dito gráfico Figura 38 Influência da altura do tubo na taxa de transferência de calor Fonte Pesquisa direta 2019 É de fácil percepção a diminuição da taxa de transferência de calor com o aumento da altura do tubo Htubo A explicação vem do decrescimento da efetividade que é diretamente 51 proporcional a taxa de transferência de calor como mostrado na equação 18 A tabela 19 mostra porcentagem que a taxa de transferência de calor diminui Tabela 19 Porcentagem da variação da taxa de transferência de calor de acordo com a altura do tubo Variação Variação na altura do tubo Taxa de transferência de calor kW 4 32599 1 41559 Δ 22 Fonte Pesquisa direta 2019 424 Influência do número de tubos Para realizar a análise da influência do número de tubos foram fixados os parâmetros de entrada novamente e variado apenas a altura da aleta Laleta partindo do princípio de que a altura do radiador Hradiador é fixa devido a construção do equipamento A influência dessa variação sobre a efetividade a eficiência global superficial das aletas o Número de Unidades de Transferência e o produto UA novamente é apresentada por gráfico e tabelas A Figura 39 mostra o gráfico plotado Figura 39 Influência do número de tubos na efetividade na eficiência global superficial das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA Fonte Pesquisa direta 2019 Variando o número de tubos de 20 até 60 percebese pelo gráfico que NTU e UA crescem até um certo valor depois começam a decrescer Percebese que o maior valor está compreendido entre 31 e 39 tubos A mesma percepção acontece para o valor da efetividade A eficiência global da superfície das aletas tem um comportamento crescente chegando quase 52 em seu valor máximo que é 1 se o radiador possuir 60 tubos A tabela 20 mostra a variação percentual de NTU de UA da efetividade e da eficiência global da superfície das aletas se comparado o radiador com 60 tubos pelo radiador com 20 tubos Tabela 20 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com o número de tubos Variação Número de tubos Efetividade Eficiência global das superfícies das aletas η0 Número de Unidades de Transferência UA kWm2K 60 052 099 083 054 20 054 081 087 057 Δ 3 23 5 5 Fonte Pesquisa direta 2019 Para ficar claro como essas variáveis crescem e depois decrescem observando a tabela 21 Para facilitar a interpretação da tabela os intervalos estão separados por cores Quando o parâmetro estiver crescendo usase a cor verde para a simbolizar e quando o parâmetro decrescer vermelho 53 Tabela 21 Valores da efetividade da eficiência global superficial das aletas do Número de Unidades de Transferência NTU e do produto UA de acordo com o número de tubos Número de tubos ε η0 NTU UA kWm2K 20 054 081 087 057 21 054 082 088 057 22 055 084 089 058 23 055 085 090 059 24 055 087 090 059 25 055 088 091 059 26 056 089 091 060 27 056 090 092 060 28 056 091 092 060 29 056 091 092 060 30 056 092 092 060 31 056 093 092 060 32 056 093 092 060 33 056 094 092 060 34 056 094 092 060 35 056 095 092 060 36 056 095 092 060 37 056 096 092 060 38 056 096 092 060 39 056 096 091 060 40 055 096 091 060 41 055 097 091 059 42 055 097 090 059 43 055 097 090 059 44 055 097 090 059 45 055 098 089 058 46 055 098 089 058 47 055 098 088 058 48 054 098 088 058 49 054 098 088 057 50 054 098 087 057 51 054 098 087 057 52 054 099 086 056 53 054 099 086 056 54 053 099 085 056 55 053 099 085 056 56 053 099 084 055 57 053 099 084 055 58 053 099 083 055 59 052 099 083 054 60 052 099 083 054 Fonte Pesquisa direta 2019 54 O gráfico que demonstra o comportamento da taxa de transferência de calor pela variação do número de tubos no radiador está apresentado na Figura 40 Figura 40 Influência do número de tubos na taxa de transferência de calor Fonte Pesquisa direta 2019 Foi gerada também uma tabela para demonstrar o crescimento e decrescimento da taxa de transferência de calor de acordo com o número de tubos A tabela 22 segue o mesmo padrão de cores explicado anteriormente 55 Tabela 22 Valores da taxa de transferência de calor de acordo com o número de tubos Número de tubos Qreal kW 20 3172 21 3198 22 3220 23 3237 24 3252 25 3264 26 3274 27 3282 28 3287 29 3291 30 3294 31 3295 32 3296 33 3295 34 3293 35 3290 36 3287 