Nelson Yurako Londono Pabn

PROJETO E FABRICAO DE UM TNEL DE VENTO E CARACTERIZAO TRMICA DE UM RADIADOR

AUTOMOTIVO

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obteno do Grau de mestre em Engenharia Mecnica Orientadora: Prof. Mrcia B.H. Mantelli, PhD.

Florianpolis 2014

Ficha de identificao da obra elaborada pelo autor

atravs do Programa de Gerao Automtica da Biblioteca Universitria da UFSC.

A ficha de identificao elaborada pelo prprio autor Maiores informaes em: http://portalbu.ufsc.br/ficha

Nelson Yurako Londono Pabn

PROJETO E FABRICAO DE UM TNEL DE VENTO E CARACTERIZAO TRMICA DE UM RADIADOR

AUTOMOTIVO

Esta Dissertao foi julgada adequada para a obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianpolis, 21 Maro de 2014.

________________________ Prof. Armando Albertazzi Gonalves Jr., Dr.

Coordenador do Programa Banca Examinadora:

________________________ Prof. Mrcia B.H. Mantelli, Dr.

Orientador/Presidente UFSC

________________________ Flavio Augusto Presezniak Dr.

VOLVO Brasil

________________________ Prof. Csar Jos Deschamps, Ph.D..

UFSC

________________________ Prof. Fernando Henrique Milanese, Dr.

UFSC

Ficha de identificao da obra elaborada pelo autor atravs do Programa de Gerao Automtica da Biblioteca Universitria da UFSC.

Londono Pabon, Nelson Yurako PROJETO E FABRICAO DE UM TNEL DE VENTO E

CARACTERIZAO TRMICA DE UM RADIADOR AUTOMOTIVO / Nelson Yurako Londono Pabon ; orientadora, Marcia Barbosa Henriques Mantelli - Florianpolis, SC, 2014.

306 p.

Dissertao (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnolgico. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica.

Inclui referncias 1. Engenharia Mecnica. 2. Trocador de calor

compacto.3. Radiador. 4. Tnel de vento. I. Henriques Mantelli, Marcia Barbosa. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica.III. Ttulo.

Com amor e gratido dedico este trabalho s pessoas que com seu esforo, apoio e motivao fizeram possvel esta meta: meus admirveis pais, Carmen e Flavio, meus irmos Juan, Carlos e Siris e minha namorada Letcia.

AGRADECIMENTOS

A Deus e a Auxiliadora por permitir-me estar aqui e me dar foras para alcanar esta meta.

A meus pais, por seu carinho, esforo, dedicao, compreenso e apoio incondicional.

A meus irmos, Juan, Carlos e Siris, por serem meus cmplices em tantas aventuras e por regalar-me a alegria da amizade e a camaradagem da irmandade.

A minha namorada, Letcia, por seu apoio, companheirismo, compreenso e amor.

A professora Mrcia Mantelli por sua orientao, confiana, dedicao e por acreditar em minhas capacidades.

A meus grandes amigos, Pablo, Nury, Marcos Ouro, Daniel e Fran, porque com vocs a caminhada se fez mais fcil.

Aos colegas e amigos da equipe do Labtucal: Gustavo, Luis Rodriguez, Marcos, Franciene, Leonardo, Kleber, Milans, Kenia, Luiza e demais integrantes, por suas recomendaes, valiosos aportes e incondicional colaborao.

famlia colombiana em Florianpolis: Renzo, Luis, Leonel, lvaro, Leonardo, Carlos e tantos outros, que com seu exemplo me motivaram desde o comeo e me brindaram sua amizade e companheirismo.

Ao Flavio por sua confiana no projeto e seus valiosos aportes.

empresa Volvo do Brasil por seu apojo financeiro e suporte estratgico.

A CAPES Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior pela concesso da bolsa de mestrado e pelo apoio financeiro.

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina, atravs do POSMEC Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica pelo suporte logstico para a execuo dos trabalhos.

