ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
Perfil dos instrutores
 José Eduardo Mautone Barros
• Doutor em Engenharia Mecânica
Área de Motores de Combustão Interna – UFMG
• Mestre em Engenharia Aeronáutica, Área de Propulsão – ITA
• 23 anos de experiência em projetos de desenvolvimento na indústria
aeroespacial e na academia
• Desenvolvimento de motores foguetes (Lançador de satélite VLS, Míssil
MAA-1.1 Piranha, Míssil MSS-1.2, Sistema ASTRO Avibras)
• Desenvolvimento de pirotécnicos ( Airbag, Parafusos explosivos,
Válvulas, Cordões de corte)
• Ensaios de turbocompressores e simulações
• Simulações de motores de combustão interna
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 2
Perfil dos instrutores
 José Guilherme Coelho Baêta
• Doutorando em Engenharia Mecânica,
Área de Motores de Combustão Interna – UFMG
• Especialista em Engenharia Automotiva – PUC-MG
• 10 anos de experiência em projetos de desenvolvimento na indústria
automotiva (FIAT)
• Desenvolvimento de técnicas de calibração experimental de centrais
eletrônicas de motores de combustão interna
• Desenvolvimento de motores multifuel sobrealimentados
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 3
Sumário
Cap. 1 – Transferência de calor
Cap. 2 – Balanço térmico do motor
Cap. 3 – Dimensionamento do sistema de arrefecimento
Cap. 4 – Análise da combustão e transferência de calor
no cilindro
Cap. 5 – Análise Computacional da combustão e
transferência de calor no cilindro
Cap. 6 – Modelagem dinâmica do sistema de
arrefecimento
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
Modos
de transferência de calor
 Importância
A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as
emissões dos motores através dos seguintes parâmetros:
 Temperatura e pressão dos gases de combustão
(afeta potência útil)
 Consumo específico de combustível
 Detonação (troca de calor para os gases não queimados)
que limita a taxa de compressão
 Aquecimento da válvula de exaustão (afeta a eficiência
volumétrica de admissão)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 5
Modos
de transferência de calor
 Importância
A transferência de calor afeta o desempenho, a eficiência e as
emissões dos motores através dos seguintes parâmetros:
 Emissões de CO e HC queimados na exaustão
 Temperatura dos gases de exaustão (EGT) que controla
turbocompressores e recuperadores
 Aquecimento do óleo (maior atrito)
 Expansão térmica dos componentes
(pistão, anéis, cilindro, cabeçote, etc.)
 Carrega o sistema de resfriamento e seus acessórios
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Modos
de transferência de calor
 Ordens de grandezas
 Temperatura máxima típica do gás queimado:
2200 ºC (2500 K)
 Temperatura máxima do material da parede do cilindro:
 Ferro fundido
400 ºC (673 K)
 Ligas de alumínio 300 ºC (573 K)
 Lubrificante
180 ºC (453 K)
 Pico de fluxo de calor para as paredes do cilindro:
0,5 a 10 MW/m2
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Modos
de transferência de calor
 Condução
 Modo de transferência em sólidos e líquidos em repouso
 A intensidade é função do material e do gradiente de
temperatura
 É o modo de transferência de calor no cabeçote, paredes do
cilindro, pistão, bloco e coletores

Q
q CN    kT
A

Q
dT
x
q CN x 
 k
A
dx
onde,
q = fluxo de calor (W/m2)
k = condutibilidade térmica (W/m/K)
A = área transversal de transferência (m2)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Modos
de transferência de calor
 Convecção
 Modo de transferência entre fluidos e uma superfície
sólida
 A intensidade é função do fluido, do movimento relativo
da diferença de temperaturas
 No motor a convecção é forçada, em regime turbulento,
pois existe bombeamento dos fluidos
 Depende de relações empíricas específicas para cada tipo
de escoamento e geometria
 É o modo de transferência de calor entre os gases e
líquidos e as paredes dos componentes do motor
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Modos
de transferência de calor
 Convecção