37 3283 38 3278 39 3272 40 3266 41 3260 42 3253 43 3246 44 3238 45 3230 46 3221 47 3212 48 3203 49 3194 50 3184 51 3174 52 3164 53 3154 54 3144 55 3133 56 3122 57 3112 58 3101 59 3090 60 3079 Fonte Pesquisa direta 2019 56 425 Influência da espessura da aleta Haleta Para finalizar foi feita a análise da influência da espessura a aleta Haleta na efetividade na eficiência global da superfície das aletas no Número de Unidades de Transferência NTU e no coeficiente global de troca térmica UA Variouse a espessura da aleta de 005mm até 045mm com os resultados foram plotados gráficos novamente A Figura 41 mostra o gráfico gerado Figura 41 Influência da espessura da aleta na efetividade na eficiência superficial da aleta no Número de Unidades de Transferência NTU e no produto UA Fonte Pesquisa direta 2019 Pelo gráfico percebese que todos os parâmetros analisados tendem a crescer com o aumento da espessura da aleta chegando num ponto em que passa a ser praticamente constante A tabela 23 mostra a diferença percentual no valor dos parâmetros com a espessura da aleta Haleta igual a 045mm e com 005mm Tabela 23 Porcentagem da variação da efetividade da eficiência global da superfície das aletas de NTU e de UA de acordo com espessura da aleta Variação Espessura da aleta mm Efetividade Eficiência global das superfícies das aletas η0 Número de Unidades de Transferência UA kWm2K 045 066 096 125 082 005 060 079 106 069 Δ 9 22 18 18 Fonte Pesquisa direta 2019 57 Para fechar a análise foi gerado um gráfico que mostra o comportamento da taxa de transferência de calor Podese notar que ele apresenta o mesmo comportamento A Figura 42 mostra tal gráfico Figura 42 Influência da espessura da aleta na taxa de transferência de calor Fonte Pesquisa direta 2019 A porcentagem do aumento é apresenta da na tabela 24 Tabela 24 Porcentagem da variação da taxa de transferência de calor de acordo com espessura da aleta Variação Espessura da aleta mm Taxa de transferência de calor kW 045 3882 005 3558 Δ 9 Fonte Pesquisa direta 2019 43 Análise dos resultados Depois da variação dos parâmetros acima foi gerado um gráfico que apresenta os resultados de forma resumida e será utilizado para realização da sistematização da análise O gráfico aparece na Figura 43 58 Figura 43 Resultados resumidos Fonte Pesquisa direta 2019 Diante dos dados apresentados pelo gráfico da Figura 43 é possível perceber que a variação no número de aletas no radiador é o parâmetro que mais exerce influência sobre os resultados A variação na altura do tubo também tem uma significativa influência sobre os resultados mas com o aumento da altura dos tubos os resultados decrescem A variação do número de tubos influência expressivamente apenas sobre a eficiência global da superfície das aletas Depois de plotar os resultados proposto no trabalho e analisados o próximo capítulo será a conclusão do trabalho Será nele tratado também sugestões para trabalhos futuros 59 5 CONCLUSÃO Esse capítulo tem por objetivo finalizar do trabalho a partir dos resultados obtidos nos cálculos deixando claro a influência dos parâmetros de construção do radiador no seu desempenho 51 Conclusões O sistema de arrefecimento de um veículo é o responsável por retirar a grande taxa de calor gerada pelo motor de combustão interna É esse sistema que garante o correto funcionamento dos componentes do motor O radiador é o principal componente desse sistema O radiador é um trocador de calor compacto e precisa ser muito bem dimensionado para que possa cumprir os requisitos a ele exigido Esse trabalho realizou os cálculos pertinente a esse equipamento e analisou a influência de alguns parâmetros geométricos no desempenho do radiador Todo o trabalho foi fundamentado em pesquisas bibliográficas sobre motor de combustão interna sistemas de arrefecimento trocadores de calor compacto e por fim o equipamento radiador Para início da realização dos cálculos foram retidos os parâmetros característicos e de operação do trabalho de Papais 2013 e de Oliveira 2018 O equipamento se mostrou bastante eficaz pois pelos cálculos mostrou que é capaz de retirar 3845kW e pelo trabalho de Papais era necessário a retirada de 23kW Todos os cálculos e gráficos foram feitos com