A todas as pessoas que contriburam direta ou indiretamente para a realizao deste trabalho.

O sucesso nasce do querer, da determinao e persistncia em se chegar a um objetivo. Mesmo no atingindo o alvo, quem busca e vence obstculos, no mnimo far coisas admirveis. (JOS DE ALENCAR) Toda a educao, no momento, no parece motivo de alegria, mas de tristeza. Depois, no entanto, produz naqueles que assim foram exercitados um fruto de paz e de justia. (HEBREUS 12:11)

RESUMO

Os trocadores de calor compactos so equipamentos com alta eficincia e capacidade de transferncia de calor. Estes equipamentos so amplamente usados na indstria farmacutica, aplicaes espaciais e a indstria automobilstica devido a seu reduzido peso, volume e baixo consumo de energia. Os radiadores automobilsticos so considerados trocadores de calor compactos. Em ordem de atingir melhores projetos necessrio desenvolver um equipamento de teste capaz de reproduzir as condies reais de funcionamento. Neste estudo uma bancada experimental para radiadores de caminho projetada e fabricada. Todas as etapas de projeto, construo e procedimentos tcnicos so apresentadas em detalhe. A bancada experimental consiste em um tnel de vento subsnico de circuito aberto tipo blower e um circuito hidrulico acoplado termicamente a traves da amostra de teste. Curvas com a relao entre a rejeio trmica e a velocidade do vento na rea frontal, so apresentadas. Resultados experimentais mostraram que a bancada experimental atingiu as condies reais de operao do radiador de caminho instalado no motor. Palavras-chave: trocador de calor compacto, radiador, tnel de vento.

ABSTRACT

Compact heat exchangers are equipment with high performance and heat transfer rate. These devices are widely used in pharmaceutics, space applications and automobile industry due its low weight, small volume and reduced energy consumption. Car radiator is considered like a compact heat exchanger. In order to achieve a better design is needed to develop test equipment to be able to reproduce real conditions of operation. In this study an experimental bench of radiator truck was designed and implemented. All steps of design, construction and technical procedure are presented in detail. Experimental equipment consists in a subsonic open circuit wind tunnel and a hydraulic circuit couple thermally by test sample. Curves with the relation between heat dissipation and wind velocity of frontal area are presented. Experimental data show that the equipment facility achieved reproduced real operation conditions of radiator truck attachment in the engine. Keywords: Compact heat exchangers, Radiator, Wind tunnel.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Etapas de um ciclo de combusto num motor do tipo alternativo .... 35Figura 2 Temperaturas comuns de combusto e descarga num motor a gasolina .............................................................................................................. 36Figura 3 Volume de controle de um motor de combusto interna, detalhando os fluxos de energia que intervm no balano energtico. ................................. 37Figura 4 Bloco de motor aletado trocando calor com o ar de sua vizinhana. 40Figura 5 Representao esquemtica do funcionamento do sistema de arrefecimento veicular. ...................................................................................... 41Figura 6 Motor arrefecido por gua. Sistema de circulao por termossifo. . 42Figura 7 Partes de um moderno sistema de arrefecimento veicular. ............... 43Figura 8 Critrios de classificao para os trocadores de calor....................... 47Figura 9 Partes e esquema de troca trmica num radiador vertical. ................ 48Figura 10 Volume de controle do fluido de arrefecimento no radiador. ......... 50Figura 11 Algumas tcnicas de instrumentao para determinar a velocidade do ar incidente no radiador. ............................................................................... 52Figura 12 Exemplo do aparato de teste para radiadores .................................. 55Figura 13 Tipos de circuitos num tnel de vento. ........................................... 58Figura 14 Categorias dos tneis de vento de circuito aberto. .......................... 59Figura 15 Desenho e tringulos de velocidades para os tipos de impellers de um ventilador centrfugo. ................................................................................... 61Figura 16 Localizao da lingueta ou tongue na carcaa de um ventilador centrfugo. .......................................................................................................... 62Figura 17 Vrtices no interior da voluta de um ventilador centrfugo. ........... 62Figura 18 Perfil de sada de um ventilador centrfugo. ................................... 63Figura 19 Tpicos difusores de grande angular mostrando a definio de difusor com ngulo 2. ...................................................................................... 65Figura 20 Fluxo atravs de uma tela localizada no plano inclinado. ............... 66Figura 21 Nmero de mesh em malhas. .......................................................... 67Figura 22 Perfis de velocidade na jusante de uma tela metlica. .................... 71Figura 23 Detalhe da refrao perto de uma parede ocasionada por uma tela com perfil plano e curvo. ................................................................................... 72Figura 24 Distribuio vertical da presso na sada de um difusor de grande angular conectado a um ventilador centrfugo de ps curvadas para trs com diferentes graus de redemoinhos ........................................................................ 73Figura 25 Distribuio horizontal da presso na sada de um difusor de grande angular conectado a um ventilador centrfugo de ps curvadas para trs com diferentes graus de redemoinhos ........................................................................ 74Figura 26 Efetividade das configuraes, estabelecendo a relao entre ngulo 2, quantidade de telas e razo de reas em difusores de grande angular. ......... 76Figura 27 Arredondamento dos cantos num difusor ....................................... 78Figura 28 Tipos comuns de favos ................................................................... 80Figura 29 Variao da velocidade axial no uniforme em uma contrao ...... 82Figura 30 Desenho do radiador a ser testado .................................................. 87

