SISTEMAS DE RESFRIAMENTO DO MOTORDaffenis Rodrigues Felipe Salim Gomes Janyr Ramos da Fonseca Levi Marques Ferreira de Almeida Monique Ribeiro Gonçalves Gama RIO DE JANEIRO 2014 DAFFENIS RODRIGUES FELIPE SALIM GOMES JANYR RAMOS DA FONSECA LEVI MARQUES FERREIRA DE ALMEIDA MONIQUE RIBEIRO GONÇALVES GAMA Alunos do Curso superior de Tecnologia em Construção Naval SISTEMAS DE RESFRIAMENTO DO MOTOR Trabalho da disciplina Sistemas de Propulsão Naval e Auxiliares, ministrada pela professora Yipsy Roque Benito, usado como requisito parcial para obtenção da pontuação semestral necessária que acuse o aproveitamento de disciplina. RIO DE JANEIRO 2014 II RESUMO Apresenta-se nesse texto o trabalho de pesquisa realizado pelos autores em Sistemas de Resfriamento do Motor. Esse estudo foi examinado observando os avanços alcançados pela indústria no setor de tecnologia aplicada a motores. Será demonstrado ao longo das seções deste trabalho a forma como os autores conduziram o raciocínio para traçar o perfil da tecnologia supracitada, sua funcionalidade, suas características particulares e um estudo sobre a composição de sua estrutura básica e as abordagens físicas envolvidas em seus processos. Palavras-chave: motor, arrefecimento, eficiência. III SUMÁRIO RESUMO .................................................................................................................................. II SUMÁRIO .............................................................................................................................. III LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. IV 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1 2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA E SEUS COMPONENTES ................................................ 2 3 ABORDAGEM TERMODINÂMICA DO SISTEMA ....................................................... 7 3.1 MECANISMOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR............................................9 4 APLICAÇÃO ESPECÍFICA NA ÁREA NAVAL ........................................................... 10 4.1 SISTEMA DE ÁGUA DOCE...............................................................................11 4.2 SISTEMA DE ÁGUA SALGADA.......................................................................14 5 CONCLUSÃO......................................................................................................................17 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 17 IV LISTA DE FIGURAS Fig. 2-1 Exemplo que Ilustra o Fluxo de Água dentro de um Motor.........................................2 Fig. 2-2 Camisas do motor do bloco de cilindros de um motor v-6...........................................3 Fig. 2-3 Geometrias mais comuns dos radiadores......................................................................4 Fig. 2-4 Bomba de líquido de arrefecimento da marca Daihatsu em 2009.................................4 Fig. 2-5 Uma Válvula Termostática fechada e aberta.................................................................5 Fig. 2-6 Arrefecimento por ar.....................................................................................................5 Fig. 2-7 Aletas.............................................................................................................................6 Fig. 2-8 Ventoinha......................................................................................................................6 Fig. 3-1 Diagrama de fluxo de energia em um motor de combustão interna..............................7 Fig. 4-1 Sistema onde a água salgada resfria a água doce........................................................11 Fig. 4-2 Sistema básico de Água Doce.....................................................................................12 Fig. 4-3 Sistema de Água Doce com tanque de separação de óleo...........................................13 Fig. 4-4 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (água doce)......................13 Fig. 4-5 Outra ilustração do sistema de água fechado(água doce)............................................14 Fig. 4-6 Sistema de Água Salgada............................................................................................14 Fig. 4-7 Sistema de resfriamento do motor com as redes de água doce e salgada....................15 Fig. 4-8 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (água salgada)..................15 Fig. 4-9 Outra ilustração do sistema de água aberto(água salgada)..........................................16 1 1. INTRODUÇÃO Antes dos atuais avanços tecnológicos foi constatado pela engenharia que as altas temperaturas dentro dos motores fazem com que eles sofram menos desgaste, graças as ligas metálicas componentes destes