auxílio do software Microsoft Office Excel Foram analisados através de gráficos e tabelas a influência do número de aletas da altura dos tubos Htubos do número de tubos e da espessura da aleta Haleta sobre alguns parâmetros como coeficiente global de transferência de calor UA Número de Unidade de Transferência NTU efetividade ε eficiência global da superfície das aletas η0 e taxa de transferência de calor Foi de fácil percepção que o aumento do número de aletas é o parâmetro que mais influência nos resultados sendo ele diretamente proporcional a efetividade ε o Número de Unidade de Transferência NTU ao coeficiente global de transferência de calor UA e a taxa de transferência de calor O parâmetro que foi inversamente proporcional foi a eficiência global da superfície das aletas η0 60 Podese falar que quanto mais turbulento os escoamentos maior será a taxa de transferência de calor e por consequência melhor desempenho porém devese realizar uma outra análise a fim de mensurar o aumento da perda de carga um fator prejudicial O aumento da área de troca térmica do escoamento externo aumenta também a taxa de transferência de calor isso acontece porque influência diretamente no coeficiente global de transferência de calor UA e no Número de Unidades de Transferência NTU A tabela 25 mostra como o crescimento de alguns parâmetros influência no desempenho do radiador Tabela 25 Influência de alguns parâmetros Parâmetro Influência Número de aletas Positiva Altura do tubo Negativa Número de tubos Negativa Espessura da aleta Positiva Fonte Pesquisa direta 2019 Entendendo a tabela 25 podese dizer que o aumento do número de aleta e o aumento da espessura da aleta são benéficos para o desempenho do radiador O aumento da altura dos tubos e do número de tubos são prejudiciais para o desempenho do radiador O trabalho realizado pode auxiliar projetistas de trocadores de calor compacto principalmente radiadores a entender a influência dos parâmetros geométricos no desempenho 52 Recomendações Para trabalhos futuros recomendase considerar a resistência devido à incrustação analisar a viabilidade de construção e peso do equipamento e calcular o aumento da perda de carga quando se aumenta o número de aletas 61 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA BEJAN Adrian KRAUS ALLAN D HEAT TRANSFER HANDBOOK John Wiley Sons Inc Canada 2003 BORSATTI E J Estudo do sistema Dutotrocador de calor compacto para veículos de competição Dissertação Universidade de São Paulo São Paulo 2010 BRUNETTI Franco Mecânica dos Fluidos 2ª Ed São Paulo SP Pearson Prentice Hall 2008 BRUNETTI Franco Motores de Combustão Interna São Paulo Blucher v1 2012 BRUNETTI Franco Motores de Combustão Interna São Paulo Blucher v2 2012 CARL Matthew GUY Dana LEYENDECKER Brett MILLER Austin FAN Xuejun The theoretical and experimental investigation of the heat transfer process of an automobile radiator Department of Mechanical Engineering Lamar University Beaumont 12p April 2012 Disponível em httpswwwcourseherocomfile25920158No312012 ASEERadiatorFinalpdf Acessado em 20 de março de 2019 CARVALHO C B CARVALHO E P RAVAGNANI M A S S Sintonia de Controladores em Trocadores de Calor sob a Influência de Incrustações Maringá 2017 6p Disponível em httpswwwresearchgatenetpublication321920756SintoniadeControladoresemTrocao resdeCalorsobaInfluenciadeIncrustacoes Acessado em 3 de novembro de 2018 ÇENGEL Yanus A Transferência de calor e massa uma abordagem prática 3 ed São Paulo McGrawHill 2009 ÇENGEL Yunus A GHAJAR Afshin J Transferência de calor e massa uma abordagem prática 4 ed Porto Alegre RS McGrawHill 2012 GIL A C Como elaborar projetos de pesquisa São Paulo Atlas 2002 GIL A C Métodos e técnicas de pesquisa social São Paulo Atlas 1999 INCROPERA F P DEWITT D P Fundamentos de transferência de calor e massa 5 ed Rio de Janeiro LTC Livros Técnicos e Científicos Editora 2003 62 INTRODUÇÃO AOS MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA Car Up 2017 Disponível em httpsautocarupcombrintroducaoaosmotoresacombustaointerna Acessado em 10 de setembro de 2018 KUPPAN T Heat Exchanger designer handbook2 ed Nova York CRC Press 2013 LIMA F L M SOARES I F M 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