Q
q CV   h g Tg  Tw,g 
A

Q
q CV   h c Tw,c  Tc 
A
onde,
h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2/K)
Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K)
T = temperatura média do fluido (K)
Subscritos,
g = gás
c = fluido de resfriamento (água ou ar)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 10
Modos
de transferência de calor
 Radiação
 Modo de transferência entre corpos quentes e frios por
meio de emissão e absorção de ondas eletromagnéticas
 A intensidade é função da diferença de temperaturas
 Depende de parâmetros de forma, absorção e emissividade
específicos para cada tipo material e geometria
 É um modo secundário de transferência de calor entre os
gases quentes durante a queima e as paredes do cilindro
 É mais significativo em motores de ignição por
compressão (ciclo Diesel) devido a presença de fuligem
durante uma fase da queima do combustível no cilindro
 Existe radiação térmica proveniente do coletor de escape
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11
Modos
de transferência de calor
 Radiação
onde,

Q
q R   Ff ε σTg4  Tw,4 g 
A
σ = constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/m2/K4
ε = emissividade
Ff = fator de forma
Tw = temperatura da superfície da parede sólida (K)
Tg = temperatura média do fluido (K)
Subscrito g = gás
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 12
Modos
de transferência de calor
 Mecanismo combinado de transferência de
calor no cilindro
q CV  q R  q CN  q CV
g
c
 Regime transiente
(aproximação
quase-permanente)
 Escoamento turbulento
 Tridimensional
(aproximação
unidimensional)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 13
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Temperaturas no pistão
 Temperatura maior no
centro do pistão
 Os pontos na figura são
valores medidos e as
isolinhas são calculadas em
um motor ciclo Otto
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 14
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Pistão de motores ciclo Diesel são 50 ºC mais quentes
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 15
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Temperaturas na parede do
cilindro em um motor ciclo Diesel
 O topo é mais quente devido a
queima
 A carga térmica devido a fricção é
significativa
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 16
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Altas temperaturas entre as válvulas do cabeçote (Otto)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 17
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Temperaturas na válvula de
exaustão (ciclo Diesel)
 Em válvulas pequenas a base
recebe a maior carga térmica
 Em válvulas grandes a sede
recebe a maior carga térmica
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 18
Análise térmica do motor
 Efeito nos componentes do motor
 Fluxo de calor
calculados em diversas
regiões do pistão
 A carga térmica é mais
elevada na cabeça do
pistão
 Motores ciclo Diesel
possuem canais de
resfriamento entre a
cabeça e a saia do
pistão
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 19
Análise térmica do motor
 Efeito das variáveis do motor
 O parâmetro de calor total (100%) é a energia do combustível
(massa de combustível injetada vezes o poder calorífico
inferior)
 A perda de calor relativa a energia total diminui com o aumento
da velocidade de rotação
 A perda de calor absoluta aumenta com o aumento da
velocidade de rotação
 O fluxo de calor é máximo para lambda igual a 0,91 (mistura
rica) para a gasolina
 A perda de calor relativa (28%) é maior para lambda igual a 1,0
(mistura estequiométrica)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 20
Análise térmica do motor
 Efeito das variáveis do motor
 O aumento da razão de compressão diminui a perda de calor
relativa, mas aumenta o fluxo de calor total
 Aumentando o ângulo de avanço em relação ao ponto morto
superior (PMS) reduz-se a perda de calor relativa
 O “swirl”(rotação) e o “squish”(estrangulamento) aumentam a
perda de calor relativa devido ao aumento da velocidade do gás
no interior do cilindro
 O aumento da temperatura do fluido de resfriamento aumenta
diretamente a temperatura dos componentes internos do motor
 O aumento da temperatura de admissão aumenta a perda de
calor relativa
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 21
Análise térmica do motor
 Efeito das variáveis do motor
 A ocorrência de detonação provoca um aumento da perda de
calor relativa em função do aumento da temperatura e pressão
de queima. O fluxo é aumentado em 3 a 4 vezes.
 Os materiais mais comuns da parede do cilindro são o ferro
fundido e o alumínio, que restringem as temperaturas a faixa
de 200 a 400 ºC
 O revestimento cerâmico permite aumentar a temperatura de
trabalho dos gases, contudo o aumento da temperatura das
paredes prejudica a admissão de mistura e facilita a detonação
 A carga térmica nos componentes é cíclica e provoca variações
de temperatura de aproximadamente 20 K por ciclo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 22
Análise dimensional
 Variáveis envolvidas
 Aplicada a convecção no interior do cilindro do motor que
a maior parte do fluxo gerado
f h c , q ch , D, L, y, T, k, μ, ρ, cp , v, N, θ  0
hc = coeficiente de transferência de calor por convecção
qch = taxa de calor gerada por volume pela queima do combustível
D = diâmetro do cilindro
L = altura máxima do cilindro
y = altura instantânea do cilindro
k = condutibilidade térmica do fluido
μ = viscosidade do fluido
cp = calor específico do fluido
ρ = densidade do fluido
v = velocidade média do fluido
N = velocidade de rotação
θ = ângulo do virabrequim
T = temperatura do fluido
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 23
Análise dimensional
 Grupos adimensionais
 Aplicando a técnica da análise dimensional (ver cap. 11 de
Welty, Wilson et Wilcks, 1976 ) são gerados os seguintes
grupos adimensionais, após algumas combinações de
grupos:
 h c D ρ v D cp μ cp T N D L
q ch
y θ 