motores que atingem seu ponto máximo de dilatação ao serem superaquecidas, assim reduzindo os atritos que consequentemente produzem um maior desgaste. Para que a temperatura dentro dos motores não exceda os limites desejáveis para seu bom funcionamento foi inventado o sistema de resfriamento ou arrefecimento, que se põe a manter uma temperatura ideal (estabilizada) para o motor através da retirada do excesso de calor produzido em sua superfície. De acordo com Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007) existem basicamente três motivos que justificam o porque de um motor possuir um sistema de resfriamento ou arrefecimento: 1. Promover uma eficiência volumétrica elevada que minimize os fluxos de calor da estrutura do motor para o ar de ingresso. 2. Evitar a detonação provinda de temperaturas elevadas na câmara de combustão. 3. Prevenir falhas mecânicas nos materiais que aconteçam por cargas térmicas elevadas provindas de gradientes térmicos em excesso. Existe mais de uma forma de se resfriar um motor, e isso será abordado ao longo deste trabalho. 2 2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA E SEUS COMPONENTES Na maioria dos motores existentes utiliza-se a água como o meio para se obter a refrigeração, e esta substância é chamada de líquido de arrefecimento. Ainda é possível se utilizar outros líquidos orgânicos, refrigerantes e soluções de natureza polimérica encontradas na aplicação dos nanofluidos. Numa descrição básica para este funcionamento, observa-se que através da circulação da água pelos dutos internos do bloco do motor o calor presente nestas superfícies devido à combustão é transferido para a água, que após isso passa por algum dispositivo de troca de calor com o ar, como por exemplo o radiador. Nesta etapa a água é resfriada e volta para o motor. A água circula pelo sistema, ajudada por uma bomba de acionamento dependente do motor. Os motores modernos possuem eletroventilador acionado com termostato, um regulador de fluxo que se inicia através da detecção da temperatura do líquido quando esta atinge valores excedentes. É importante mencionar que, por outro lado, o alto grau de resfriamento do líquido de arrefecimento também não é desejável, já que pode provocar uma mistura de combustível não vaporizado e óleo (segundo T. K. Garrett, Kenneth Newton e William Steeds, The Motor Vehicle, 1966). Fig. 2-1 Exemplo que Ilustra o Fluxo da Água dentro de um Motor (4shared.com). 3 De acordo com Taylor, C.F. no livro Análise dos Motores de Combustão Interna (1971), as transmissões de calor ao liquido de arrefecimento são vistas nos seguintes processos: - Transmissão através do fluido de trabalho durante a compressão e expansão. - Transmissão através do atrito vindo do pistão para as paredes do cilindro. - Transmissão para o cilindro por meio do processo de descarga. Para ser desejável ao uso, o fluido de arrefecimento deve possuir algumas características, tais como um elevado calor específico e condutividade térmica a fim de proporcionar um aumento de troca de calor e a capacidade de transportar energia, ter uma viscosidade baixa para não exigir muito do trabalho de bombeamento, possuir baixo potencial de corrosão nas paredes do sistema, ser capaz de reter uma quantidade de processos mínima, ser capaz de lubrificar o sistema, ter propriedades anticongelantes para situações que apresentem baixa temperatura. (Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems , 2007) Desta forma, os componentes principais que constituem a estrutura básica do sistema de arrefecimento por água em motores são: Passagens de fluido no bloco O fluido de arrefecimento circula através de tubos que envolvem os cilindros do motor, denominados camisas úmidas ou camisas de água conforme a figura abaixo. Fig. 2-2 Camisas do motor do bloco de cilindros de um motor v-6 (Crouse,W.H.; Anglin, D.L. em Automotive air conditioning, 1977). 4 Radiador Através do radiador é possível eliminar o calor retido pelo líquido de arrefecimento por meio da troca de calor com o ar ambiente. Fig. 2-3 Geometrias mais comuns dos radiadores. Bomba de líquido de arrefecimento O líquido de arrefecimento circula através das camisas úmidas do motor devido a uma bomba que na maioria dos casos é do tipo centrífuga, da qual impulsiona o fluido até que ele alcance uma velocidade específica que varie de acordo com a capacidade da bomba. De acordo com Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007), através do aumento do bombeamento causado por perdas que acontecem internamente denominadas perdas mecânicas, perdas de atrito do impulsor, vazamentos e perdas hidráulicas, pode-se determinar a eficiência de uma bomba. Fig. 2-4 Bomba de líquido de arrefecimento da marca Daihatsu em 2009. 