Figura 31 Desenho da seo de teste .............................................................. 90Figura 32 Desenho de uma resistncia eltrica para aquecer o ar ................... 93Figura 33 Banco de resistncias eltricas para o aquecimento do ar .............. 93Figura 34 Seo do aquecedor ........................................................................ 94Figura 35 Relao geomtrica de um difusor ................................................. 95Figura 36 Desenho do difusor de grande angular ........................................... 97Figura 37 Localizao dos corretores de fluxo na cmara de retificao ....... 99Figura 38 Localizao dos elementos deprimognios em alguns tipos de instalaes. ...................................................................................................... 102Figura 39 Desenho estrutural dos elementos instalados na aspirao do ventilador. ........................................................................................................ 103Figura 40 Elementos do sistema de ar. ......................................................... 107Figura 41 Ponto de operao sobre a curva caracterstica do ventilador RLS450. ........................................................................................................... 108Figura 42 Desenho do difusor de descarga do ventilador ............................. 111Figura 43 Ensamble do sistema de ar ........................................................... 112Figura 44 Elementos do sistema de gua ...................................................... 114Figura 45 Desenho esquemtico do sistema de gua .................................... 115Figura 46 Volume de controle do sistema hidrulico ................................... 117Figura 47 Desenho de uma resistncia eltrica para o aquecimento da gua. ......................................................................................................................... 119Figura 48 Arranjo das resistncias eltricas para o aquecimento da gua. ... 120Figura 49 Vista isomtrica do aquecedor da gua. ....................................... 120Figura 50 Vista explodida de uma chicana. .................................................. 121Figura 51 Detalhe do ensamble de uma chicana nos feixes de tubos. ........... 121Figura 52 Fotografia do radiador de testes e detalhe da estrutura do ncleo.124Figura 53 Detalhe da estrutura do reservatrio do radiador e desenhos das peas para obter um marco plano na estruturado radiador. .............................. 125Figura 54 Diagrama de fluxo da metodologia experimental. ........................ 132Figura 55 Exemplo do grfico de resultados de acordo norma JIS D1614 136Figura 56 Dimenses baseadas no dimetro da garganta (d) para o bocal da norma VDI/VDE2004...................................................................................... 137Figura 57 Constrio num duto .................................................................... 138Figura 58 Esquema de um reservatrio considerado o suficientemente grande para uma constrio na entrada ........................................................................ 141Figura 59 Bocal de acordo a norma VDI/VDE2004 para um d = 243,4mm . 142Figura 60 Sensor de temperatura, umidade relativa e presso atmosfrica. .. 143Figura 61 Sistema de aquisio de dados marca AHLBORN modelo ALMEMO 2590-4S ......................................................................................... 144Figura 62 Detalhes das tomadas de presso instaladas na montante e na jusante do radiador para o tnel de vento e seu transdutor de presso diferencial ......................................................................................................................... 145Figura 63 Detalhes das tomadas de presso instaladas na entrada e sada do radiador para o sistema hidrulico ................................................................... 146Figura 64 Transdutor de presso diferencial do sistema hidrulico .............. 146