F
,
,
, 2 ,
, ,
, ,
0
 k

μ
k
v
v D ρ cp N T D θf 

Nusselt, Reynolds, Prandtl, Mach ...
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 24
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
hc D
Nu 
k
ρvD
Re 
μ
Pr 
c pμ
k
 Forma de relacionamento proposta para problemas de
convecção forçada em dutos cilíndricos
(a, m, n e z são constantes)
z
m n L 
Nu  a Re Pr  
D
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 25
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
 A viscosidade (μ) é devida a
interações moleculares nos gases
e líquidos. A movimentação entre
as camadas gera uma força de
cisalhamento ao longo do fluido.
 A difusividade é um parâmetro
em um formato mais adequado
ao modelo de transferência de
quantidade de movimento.
 ν = μ/ρ = difusividade de
quantidade de movimento (m2/s)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 26
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
 No. de Reynolds
 Forcas de inércia / Forças
viscosas
 As forças de inércia causam
movimentos macroscópicos de
porções do fluido que dissipam
energia.
vD
Re 
ν
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 27
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
 A condutibilidade térmica (k) é devida a interações
moleculares nos gases e líquidos e ao movimento de elétrons
nos sólidos que levam a uma alteração de temperatura local.
 A difusividade térmica (α) é um parâmetro derivado
diretamente relacionado com (k) que possui um formato mais
adequado ao modelo de transferência de calor (m2/s)
k
α
ρ cp
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 28
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
 No. de Prandtl
 Difusividade de quantidade de
movimento / difusividade
térmica
μ  k 
Pr   
ρ


 ρc 
 p
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 29
Análise dimensional
 Grupos adimensionais para convecção
hc D
Nu 
k
 No. de Nusselt
 Condutibilidade por
convecção do fluido /
condutibilidade por
condução
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 30
Análise dimensional
 Pontos importantes no uso das correlações
 Velocidade a ser usada no número de Reynolds
 Temperatura média do gás
 Temperatura de referência para os cálculos das
propriedades
 Abrangência da correlação, ou seja, ela gera coeficientes
de transferência de calor para fluxo instantâneo ou pra o
fluxo médio em um ciclo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 31
Trocadores de calor compactos
 Circuito principal de resfriamento
Válvula termostática
Radiador
Motor
Bomba centrífuga
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 32
Trocadores de calor compactos
 Circuito principal de resfriamento (exemplo)
Motor FIRE 1.3 16V