5 Termostato São dispositivos pertencentes ao sistema de arrefecimento, capazes de regular a temperatura de operação do motor através da vedação da quantidade de água que atravessa o radiador. Em temperaturas baixas a passagem de água é bloqueada contendo todo o líquido de arrefecimento a circular somente dentro do motor. Alcançando temperaturas mais altas que podem variar dependendo do tipo de motor, a válvula do termostato se abre para permitir que o líquido circule para o radiador. Fig. 2-5 Uma Válvula Termostática fechada e aberta. Além de se obter refrigeração por água, existe também o sistema de resfriamento ou arrefecimento por ar, muito encontrado em motores do tipo boxer por exemplo. Neste sistema um insuflador (também chamado de ventoinha ou ventilador) impulsiona o ar frio sobre o bloco do motor para resfria-lo. Este é um sistema menos eficiente que o do resfriamento por água, já que as peças não conseguem uma dilatação máxima provocada por aquecimento, resultando em ciclos de expansão/contração mais severos, que podem acelerar a fadiga do metal. Fig. 2-6 Arrefecimento por ar. 6 Seus componentes são: Aletas Localizadas no cabeçote e nas partes externas dos cilindros com a finalidade de aumentar a superfície de contato entre o motor e o meio arrefecedor, o ar. As aletas devem estar sempre limpas e nunca devem ser pintadas, pois poeira e tinta dificultam a dissipação do calor. (Carlos Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combustão Interna, UFRRJ, 2012) Fig. 2-7 Aletas. Ventoinha Produção de corrente de ar entre o meio ambiente e o motor. A ventoinha força uma corrente de ar através das aletas para aumentar a transferência de calor entre o motor e o meio ambiente. (Carlos Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combustão Interna, UFRRJ, 2012) Fig. 2-8 Ventoinha. 7 Dutos e Defletores Condução e orientação da corrente de ar na direção das aletas de arrefecimento. (Carlos Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combustão Interna, UFRRJ, 2012) 3. ABORDAGEM TERMODINÂMICA DO SISTEMA Nesta parte será feito um panorama dos processos termodinâmicos que ocorrem dentro de um motor de combustão interna relacionando com o sistema de resfriamento. Heywood J.B. no livro Internal Combustion Engine Fundamentals (1988), descreve uma distribuição detalhada da energia do motor enquanto há combustão interna. É mostrada uma transformação da energia química vinda do combustível nos diferentes processos que fazem a transferência de calor e realização de trabalho: Fig. 3-1 Diagrama de fluxo de energia em um motor de combustão interna (Heywood J.B. no livro I nternal Combustion Engine Fundamentals, 1988). 8 Na figura 3-1, o parâmetro observado em m f Q LHV é o produto da vazão mássica de combustível pelo poder calorífico inferior; Q w seria a taxa de transferência de calor às paredes da câmara de combustão; H e é o fluxo de entalpia nos gases de exaustão; P b é a potência no eixo; P tf é a potência total de atrito; P i é a potência indicada; P pf é a potência de atrito no pistão; Q cool é a taxa de rejeição de calor ao fluido de arrefecimento; Q c,e também é a taxa de rejeição de calor ao fluido de arrefecimento porém na passagem de exaustão; H e,s,a é o fluxo da entalpia de calor sensível dos gases de exaustão jogados na atmosfera; H e,i,c é o fluxo na entalpia química dos gases de exaustão devido à combustão incompleta; Q e,r é o fluxo de calor por radiação do sistema de escape; E e,k é a taxa de variação da energia cinética dos gases de escape e; Q minsc é a soma das taxas de transferência de calor remanescentes. De acordo com Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007), uma pequena porcentagem da energia total de combustão é reservada ao eixo, e aproximadamente 75% se perdem, de forma que o restante é aproveitado na forma de trabalho. Segundo Heywood J.B. cita em Internal Combustion Engine Fundamentals (1988), ao fazer um balanço energético geral, considerando-se o volume de controle relacionado a superfície do motor, a seguinte forma é obtida para regime permanente na primeira lei da termodinâmica: Onde P b é a potência ao eixo; Q cool a taxa de transferência de calor ao fluido de arrefecimento; H e,ic o fluxo de entalpia nos gases de exaustão devido à combustão incompleta; mh e,s o produto da vasão mássica pela entalpia de calor sensível dos gases de escape e m f Q LHV o produto da vasão mássica do combustível pelo poder calorífico inferior. 