Figura 65 Fonte de potncia para o fornecimento da tenso de alimentao dos transdutores de presso diferencial .................................................................. 147Figura 66 Rotmetro e cmara web com acesso via rede para pegar as leituras das vazes do sistema hidrulico. .................................................................... 148Figura 67 Detalhe do jogo de termopares e montagem no espigo da mangueira de entrada ao radiador. ................................................................... 149Figura 68 Haste, localizao e detalhe dos termopares instalados no tnel de vento. ............................................................................................................... 150Figura 69 Sistema de aquisio de dados da NATIONAL INSTRUMENTS com Modulo NI SCXI-1000 e terminal NI SCXI-1303. .................................. 150Figura 70 Cmara web e nvel do reservatrio. ............................................ 151Figura 71 Sala de controle e vista da sala de testes. ...................................... 151Figura 72 Vista frontal da bancada experimental ......................................... 155Figura 73 Vista posterior da bancada experimental ...................................... 156Figura 74 Anemmetro de fio quente. .......................................................... 157Figura 75 Pontos de medio em dutos retangulares empregando a regra de log-Tchebycheff. .............................................................................................. 158Figura 76 Localizao dos pontos de medio de acordo regra log-Tchebycheff, na seo de teste. ........................................................................ 159Figura 77 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 1800arpm. ........................................................................................................ 161Figura 78 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 2200arpm. ........................................................................................................ 162Figura 79 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 2600arpm. ........................................................................................................ 162Figura 80 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 3000arpm. ........................................................................................................ 163Figura 81 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 3400arpm. ........................................................................................................ 163Figura 82 Perfil de velocidades na seo de teste com o ventilador girando a 3800arpm. ........................................................................................................ 164Figura 83 Medio das vazes mssicas do ar para diferentes frequncias de giro do ventilador atravs do bocal e do anemmetro de fio quente. ............... 165Figura 84 Carga trmica rejeitada pela gua para as combinaes entre as trs vazes da gua e as oito velocidades no tnel de vento. .................................. 168Figura 85 Carga trmica absorvida pelo ar para as combinaes entre as trs vazes da gua e as oito velocidades no tnel de vento. .................................. 169Figura 86 Carga trmica rejeitada pela gua e absorvido pelo ar para 4000.l/h ......................................................................................................................... 170Figura 87 Carga trmica rejeitada pela gua e absorvido pelo ar para 8000.l/h ......................................................................................................................... 170Figura 88 Carga trmica rejeitada pela gua e absorvido pelo ar para 12000.l/h ......................................................................................................................... 171Figura 89 Perda de carga provocada pelo radiador sobre o sistema hidrulico. ......................................................................................................................... 173

Figura 90 Perda de carga provocada pelo radiador sobre o tnel de vento, cada um dos testes foi efetuado num dia diferente. .................................................. 173