Líquido de arrefecimento: mistura de água + 30% de Paraflu
Radiador com tubos e aletas em alumínio e caixa plástica
Pressão de trabalho a quente: 1,4 bar
Vazão = 6,5 m3/ h a 5000 rpm da bomba, pressão de 1 bar e
temperatura do líquido de 90ºC, potência de 0,20 kW
 Válvula termostática instalada na região posterior do cabeçote
(fechada para temperaturas menores que 87ºC ± 2ºC)
 Eletroventilador com duas velocidades e comandado
diretamente pela ECU (centralina) de injeção eletrônica
(1º velocidade = 97ºC e 2º velocidade = 101ºC)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 33
Trocadores de calor compactos
 Circuitos auxiliares de resfriamento
 Radiador de óleo
 “Intercooler”
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 34
Trocadores de calor compactos
 Circuitos auxiliares de resfriamento
 Radiador de óleo : tem a função de manter a
temperatura do óleo entre 85 e 120 ºC quando o
motor funciona frequentemente com cargas
elevadas e em alta rotação
 “Intercooler” : tem a função de abaixar a
temperatura do ar e admissão após a compressão
(ex: FIRE FLEX 1.3 8V com turbo GT12,
de 95 ºC para 60 ºC)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 35
Trocadores de calor compactos
 Tipos de radiadores
 Compactos são trocadores de calor gás-fluido
com uma densidade de área de troca de calor
superior a 700 m2/m3
 O limite atual nos trocadores comerciais é de
3300 m2/m3
 Tipos: Placas corrugadas; Placas e tubos;
Regeneradores e Placas paralelas
 Os de placas e tubos são usados em veículos
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 36
Trocadores de calor compactos
 Tipos de radiadores
 Placas e Tubos
(Ar )
(Água)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 37
Trocadores de calor compactos
 Tipos de radiadores
 Quanto ao sentido de
circulação da água
Vertical
Horizontais
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 38
Trocadores de calor compactos
 Métodos de cálculo de equipamentos
 Os métodos a seguir são usados para dimensionar o
tamanho do trocador ou calcular as temperaturas de
operação (entrada e saída) para cada fluido
 Método da diferença de temperatura média logarítmica
(DTML ou DTM ou MTD)
 Método da efetividade do trocador de calor (ε-NTU)
(NUT ou NTU é o número de unidades de transferência
de calor do trocador)
 Método modificado da efetividade (P-NTU)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 39
Trocadores de calor compactos
 Métodos de cálculo de equipamentos
 O coeficiente global de transferência de calor varia
de 50 a 150 kcal/h/m2/ºC
 O coeficiente de perda de pressão é calculado usando o
fator de atrito de Fanning em função do número de
Reynolds e de parâmetros geométricos do trocador de
calor
 Um fator de entupimento deve ser usado para radiadores
sujos que deprecia a área de troca de calor
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 40
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Levantamento de propriedades
 Gráficos e tabelas de livros e manuais (“handbooks”) de
propriedades
 Relações matemáticas para estimativa das propriedades
termodinâmicas e de transporte dos fluidos
 As simulações matemáticas exigem que as propriedades
estejam convertidas em modelos matemáticos padrões
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 41
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equação dos gases ideais
 Relação constitutiva válida para gases até 30 bar (3x106Pa)
(para pressões até 100 bar (1x107Pa) o erro é inferior a 1,5%)
P  ρRT
R
R
 constantedo gás
M
M  peso molecular do gás (kg/kgmol)
R  8314 J/kgmol/K  constanteuniversal dos gases ideais
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 42
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações das propriedades de termodinâmicas
 Polinômios JANNAF para cada espécie química “i”
(NASA SP-273)
cpi
R
 a1  a 2 T  a 3 T 2  a 4 T 3  a 5 T 4
a3 2 a 4 3 a5 4 a6
h i0
a2
 a1 
T
T 
T 
T 
RT
2
3
4
5
T
a3 2 a4 3 a5 4
s i0
 a1 ln T  a 2 T 
T 
T 
T  a7
R
2
3
4
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 43
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações das propriedades de termodinâmicas
 Valores integrais para entalpia, entropia e energia livre de
Gibbs (referência 298,15 K e 101325 Pa )
T
h   cpi d T  h
0
i
0
i, T0
T0
T
dT
s   cpi
 s i,0 T0
T
T0
0
i
g i  h i  T si
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 44
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações das propriedades de transporte
 Viscosidade e difusividade térmica (NASA TM-4513)
b 2 b3
 μi 
ln 
 b1 ln T   2  b 4
-7 
T T
 1x10 
 kg 


m
s


c 2 c3
 αi 
ln 
 c1 ln T   2  c 4
-4 
T T
 1x10 
 W 


m
K


JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 45
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações das propriedades ligadas a
compressibilidade
 Razão de calores específicos e número de Prandtl
γf 
cp
cv

cp
cp  R
4 γf
Pr 
9 γf  5
Relação de Eucken
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 46
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações para misturas de gases
mi ρi
Ci 

m ρ
 fração mássica
n i Ci M
Xi 

n
Mi
 fração molar (volumétrica)
Mi 
N
X
i 1
i
Mi
R
N
N
i 1
i 1
 Ci R i   Ci
R
Mi
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 47
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Equações para misturas de gases
N


