Como funcionam os Sistemas de Arrefecimento
Escrito por Frisontech -
Introdução
Os motores a gasolina melhoraram um bocado em seus mais de 100 anos de vida, mas ainda não são muito eficientes na transformação de
energia química em força mecânica. A maior parte da energia na gasolina (talvez 70%) se converte em calor, e o trabalho do sistema de
arrefecimento é controlar esse calor. Para ter uma idéia, o sistema de arrefecimento de um carro rodando numa estrada dissipa calor
suficiente para aquecer duas casas de tamanho médio! A tarefa principal do sistema de arrefecimento é transferir calor para o ar, impedindo
que o motor superaqueça, mas o sistema também tem outras tarefas importantes.
O motor em seu carro roda melhor numa temperatura média. Quando ele está frio, seus componentes se desgastam mais rapidamente, o
motor é menos eficiente e emite mais poluentes. Cabe aos sistemas de arrefecimento permitir que o motor se aqueça com a maior
velocidade possível e, então, mantê-lo numa temperatura constante.
Diagrama de um sistema de
arrefecimento: como as
mangueiras são conectadas
Neste artigo, você aprenderá quais são as partes do sistema de arrefecimento de um carro e como elas funcionam. Vamos ver primeiro as
partes básicas.
Fundamentos básicos
O combustível é queimado constantemente no motor do seu carro. Muito do calor dessa combustão sai diretamente pelo sistema de
escapamento, mas um pouco dele é absorvido pelo motor, aquecendo-o. O motor funciona melhor quando o seu líquido arrefecedor está a
aproximadamente 90ºC (200ºF). A esta temperatura:
a câmara de combustão está quente o suficiente para vaporizar completamente o combustível, permitindo melhor combustão e
reduzindo as emissões;
o óleo usado para lubrificar o motor fica menos viscoso (mais fino), por isso as partes do motor se movem mais livremente e ele
desperdiça menos força movendo seus próprios componentes;
as partes de metal se desgastam menos.
Há dois tipos de sistemas de arrefecimento encontrados em carros: arrefecimento a líquido e arrefecimento a ar.
Arrefecimento a líquido
O sistema de arrefecimento a líquido faz circular um fluido por mangueiras e partes do motor. Ao passar pelo motor quente o líquido
absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido deixa o motor ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o calor do
fluido para o ar que passa pelo radiador.
Arrefecimento a ar
Alguns carros mais antigos (o Fusca e seus derivados, por exemplo) e uns poucos contemporâneos usam motores refrigerados a ar. Em vez
de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de
contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao
acelerar a transferência de calor para o ar. Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser
dispensada.
Como a maioria dos carros é arrefecida a líquido, neste artigo daremos atenção a esse sistema.
Tubulação
Há muitos tubos, mas não só isso, no sistema de arrefecimento de um carro. Vamos começar pela bomba d'água, nesta página, e seguir por
todo o sistema nas próximas seções.
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A bomba d'água manda para o bloco do motor o fluido, que passa ao redor dos cilindros e depois pelo cabeçote do motor, por passagens
existentes para esse fim. Há uma válvula termostática (sensível à temperatura) no ponto de saída do fluido. Se a válvula termostática está
fechada, o sistema de mangueiras ao redor dela manda o fluido diretamente de volta à bomba d'água, para circular pelo bloco e cabeçote
apenas; se aberta, o fluido passa pelo radiador primeiro e então volta para a bomba d'água.
Há também um circuito separado para o sistema de aquecimento (popularmente chamado de ar quente). Esse circuito pega o fluido do
cabeçote e o faz passar pelo núcleo do aquecedor antes de voltar à bomba d'água.
Em carros com câmbio automático também há um circuito separado, dentro do radiador, para resfriar o fluido do câmbio. O óleo do câmbio é
bombeado para um segundo trocador de calor dentro do radiador.
Fluido
Os carros rodam em regiões muito diversas – em alguns lugares a temperatura pode ficar abaixo de 0; em outros, muito acima de 40º C. Por
isso, qualquer fluido usado no arrefecimento do motor precisa ter um ponto de congelamento muito baixo, um ponto de ebulição muito alto e
deve ter a capacidade de armazenar muito calor.
A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor, mas ela congela numa temperatura muito alta para ser usada em motores de
automóveis. O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etileno-glicol (C2H6O2), também conhecido como aditivo de
radiador ou anticongelante. Adicionando-se etileno-glicol à água, os pontos de ebulição e de congelamento melhoram significativamente.
Água pura
Ponto de congelamento
Ponto de ebulição
50/50
C2H6O2/Água
70/30
C2H6O2/Água
0º C
-37º C
-55º C
100º C
106º C
113º C
A temperatura do líquido de arrefecimento pode chegar, às vezes, de 121º C a 135º C. Mesmo com a adição do etileno-glicol, essas
temperaturas ferveriam o líquido de arrefecimento; logo, algo mais tem de ser feito para elevar o ponto de ebulição.