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Balano de energia para diversos motores de combusto interna .... 38Tabela 2 Classificao de tuneis de vento de acordo a sua velocidade de operao ............................................................................................................. 57Tabela 3 Tabela de abertura de malhas ........................................................... 68Tabela 4 Comparao das equaes de Collar e Wieghamdt para determinar o coeficiente de perda de carga de uma tela. ......................................................... 69Tabela 5 Combinao de difusores bem sucedidos para Ad = 4 ...................... 77Tabela 6 Dimenses e condies de operao do radiador a ser testado ........ 88Tabela 7 Possvel rea de entrada e comprimento para uma contrao quadrada com rea de sada igual a 0,4374m ................................................... 91Tabela 8 Possvel combinao de difusores bem sucedidos para Ad = 1,75 .... 95Tabela 9 Possveis comprimentos do difusor para y = 0,155m ................... 96Tabela 10 Telas comerciais que possuem um t prximo de 0,55 .................. 98Tabela 11 Perdas de carga de alguns elementos do sistema de ar ................. 106Tabela 12 Possvel combinao de difusores bem sucedidos para Ad = 1,6 .. 109Tabela 13 Possvel comprimentos do difusor para y = 0,0725m ............... 110Tabela 14 Perda de carga para diversos dimetros de tubulaes comerciais ......................................................................................................................... 115Tabela 15 Caratersticas fsicas dos fluidos de arrefecimento a 95C ........... 117Tabela 16 Energia dissipada e fornecida ao sistema hidrulico .................... 119Tabela 17 Potncia distribuda em cada resistncia do aquecedor de gua. .. 122Tabela 18 Potncia de cada elemento da bancada. ........................................ 122Tabela 19 Velocidades (m/s) dos 25 pontos na seo de teste para diferentes patamares de frequncias de giro do ventilador. .............................................. 160Tabela 20 Valores mdios da presso diferencial no bocal para os diversos patamares de frequncias de giro do ventilador. .............................................. 161Tabela 21 Combinao das vazes de lquido e das velocidades na frente do radiador, avaliadas nos testes. .......................................................................... 166Tabela 22 Valores mdios obtidos para vazo de 4000 l/h, presso atmosfrica de 100,5,kPa e presso manomtrica na agua de entrada ao radiador de 42,7 kPa. .................................................................................................................. 166Tabela 23 Valores mdios obtidos para vazo de 8000 l/h, presso atmosfrica de 100,64,kPa e presso manomtrica na agua de entrada ao radiador de 50,3 kPa. .................................................................................................................. 167Tabela 24 Valores mdios obtidos para vazo de 12000 l/h, presso atmosfrica de 100,9,kPa e presso manomtrica na agua de entrada ao radiador de 75 kPa. ........................................................................................................ 167Tabela 25 Valores das vazes mssicas da gua e do vapor. ........................ 172

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air

Conditioning Engineers CAC Charge Air Cooler CHEs Compact Heat Exchangers EES Engenharia Equation Solver ICS Intelligent Cooling System IS Bureau of Indian Standards JIS Japanese Industrial Standards Committee LabTermo Laboratrio de Cincias Trmicas. LABTUCAL Laboratrio de Tubos de Calor. UFSC Universidade Federal de Santa Catarina.

LISTA DE SMBOLOS Alfabeto latino

H1 Energia de combusto. [kW] Ps Potncia do motor. [kW] H2 Entalpia dos gases de escape. [kW] H3 Entalpia de ar de entrada. [kW] Q1 Calor transmitido ao fluido de arrefecimento. [kW] Q2 Conveco e radiao [kW] Qw Quantidade de calor dissipado da gua. [kW]

wm Taxa mssica de gua. [kg/s] Cpw Calor especfico da gua. [kJ/(kgC)] Tw,e Temperatura da gua na entrada do radiador. [C] Tw,s Temperatura da gua na sada do radiador. [C]

wV Vazo volumtrica da gua. [l/min]

M Nmero de Mach. V Velocidade. [m/s] Vs Velocidade do som num meio. [m/s] Ad Razo de reas no difusor. Ad,s rea de sada do difusor. [m2] Ad,e rea de entrada do difusor. [m2]

scrp Queda de presso esttica proporcional [Pa] Kscr Coeficiente de perdida de carga da tela.

scrU Velocidade do fluxo de ar incidente na malha. [m/s] Rescr Numero de Reynolds baseado no dimetro do arame. dscr Dimetro do fio. [mm]

1/l Nmero de abertura da tela por unidade de comprimento. [mm-1]

Cscr Coeficiente da equao de Collar. Cp Coeficiente de presso total. pt,i Presso total medida num ponto especfico. [Pa] patm Presso atmosfrica. [Pa] Uf,i Velocidade mdia de entrada do ventilador. [m/s]

Ksum Soma dos coeficientes de queda de presso das telas no difusor.