P
s  s 0  R ln    R  X i ln X i
i 1
 P0 
 μ X
μ
 X

N
i 1
N
i 1
i
i
i
Mi
Mi

 α
N
α
i 1
N
i
X i 3 Mi
 X
i 1
3
i
Mi


JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 48
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Líquidos e misturas de duas fases
 As propriedades termodinâmicas e de transporte de um
líquido podem seguir os polinômios propostos para os
gases
 A faixa de temperatura correspondente a validade dos
dados deve ser colocada com cuidado
 As regras de cálculo termodinâmico de duas fases devem
ser respeitadas quando gás e líquido estiverem presentes
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 49
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Regressão linear por mínimos quadrados
 Para os dados termodinâmicos pode-se usar as rotina
prontas de regressão polinomial
 Para os dados de transporte deve-se resolver o seguinte
sistema :

2
ln
Ti



ln T

T

ln T

  T2

  ln T

ln T
 T
1
 T2
1
 T3
1
T
ln T
 T2
1
 T3
1
 T4
1
 T2

ln
T
 
1 
 T 

1 
 T2 

n pontos 

 ln μ i ln T 
b
 1 
ln μ i 
b   

2
T
 

ln
μ
b3  

i

  
T2 
b
 4 

  ln μ i 
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 50
Propriedades
dos fluidos de trabalho
 Fluidos envolvidos
 Ar, deve ser tratado como uma mistura de N2, O2 e Ar
 Gases de combustão, devem ser tratados como uma
mistura de gases de queima contendo no mínimo N2, O2,
Ar, CO, CO2 e H2O, cuja composição foi calculada por
um modelo de equilíbrio químico ou de cinética química
 Água e aditivos (líquido), o aditivo a base de
monoetilenoglicol (40 a 50 % v/v) muda a temperatura de
ebulição(+170 ºC) e solidificação(-35 ºC)
 Óleo lubrificante (líquido), usar valores de propriedades
para uma composição base
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 51
Propriedades
dos materiais do motor
 Ligas em contato com os fluidos
Material
Massa específica
(kg/m3)
Calor específico
(J/kg/K)
Condutibilidade
térmica (W/m/K)
Difusividade
térmica (m2/s)
Ferro fundido
7200
480
54
1,57x10-5
Alumínio
2750
915
155
6,2x10-5
Nitreto de silício
2500
710
10
2,8x10-6
Revestimento de Zirconia
5200
732
1,2
3,2x10-7
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 52
Bibliografia
 Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando
análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
 Giacosa, D. Motori endotermici. Milano: Hoepli, 15ª ed., 2000.
 Gordon, S. et McBride, B. J. Computer program for calculation of
complex chemical equilibrium composition, rocket performance,
incident and reflected shocks, and Chapman-Jouguet detonations.
NASA SP-273. Washington,D.C.: NASA, 1971.
 Heywood, J. B. Internal combustion engine fundamentals. New York:
McGraw-Hill, 1988.
 Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard
Blücher, 1977.
 McBride, B. J., Gordon S. et Reno M. A. Coefficients for calculating
thermodynamic and transport properties of individual species. NASA
Technical Memorandum 4513. Washington, D.C.: NASA, 1993.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 53
Bibliografia
 Perry, R. H. et Chilton, C. H. Chemical engineers’ handbook. 5ª ed.
Tokyo: McGraw-Hill, 1974.
 Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook of
mechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). Boca
Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005.
 Welty, J. R., Wilson, R. E. et Wilcks, C. E. Fundamentals of
momentum heat and mass transfer. New York: John Wiley & Sons,
2ª ed., 1976.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 54
ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
Sumário
Cap. 1 – Transferência de calor
Cap. 2 – Balanço térmico do motor
Cap. 3 – Dimensionamento do sistema de arrefecimento
Cap. 4 – Análise da combustão e transferência de calor
no cilindro
Cap. 5 – Análise Computacional da combustão e
transferência de calor no cilindro
Cap. 6 – Modelagem dinâmica do sistema de
arrefecimento
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 2
Descrição
do sistema de arrefecimento
 Funcionamento e componentes
Radiador de Óleo
Eletroventilador
Ar
Radiador
Válvula termostática
Óleo
Válvula de alívio
de óleo
Bomba de Óleo
Motor
Válv. de
alívio de ar
Ar
Compressor
Água
Bomba centrífuga
Intercooler
Ar comprimido
ECU
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 3
Dimensionamento
 Componentes principais (tipo)