O sistema de arrefecimento usa pressão para elevar ainda mais o ponto de ebulição do líquido de arrefecimento. Assim como a temperatura
de ebulição é mais alta numa panela de pressão, a temperatura do líquido de arrefecimento ficará mais alta se o sistema for pressurizado. A
maioria dos carros tem um limite de pressão de 14 a 15 libras por polegada quadrada (lb/pol²), ou 0,96 a 1,03 bar, o que aumenta o ponto de
ebulição outros 25º C, permitindo que o líquido de arrefecimento suporte as altas temperaturas.
O anticongelante também contém aditivos para resistir à corrosão.
Bomba d'água
A bomba d'água é uma simples bomba centrífuga acionada por uma correia conectada ao virabrequim. A bomba faz o fluido circular sempre
que o motor está ligado. <span style="font-weight:bold;font-size:85%;"> Your browser does not support JavaScript or it is disabled. </span>
Bomba d'água centrífuga como a usada em seu carro
Enquanto gira, a bomba d'água usa força centrífuga para mandar fluido para fora, fazendo o líquido ser puxado do centro continuamente. A
entrada para a bomba está localizada perto do centro para que o fluido que retorna do radiador bata nas pás da bomba, e essas lancem o
fluido para fora da bomba, de onde pode seguir para o motor.
O fluido que sai da bomba passa primeiro pelo bloco do motor, pelo cabeçote, pelo radiador e finalmente volta para a bomba Em alguns
motores mais modernos o fluxo começa pelo cabeçote, a parte mais quente, e só depois continua pelo bloco.
Motor
O bloco e o cabeçote do motor têm muitas passagens, moldadas durante a fundição ou usinadas, para permitir que o fluido corra livremente,
chegando às partes mais críticas do motor.
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Note que as paredes do
cabeçote são finas e que o
bloco do motor é
praticamente oco
As temperaturas na câmara de combustão do motor podem chegar a 2.500º C, o que torna vital resfriar a área ao redor do cabeçote. As áreas
ao redor das válvulas de escapamento são especialmente importantes, e quase todos os espaços do cabeçote ao redor das válvulas que não
têm função estrutural são preenchidos com o líquido de arrefecimento. Se o motor ficar sem refrigeração por muito tempo, ele pode fundir.
Quando isto acontece, é porque o metal se aqueceu tanto que o pistão se soldou ao cilindro – e geralmente o motor é destruído.
O cabeçote também tem
grandes condutos para o
líquido de arrefecimento
passar
Uma maneira interessante de reduzir as demandas para o sistema de arrefecimento é reduzir a quantidade de calor que é transferida da
câmara de combustão para as partes metálicas do motor. Por isso, alguns motores têm a parte interna do topo do cabeçote revestida com uma
fina camada de cerâmica, que não conduz bem o calor. Dessa maneira menos calor é transferido ao metal, e mais calor vai para fora pelo
escapamento.
Radiador
Um radiador é uma espécie de trocador de calor. Ele é projetado para transferir calor do líquido de arrefecimento quente que ali circula para o
ar que é jogado nele por uma ventoinha ou pelo ar que passa por ele estando veículo em velocidade superior a 60 km/h em média.
Os carros mais modernos usam radiadores de alumínio, feitos pela soldagem de finas aletas de alumínio a tubos achatados do mesmo metal.
O líquido de arrefecimento flui da entrada até a saída por muitos tubos montados num arranjo paralelo. As aletas conduzem o calor dos tubos e
o transferem para o ar que passa pelo radiador.
Algumas vezes os tubos têm um tipo de palheta inserida neles chamada de agitador, o que aumenta a turbulência do fluido em circulação. Se
o fluxo de fluido fosse muito suave, somente o fluido tocando os tubos seria resfriado diretamente. A quantidade de calor transferida para os
tubos pelo fluido circulando através deles depende da diferença de temperatura entre o tubo e o fluido que o toca. Se o fluido em contato com o
tubo esfria rapidamente, menos calor será transferido. Criando uma turbulência dentro do tubo, todo o fluido se mistura, mantendo alta a
temperatura do fluido que toca os tubos, e assim mais calor pode ser extraído - e todo o fluido dentro do tubo é usado de forma eficaz.
Foto do radiador mostrando
o tanque lateral com
arrefecedor
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Normalmente, os radiadores têm um tanque de cada lado - e dentro do tanque pode haver um arrefecedor de câmbio. A foto acima mostra a
entrada e a saída do óleo do câmbio. O arrefecedor de câmbio é como um radiador dentro do radiador, mas em vez de trocar calor com o ar, o
óleo troca calor com o líquido de arrefecimento no radiador.