M0,..., Mi Parmetros adimensionais de localizao das telas. xi Localizao da em relao entrada. [m] Ld Comprimento do difusor. [m] N Nmero de telas. rc Razo de contrao rc Razo de contrao

D Dimetro de um crculo com a mesma rea da seo transversal da seo de teste [m]

A rea transversal do duto. [m] ls Largura da seo transversal [m] xi Comprimento da seo i. [m] Ace rea de entrada da contrao. [m] Acs rea da sada da contrao. [m] F Coeficiente de atrito. D Dimetro interno do duto. [m] Vm Velocidade mdia do escoamento. [m/s] L Comprimento reto do duto. [m] P Permetro molhado da seo transversal do duto. [m] Dh Dimetro hidrulico. [m]

Re Nmero de Reynolds baseado na espessura da camada limite.

a, b, c Coeficientes para determinao do coeficiente de atrito.

Pr Nmero de Prandtl. Qs1, ..., Qsi Perdas trmicas nas tubulaes de um sistema. [W] Qe Potncia fornecida pelo aquecedor. [W] Nu Nmero de Nusselt.

H Coeficiente convectivo de transferncia de calor. [W/(mK)] K Condutividade trmica. [W/(mK)] T Temperatura do escoamento livre. [C] Ts Temperatura superficial do cilindro. [C]

fT Temperatura mdia. [C] As rea superficial do cilindro. [m]

aV Vazo volumtrica do ar [m/s] Af rea frontal do radiador. [m] Ta,e Temperatura do ar na entrada do radiador. [C] Q Calor dissipado no radiador. [W] D Dimetro da garganta do bocal. [m] D Dimetro da tubulao na jusante do bocal. [m] C Coeficiente de descarga do bocal.

1p Presso na seo 1 do duto. [Pa] 2p Presso na seo 2 do duto. [Pa]

1V Velocidade mdia do escoamento na seo 1. [m/s] 2V Velocidade mdia do escoamento na seo 2. [m/s]

G Acelerao da gravidade. [m/s] 1z Localizao da seo 1. [m]

Alfabeto grego

2z Localizao da seo 1. [m] 1A rea transversal da seo 1. [m] 2A rea transversal da seo 2. [m] 1D Dimetro da seo 1. [m] 2D Dimetro da seo 2. [m] tm Taxa mssica terica do bocal. [kg/s] rm Taxa mssica real do bocal. [kg/s] bocalm Taxa mssica de ar na bancada de teste. [kg/s]

uB(x) Incerteza tipo B da varivel x. ui(x) Fonte de incerteza da varivel x. uc(xi) Incerteza combinada da varivel xi r Varivel definida em funo das variveis xi. kp Fator de abrangncia da incerteza.

( )U x Incerteza expandida da varivel x. Qa Calor dissipado no ar. [W] Cpa Calor especifico do ar [kJ/(kgC)] Tas Temperatura do ar na sada do radiador. [C] Tae Temperatura do ar na entrada do radiador. [C]

wQ

Calor sensvel medido na gua [W]

vQ

Calor latente devido a presena de vapor de gua

[W]

vm Vazo mssica de vapor de gua [kg/s] hlv Entalpia de vaporizao da gua [J/kg]

w Massa especfica da gua. [kg/m3] ngulo de expanso ou de abertura do difusor

a Massa especifica do ar [kg/m3] scr Coeficiente de deflexo. ngulo de emergncia do fluxo de ar na tela. ngulo de incidncia do fluxo de ar na tela t Proporo de rea aberta da tela Viscosidade dinmica. [Pa.s]

c,e Fator de variao da velocidade na sada da contrao.

