Sistema de Refrigeração dos

Motores de Combustão Interna

Sistemas de Refrigeração

• As temperaturas dos gases de exaustão

normalmente excedem o ponto de liquefação

dos materiais usados na fabricação dos

pistões e paredes de cilindro.

• A refrigeração é necessária para reduzir

fissuras no cilindro, deformação dos pistões e

outras danificações em componentes dos

motores.

• Os motores podem ser refrigerados a água ou

a ar.

Carga Térmica

• A carga térmica é a soma do calor produzidospor vários componentes,

• Em que os subscritos CC, IC, OC e AC referem-se à carga térmica da câmara de combustão, do intercooler, do resfriador do óleo lubrificante e do aparelho de ar condicionado, respectivamente.

ACOCICCCT EEEEE &&&&& +++=

Refrigeração

• Os três primeiros termos, combinados, estão entre 60 a 94% da potência ao freiodo motor.

• A carga térmica do ar condicionado (a uma temperatura ambiente de 32o C e umidade relativa de 60%) é 7 kW.

• As temperatura do cilindro deve ser mantida abaixo de 220 C para que o filmede óleo não se quebre.

Refrigeração à água

• Fabricantes geralmente selecionam um fornecedor de radiadores – essesfornecedores são especialistas emrefrigeração.

• Os valores críticos tais como fluxo de água, fluxo de ar e capacidade de troca de calor são calculados para a rotação e potência nominal.

Fluxo de água

• A capacidade de dissipação de calor de

um radiador pode ser estimada pela

equação

• Em que QW é o fluxo de fluido refrigerante.

60

WWWWRW

TCQE

∆=

ρ&

Fluxo do fluido refrigerante

• O fluxo típico de refrigerantes geralmente é de 1,3 to 2,5 L/min/kW.

• No radiador ocorre uma queda de temperaturado fluido entre 3o a 8o C.

• Bombas centrífugas são usadas para circular a água.

• A bomba para remover a água é localizada no bloco do cilindro.

• Circulação natural faz a água subir para a partesuperior do motor e deste ponto para o radiador.

Radiador típico

Projeto do radiador

• Fluxos típicos de 1,4 kg/min/tubo.• A condição do fluido refrigerante está abaixo mas

próximo da linha de saturação.

• O número total de tubos pode ser determinado a partir da última equação apresentada e da regraanterior.

• Os tubos têm formato retangular com relação largura/altura igual a 4:1.

• O espaçamento entre tudos em radiadores de grande porte é de 1,60 cm.

• A linhas de tubos são dispostas formando um zig-zag.

Projeto do radiador

• Os tubos podem ser colocados na forma alinhada quando for para trabalhar emambientes com muita impureza.

• Aletas são usada para aumentar a taxa troca de calor – mais aletas/cm é melhor.

• O limite máximo de espaçamento entre aletas éde 3,5 aletas/cm, embora possa ser reduzidopara 1,5 aletas/cm em colhedoras.

• A área frontal deve ser grande o necessáriopara permitir a troca de calor – a regra prática é20-30 cm2 por kW de potência ao freio.

Vista em corte de um radiador

Temperaturas dentro de um

radiador

Considerações

• Os circuitos de refrigeração sãopressurizados para prevenir que o fluido se evapore.

• A temperatura limite a ser atingida pelomotor deve ser levada em consideração.

• O tanque do radiador deve permitir um aumento de 5% em volume para compensara expansão devido ao aquecimento do fluido.

• O volume do tanque deve ser grande o suficiente para permitir 200 trocas do fluidorefrigerante por minuto.

Ponto de ebulição do fluido

refrigerante

• O ponto de ebulição do fluido pode ser

estimado por:

• Em que Cconc é a concentração de etileno

glicol.

400367,0053,0100

2 pCCT concconcBP

∆++−=

Comentários

• Os radiadores podem ser pressurizados a 100 kPa, embora 50 kPa seja maiscomum.

• Para cada 4 kPa variação na pressão do sistema ocorre uma variação de 1o C natemperatura de operação.

Tampa do radiador

• A tampa de radiador deve ter duasválvulas para controlar a pressão do fluidorefrigerante.

Tanque para manter o radiador

cheio

Fluxo de ar

• Ar suficiente deve passar pelo radiador

para realizar a troca de calor,

• Em que EAr é a taxa de troca de calor, e

∆Ta é a variação da temperatura do ar quepassa pelo radiador.

apaaaRa TCQE ∆= ρ&

Massa específica do ar

• A massa específicado ar, ρa, pode ser estimada por,

• para as condições ambientes.

a

aa

T

p49,3=ρ

Comentários

• Geralmente o aumento de temperaturaquando o ar atravessa o radiador é de 15 a 20o C.

• Uma vez determinado o fluxo de ar, deve-se utilizar as curvas de ventiladores.

• As curvas de ventiladores sãodesenvolvidas para condições padrões(101,325 kPa e 20o C).

Exemplo de curva de ventilador

Pressão do ar em função da

altitude

• A pressão do ar pode ser estimada a partir

da altitude do local

• Em que h é a altitude em metros.

hpatm 01116,01,101 −=

Correção da potência do

ventilador

• A potência do ventilador corrigida para as novas condições pode ser obtida por,

• Em que fo se referem às condições nãopadrões e fc as condições obtidas a partirda curva de desempenho do ventilador.

fc

o

ofo P

T

pP

3,101

1,294=

Leis dos ventiladores

• As leis dos ventiladores podem ser usadas

para obter a condifiguração do ventilador

em outras condições

3

=

fc

fn

fc

fn

fc

fn

D

D

N

N

Q

Q 22

=

∆

∆

fc

fn

fc

fn

fc

fn

D

D

N

N

p

p

53

=

fc

fn

fc

fn

fc

fn

D

D

N

N

P

P

Comentários

• Um condutor deve ser instalado entre o radiador e o ventilador.

• Faz-se necessário uma distância mínimade 10 cm entre o ventilador e o radiador.

• A distância periférica entre o ventilador e condutor deve estar entre 0,60 a 1,25 cm.

• As curvas de desempenho dos ventiladores são gerada para o ventilador penetrando no condutor.

Fluidos refrigerantes

• O etileno glicol (C2H6O2) é o principal fluido refrigerante usado em motores.

• Misturas com 50% de água e 50% de etileno glicol são comuns.

• Inibitores químicos, que são alcalinos, sãoadicionados para o refrigerante eliminar a formação de ácidos.

Fluidos refrigerantes

• O etileno glicol aumenta o ponto de ebulição e diminui o ponto de congelamento.

• Aditivos reduzem a cavitação – a maiorfonte de desgaste na parede de cilindros.

• Outros aditivos inibem a ferrugem e a corrosão.

Propriedades das misturas água +

etileno glicol

Calor específico do fluido

refrigerante

• O calor específico da água é dado por,

• Para uma mistura 50/50 com água,

• Em que Tw é a temperatura em oC.

WW TC 0002892,0127,4 +=

WW TC 003897,0409,3 +=

Considerações

• O etileno glicol diminui o calor específicodo refrigerante, e isso deve ser considerado no projeto do sistema de refrigeração.

Termostatos para motores

Termostatos

• Com depósito contendo éter. O éterexpande com o aquecimento fazendo com que o termostato se abra.

• Lâmina bimetálica enrolada se desenrolaquando aquecida forçando o termostato a se abrir.

Motor refrigerado a ar

Comentários

• Para que os motores refrigeremadequadamente um fluxo mínimo de 0,04 m3/s de ar refrigerante deve ser fornecidopor kW de potência ao freio.

Perguntas ???