Radiador de água (trocador de calor compacto)
Bomba de água (bomba centrífuga)
Eletroventilador (ventilador)
Válvula termostática (termostato)
Intercooler (trocador de calor compacto)
Radiador de óleo (trocador de calor compacto)
Bomba de óleo (bomba de engrenagens)
Válvula de alívio de óleo (pressostato)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
Dimensionamento
 Metodologia
 Especificar faixas de operação
(normas, histórico, simulações e testes)
Carros de Passeio
Utilitários (Euro 3)
Temperatura máxima na entrada do radiador (K)
80
65
Aumento admissível de temperatura do ar no radiador (K)
35
15
 Avaliar as cargas térmicas, vazões e potências envolvidas
 Para cada componente:
 Especificar condições de operação
 Dimensionar
 Selecionar os componentes padrões mais próximos
do especificado (superdimensionar) ou encomendar
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 5
novo projeto (otimização)
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Coeficiente global de troca de calor U [W/(m2 K)]
  U A T
Q
média
UA 
1
 R térmicas
1
1
1
1
1


 Rw 

h s A c hA c
UA hA h h s A h
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Diferença de temperatura média logarítmica
(DTML ou LMTD)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Fator de correção para a DTML em função do arranjo de
fluxos do trocador de calor (F)
 Razão adimensional de diferenças de temperaturas (P1)
 Razão de capacidades térmicas (R1)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Fator de correção para a DTML em função do arranjo de
fluxos do trocador de calor (F) para trocador de correntes
cruzadas de fluidos não misturados e um único passe
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Capacidade térmica [W/K] do fluido mais quente
Ch = mhcph
 Capacidade térmica do fluido mais frio
Cc = mccpc
 Número de unidades de transmissão de calor
(NUT ou NTU) = medida da eficiência termodinâmica do
trocador
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 10
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Definições
 Efetividade do trocador de calor (ε) = quantidade real de calor
transferida / quantidade máxima de calor possível de ser
transferida
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11
Dimensionamento
Trocadores de calor compactos
 Metodologia
 Projeto
 Objetivo: cálculo das dimensões físicas do trocador
 Funcionamento
 Objetivo: cálculo da temperaturas de saída do trocador
 Procedimento iterativo assumindo as temperaturas de saída dos
fluidos de trabalho e recalculando estas temperaturas pelo
método da DTML ou pela efetividade
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 12
Bibliografia
 Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando
análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
 Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combustion engine handbook.
Warrendale: SAE International, 2004.
 Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard
Blücher, 1977.
 Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook of
mechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). Boca
Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005.
 Welty, J. R., Wilson, R. E. et Wilcks, C. E. Fundamentals of
momentum heat and mass transfer. New York: John Wiley & Sons,
2ª ed., 1976.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 13
ESTUDO DA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
EM MOTORES
José Eduardo Mautone Barros
José Guilherme Coelho Baêta
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 1
Sumário
Cap. 1 – Transferência de calor
Cap. 2 – Balanço térmico do motor
Cap. 3 – Dimensionamento do sistema de arrefecimento
Cap. 4 – Análise da combustão e transferência de calor
no cilindro
Cap. 5 – Análise Computacional da combustão e
transferência de calor no cilindro
Cap. 6 – Modelagem dinâmica do sistema de
arrefecimento
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 2
Modelagem dinâmica do
sistema de arrefecimento
 Objetivos
 Prever a resposta no tempo das temperaturas do sistema de
arrefecimento e de lubrificação, ou seja, tempo de “warm-up”
 Prever as temperaturas estabilizadas de funcionamento do
sistema de arrefecimento e de lubrificação para diferentes
regimes de carga no motor e velocidade do veículo
 Prever alterações no desempenho do motor devido as
alterações nas temperatura da camisa de água e do óleo
 Prever alterações nas condições de lubrificação devido a
alterações na temperatura do óleo
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 3
Modelagem dinâmica do
sistema de arrefecimento
1
1
MOTOR ALTERNATIVO A
PISTÃO
TReciprocatingEngine
usa
FLUIDO RESFRIANTE
TCoolingFluid
1
1
1
1
1
ALETAS
VENTOINHA
RADIADOR
B OMB A D'ÁGUA
TFins
TB lower
TRadiator
TB omb
 Modelagem
SISTEMA DE
RESFRIAMENTO
1
1
TIdealCoolingSystem