9 3.1 MECANISMOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR No motor de combustão interna existem mecanismos para transmissão de calor entre dois corpos que possuam diferenças de temperatura e que ocorrem enquanto o motor está operante, sendo que um pode prevalecer sobre o outro de acordo com suas localizações. Os mecanismos são: condução, convecção e radiação. A distribuição de temperaturas é mutável dentro dos componentes do motor, sobretudo nas vizinhanças da câmara de combustão. O mecanismo chamado condução pode acontecer em gases, sólidos e líquidos e ocorre da interação entre partículas adjacentes da substância. Geralmente ocorre através das paredes do bloco de cilindros e dos tubos do radiador. A convecção ocorre entre um liquido e um sólido escoando sobre a superfície. No sistema de resfriamento ou arrefecimento essa transferência se dá entre o gás da combustão (no lado da câmara de combustão) ou o ar (no lado do radiador), o fluido de arrefecimento e as superfícies sólidas do motor. A taxa de transferência de calor, Q, através da superfície de troca de calor A é proporcional à diferença de temperatura existente entre a superfície e o líquido que escoa sobre ela. Essa taxa de transferência de calor pode ser expressa segundo a lei de Newton do resfriamento: Onde α é o coeficiente de troca de calor por convecção, e T w e T ∞ são respectivamente as temperaturas da superfície e do fluido. Por fim tem-se que a radiação é a transmissão de energia que se utiliza de ondas eletromagnéticas através do espaço sem um meio de transmissão. Segundo Holman J.P. no livro Heat Transfer (1981) a taxa de transferência de calor relaciona-se com as potências quartas das temperaturas envolvidas e pode ser expressa pela seguinte expressão algébrica: Onde F G apresenta-se como uma função do fator geométrico; F ε uma função da emissividade; σ é chamada constante de Stefan – Boltzmann (5,669 x 10 -8 W/m 2 K 4 ); A é a área de troca de 10 calor e T é a temperatura dos corpos que estão trocando calor. Este tipo de transferência de calor acontece através das fronteiras do sistema; mas a maior quantidade de calor trocada entre o fluido de trabalho e as peças do motor acontece por convecção forçada, de acordo com Taylor C.F. no livro Análise dos Motores de Combustão Interna (1971). Desta forma se faz um mapeamento de como acontecem as trocas de calor para um sistema de arrefecimento dentro de um combustão. Levando-se em consideração os tipos de processo e até mesmo a forma em que se apresenta o fluido. 4. APLICAÇÃO ESPECÍFICA NA ÁREA NAVAL No meio naval o sistema de resfriamento utilizado é o de fluido de arrefecimento, feito por água. A água como fluido de trabalho dentro dos motores de navios pode ser doce ou salgada e também podem ser classificadas em sistemas simples ou convencionais e sistemas sofisticados ou complexos. Os sistemas simples ou convencionais são mais utilizados em motores que queimam combustível leve, como por exemplo o álcool, e a água doce circula em um circuito fechado que inclui as camisas úmidas que envolvem os cilindros. Já a água salgada circula por um circuito aberto, que inclui os resfriadores de água doce das camisas, óleo lubrificante e ar. Em barcos pequenos como por exemplo os pesqueiros, se utiliza apenas o sistema aberto de refrigeração. Os sistemas considerados mais complexos possuem circuitos de baixa temperatura que inclui os resfriadores de ar de carga e turbo-carregador, e também de alta temperatura que inclui as camisas dos cilindros, o resfriado de óleo lubrificante e o resfriado de ar. Existe também outro tipo de sistema do qual utiliza um resfriador central onde a água circula salgada e troca calor com o circuito fechado de água doce, incluindo as camisas úmidas que envolvem os cilindros, o resfriado de óleo lubrificante e o resfriado de ar. Esse sistema pode ser visto na figura 4-1. Além de captar, filtrar e circular a água salgada para os trocadores de calor ou para o resfriador central, o sistema faz com que a água doce percorra as camisas absorvendo o calor originado pela combustão, mas a temperatura da água das camisas deve ser mantida alta o suficiente para impedir que aconteça condensação de gases corrosivos nas paredes dos cilindros e baixa em um nível que não permita a formação de bolsas de vapor em pontos isolados. 11 Fig. 4-1 Sistema onde a água salgada resfria a água doce. Em motores super-carregados o resfriamento do ar de carga tem por finalidade promover a diminuição da densidade de uma dada massa de ar, permitindo assim que uma maior quantidade de ar possa ser admitida nos cilindros. Nos motores que queimam combustível residual, a combustão requer temperaturas ótimas de operação em todas as cargas. Em cargas elevadas a temperatura deve ser baixa o bastante para que seja limitada a carga térmica e para que na câmara de combustão não ocorra a corrosão a quente dos componentes. A temperatura deve ser alta o bastante para cargas baixas para que a combustão completa seja garantida e para que não ocorra a corrosão a frio na câmara de combustão. 