Tampa do radiador
A tampa do radiador aumenta o ponto de ebulição do líquido arrefecedor (que o povo chama de água do radiador) em até 25º C (45º F). Como
uma simples tampa faz isso? Do mesmo jeito que uma panela de pressão aumenta a temperatura de ebulição da água. A tampa é, na verdade,
uma válvula de alívio de pressão (como o peso calibrado das panelas de pressão). Em carros, essa tampa normalmente é regulada para 15
lb/pol² ou 1,03 bar . O ponto de ebulição da água aumenta quando colocada sob pressão. <span style="font-weight:bold;font-size:85%;"> Your
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Esquema da tampa do radiador e reservatório
Quando o fluido no sistema de arrefecimento esquenta, ele se expande e faz aumentar a pressão. A tampa é o único lugar por onde a pressão
pode escapar. A mola na tampa determina a pressão máxima no sistema de arrefecimento. Quando a pressão chega a 15 lb/pol²/1,03 bar, ela
empurra e faz a válvula se abrir, permitindo que o líquido de arrefecimento escorra pelo tubo do vaso de expansão para o fundo dele. Isto
mantém o ar fora do sistema. Quando o líquido do radiador esfria, um vácuo é criado no sistema de arrefecimento, abrindo outra válvula com
mola e sugando de volta a água do vaso de expansão para substituir a água que tinha sido expelida.
Válvula termostática
O principal trabalho da válvula termostática é permitir que o motor chegue rapidamente à temperatura ideal e então mantê-la constante. Ele faz
isto regulando a quantidade de água que atravessa o radiador. Em temperaturas baixas, essa passagem é completamente bloqueada,
forçando todo o líquido arrefecedor contido no motor a circular somente dentro dele, com o que ele se aquece rapidamente.
Uma vez que a temperatura do líquido atinja de 80° C a 90° C, a válvula termostática começa a abrir, permitindo que o líquido seja enviador
para o radiador. Quando o líquido chega a 93~103° C, a válvula está totalmente aberta.
Caso a combinação de baixa temperatura ambiente e pouca ou nenhuma utilização de potência faça o líquido arrefecedor esfriar demais, a
válvula termostática se fecha, mantendo o motor em temperatura normal.
Uma válvula termostática fechada e aberta
Se você quiser, pode fazer uma experiência prática para ver uma válvula termostática em ação – parece mágica. É só colocar uma válvula
numa panela com água fervente. Quando a temperatura da válvula chegar ao ponto certo ela vai se abrir uns 2 cm. Lojas de autopeças
vendem válvulas termostáticas bem baratas.
O segredo da válvula termostática está num pequeno cilindro localizado na parte da peça virada para o motor. O cilindro é preenchido com
uma cera que começa a derreter em torno de 80º C (as válvulas podem se abrir a temperaturas diferentes, mas a de 80º C é a mais comum).
Uma haste conectada à válvula pressiona a cera. Quando a cera derrete, ela se expande significativamente, empurrando a haste para fora do
cilindro e abrindo a válvula. Se você leu Como funcionam os termômetros e fez a experiência com a garrafa e a palha, você viu este processo
em ação. Porém, a cera se expande um pouco mais porque está mudando de estado sólido para líquido, além de se expandir por causa do
calor.
Esta mesma técnica é usada na abertura automática de janelas em estufas de plantas e clarabóias. Só que nesses dispositivos a cera derrete
a uma temperatura mais baixa.
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Ventoinha
Assim como o termostato, a ventoinha precisa operar de modo a permitir ao motor manter uma temperatura constante.
Carros com tração dianteira têm ventoinhas elétricas porque normalmente o motor é montado transversalmente, o que significa que a saída
do motor é voltada para a lateral do carro. As ventoinhas são controladas por um interruptor termostático ou pela central eletrônica do motor e
são ligadas quando a temperatura do líquido de arrefecimento sobe acima do ponto estabelecido, desligando quando a temperatura cai abaixo
desse ponto.
Ventoinha de arrefecimento
com acoplamento viscoso
Carros de tração traseira com motores longitudinais normalmente têm ventoinhas de arrefecimento acionadas pelo motor. Essas ventoinhas
costumam ter embreagem de acoplamento tipo viscoso O sistema é posicionado no cubo da ventoinha, no fluxo de ar vindo através do
radiador, e é semelhante ao acoplamento viscoso às vezes encontrado em carros de tração nas quatro rodas.
Ar quente
Diz a sabedoria popular (com razão) que se o carro está superaquecendo todas as janelas devem ser abertas e o ar quente deve ser acionado
na máxima temperatura. Isso pode ajudar porque o sistema de aquecimento é, na verdade, um sistema de arrefecimento secundário que
espelha o sistema principal do carro.
Tubulação do sistema de ar
quente
A parte central do ar quente, localizada no painel do carro, é na verdade um pequeno radiador. O ventilador do aquecedor sopra ar por esse
radiador em direção à cabine do carro.
O núcleo do sistema de ar
quente se parece com um
pequeno radiador
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O radiador do ar quente recebe líquido de arrefecimento vindo do cabeçote e o devolve à bomba, o que permite ao sistema funcionar esteja a
válvula termostática aberta ou fechada.
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