RESFRIAMENTO A AR
RESFRIAMENTO A ÁGUA
TAirCoolingSystem
TWaterCoolingSystem
Usando a orientação a
objetos (OOA)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 4
Modelagem do circuito de água






Motor (gerador de potência e
calor)
Ar
Bomba (consumidor de
potência e cria fluxo de água)
Eletroventilador (consumidor
de potência e cria fluxo de ar)
Válvula (limitador)
Radiador (trocador de calor)
Fluidos: Ar e água ou solução
de glicois
Radiador
 Modelos e parâmetros
Eletroventilador
Válvula termostática
Motor
Água
Bomba centrífuga
ECU
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 5
Modelagem do circuito de óleo
 Modelos e parâmetros





Motor (gerador de potência e calor)
Bomba (consumidor de potência e cria
fluxo de óleo)
Válvula (limitador)
Radiador (trocador de calor)
Fluidos: Ar e
óleo lubrificante
Ar
Óleo
Válvula de alívio
de óleo
Bomba de Óleo
Motor
ECU
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 6
Modelagem do circuito de ar
Ar
Eletroventilador
Ar
Radiador
Válvula termostática
Óleo
Válvula de alívio
de óleo
Bomba de Óleo
Motor
Válv. de
alívio de ar
Ar
Compressor
Água
Bomba centrífuga
Intercooler
Ar comprimido
ECU
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 7
Modelagem do circuito de ar
 Modelos e parâmetros





Velocidade do veículo (cria fluxo de ar)
Ventilador (consumidor de potência e cria fluxo
de ar)
Válvula (limitador do turbo)
Radiadores e intercooler (trocadores de calor)
Fluidos: Ar
Carros de Passeio
Utilitários (Euro 3)
Temperatura máxima na entrada do radiador (K)
80
65
Aumento admissível de temperatura do ar no radiador (K)
35
15
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 8
Modelo de carga do motor
 Modelos e parâmetros

Cargas aplicadas ao motor:
MOTOR
COM DUAS ZONAS
TTwoZonesEngine
CARGA
TLoad




Volante (filtro de rotação)
Dinamômetro (rotação constante)
Estrada ou trecho urbano (normas)
Hélice (polar de hélice)
1
1
VOLANTE
TFlywheel
DINAMÔMETRO
TDynamometer
ESTRADA
TRoadLoad
HÉLICE
TPropeller
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 9
Metodologia experimental para
o sistema de arrefecimento
 Ensaios

Prova estática (dinamômetro de rolo)
Norma A.T.B. (Air To Boil)
Medida de afastamento
do ponto de ebulição do
fluido (Tv) sob carga
A.T.B. = Tv – Th +Ta
Th = Temp. saída do motor
para o fluido de arrefecimento
Ta = temperatura ambiente


Prova dinâmica (pista)
Instrumentação: pressões, temperaturas e fluxo nos circuitos de
arrefecimento e de lubrificação (óleo)
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 10
Bibliografia
 Barros, J. E. M. Estudo de motores de combustão interna aplicando
análise orientada a objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
 Basshuysen, R. e Shäfer, F. Internal combustion engine handbook.
Warrendale: SAE International, 2004.
 Kreith, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard
Blücher, 1977.
 Giacosa, D. Motori Endotermici. Milano: Hoepli, 15ª ed., 2000.
 Plint, M. et Martyr, A. Engine testing - theory and
practice.Warrendale: SAE, 2ª ed., 1999.
 Shah, R. Compact heat exchangers. In: The CRC handbook of
mechanical engineering. Kreith, F. et Goswami, D. Y. (ed.). Boca
Raton: CRC Press, 2ª ed., 2005.
JEMB & JGCB - Fevereiro de 2006 - Prancha 11