4.1 SISTEMA DE ÁGUA DOCE Neste sistema a bomba é acoplada ao motor, acionada pelo eixo de manivelas, via trem de engrenagens. O sistema é complementado com um tanque de expansão e um trocador de calor. A água resfria diversas partes do motor como as camisas e cabeçotes dos cilindros, caracol da turbina (conjunto turbocompressor), mancal de escora. A água que vem da bomba atravessa o resfriador indo para o “manifold” de distribuição. Parte do liquido é injetado, de baixo para cima, nas camisas úmidas, seguindo para os cabeçotes. Durante esse processo a outra parte do liquido é encaminhada aos turbocompressores. A água que vem dos turbocompressores e dos cabeçotes retorna para a sucção da bomba. Existem outros pontos que podem ser resfriados por água doce, como os pistões, através de tubos telescópicos inseridos nas hastes em motores tipo cruzeta. (Existe um circuito a parte para refrigeração dos pistões e injetores). 12 ‘ Fig. 4-2 Sistema básico de Água Doce. Na figura 4-1 há uma esquematização básica para o entendimento do sistema de água doce no resfriamento do motor. Nela a água circula pelo motor e passa por um trocador de calor, sendo resfriada por água salgada e bombeada novamente para o motor. Existem duas bombas centrífugas auto-escorvantes, ou seja, que operam acima do nível do líquido (uma em operação e outra de reserva), que são acionadas por motores elétricos. Há uma válvula de by- pass no circuito controlada por um termostato e pode-se desviar toda água ou parte dela para a sucção da bomba quando a temperatura da água doce for baixa. Integrado no circuito, existe um tanque de expansão e reposição (tanque de compensação) que tem por finalidade compensar a expansão da água devido ao aumento da temperatura. Também é usado para reposição de água perdida por evaporação, vazamento, etc. A temperatura de entrada da água no motor deve ser regulada pra que a temperatura de saída se situe próximo a um determinado valor (65ºC a 70ºC). As superfícies que se encontram com temperaturas mais baixas são as que tem prioridade de resfriamento para o fluxo da água. Quando o resfriamento dos injetores do motor é feito por meio de água doce, existe um circuito idêntico ao descrito acima, com a inclusão de mais um elemento, o tanque de separação de óleo. 13 Fig. 4-3 Sistema de Água Doce com tanque de separação de óleo. Fig. 4-4 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (água doce). 14 Fig. 4-5 Outra ilustração do sistema de água fechado (água doce). 4.2 SISTEMA DE ÁGUA SALGADA Neste sistema a bomba é acoplada ao motor e é acionada pelo eixo de manivelas, via trem de engrenagens. Utiliza água do mar para retirar o calor dos fluidos que circulam nos sistemas de lubrificação e de água doce de resfriamento, passando pelos diversos resfriadores (trocadores de calor, incluindo o resfriador de ar quando houver). A bomba succiona a água salgada proveniente de mar via filtro e válvulas de isolamento. Uma parte da água salgada é forçada para o resfriador de ar de carga, resfriador de óleo do motor, descarga de gases, enquanto a outra parte é direcionada para o resfriador da água do circuito fechado do motor. Após a utilização a água salgada é descarregada pelo costado da embarcação. Fig. 4-6 Sistema de Água Salgada. 15 Fig. 4-7 Sistema de resfriamento do motor com as redes de água doce e salgada. Fig. 4-8 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (água salgada). 16 Fig. 4-9 Outra ilustração do sistema de água aberto (água salgada). 17 5. CONCLUSÃO O grupo concluiu através deste trabalho que o sistema de resfriamento de um motor deve ser preciso e sofisticado o bastante para manter-se sensível às mudanças de temperatura que ocorrem dentro de um motor, de maneira que acompanhe as complexidades dos sistemas termodinâmicos atuantes e promova funcionamento adequado. Da mesma forma nota-se a importância de um sistema de resfriamento para a vida útil de um motor. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Especialização em Engenharia Naval – Módulo 5 – Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares. The Society of Naval Architects and Marine Engineers - Marine Engineering – 1971. Ray T. Bohacz - Engine Cooling Systems – 2007. T. K. Garrett, Kenneth Newton e William Steeds - The Motor Vehicle – 1966. Taylor, C.F. - Análise dos Motores de Combustão Interna – 1971. Crouse, W.H.; Anglin, D.L. - Automotive air conditioning – 1977. Carlos Alberto Alves Varella - Sistemas Auxiliares dos Motores de Combustão Interna - UFRRJ, 2012. Heywood J.B. - Internal Combustion Engine Fundamentals – 1988. Antônio Carlos Lessa Maffei – Monitoração e Diagnóstico de Motores de Propulsão Marítima – UFRJ, 2007. Luiz Augusto Rocha Baptista - Manutenção Preditiva de Motores Diesel de Parâmetros Nacionais – UFRJ, 1999.