c,i Fator de variao da velocidade na entrada da

contrao.

y Metade da diferencia entre o comprimento de sada e o comprimento de entrada do difusor.

p Perda de carga no escoamento. [Pa] Massa especfica de um fluido. [kg/m3] Rugosidade das paredes do duto. [m] Frao da energia cintica do escoamento.

uaf Velocidade mssica do ar na rea frontal do radiador. [kg/(sm)]

Relao entre os dimetros das sees 1 e 2.

Razo entre vazes mssicas wv mm

SUMRIO

INTRODUO 311.1 OBJETIVOS 321.1.1 Objetivo Geral 321.1.2 Objetivos Especficos 321.2 JUSTIFICATIVA 332 REVISO BIBLIOGRAFICA 35

2.1 MOTOR DE COMBUSTO INTERNA 35

2.2 SISTEMAS DE ARREFECIMETO DOS MOTORES

DE COMBUSTO INTERNA 392.2.1 Sistema de arrefecimento direto 402.2.2 Sistema de arrefecimento indireto 402.3 TROCADORES DE CALOR 44

2.4 RADIADOR AUTOMOTIVO (TROCADO

COMPACTO) 47

2.5 PRINCIPIOS DE TRANSFERNCIA DE CALOR NO

RADIADOR 49

2.6 AVALIAO DA DISSIPAO TRMICA NUM

RADIADOR 502.6.1 Avaliao trmica do radiador diretamente no automvel 512.6.2 Avaliao trmica do radiador em bancada de testes

estacionaria 522.7 TNEL DE VENTO 562.7.1 Classificao dos tuneis de vento 562.7.2 Tnel de vento de circuito aberto, subsnico de baixa

velocidade 592.7.2.1 Ventiladores 60

2.7.2.2 Difusor de grande angular 63

2.7.2.3 Telas difusoras 65

2.7.2.4 Efeitos da combinao do difusor de grande angular

com as telas difusoras 73

2.7.2.5 Cmara de retificao 79

2.7.2.5.1 Colmeias ou favos 80

2.7.2.5.2 Telas 81

2.7.2.6 Contrao 81

2.7.2.7 Seo de teste 83

2.8 SISTEMA HIDRULICO 84

3 BANCADA EXPERIMENTAL 87

3.1 DESCRIO GERAL 87

3.2 PROJETO DO TNEL DE VENTO 883.2.1 Seo de teste 893.2.2 Contrao 913.2.3 Seo do aquecedor 923.2.4 Difusor de grande angular 943.2.5 Cmara de retificao 973.2.6 Seo final 1003.2.7 Medio da vazo no fluxo de ar 1003.2.8 Perdida de carga total assumida 1033.2.9 Seleo do ventilador 1073.2.10 Projeto dos difusores ligados ao ventilador 1093.2.10.1 Difusor de aspirao 1093.2.10.2 Difusor da descarga 1093.3 PROJETO DO SISTEMA HIDRULICO 1123.3.1 Projeto do aquecedor para o sistema hidrulico 1163.4 SISTEMA ELTRICO DE POTNCIA 122

3.5 RADIADOR DE TESTE 123

4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL E SISTEMAS DE

MEDIO 127

4.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 1274.1.1 Condies dos testes 1274.1.2 Mtodo de teste 1284.1.3 Mtodo de clculo 1344.1.3.1 Quantidade de calor dissipado na gua 1344.1.3.2 Velocidade mssica do ar na rea frontal do radiador 1354.1.3.3 Correo na quantidade de calor dissipado 1354.2 SISTEMAS DE MEDIO 1364.2.1 Bocal 1374.2.2 Sensor das condies atmosfricas da sala de testes 1434.2.3 Transdutores de presso para o sistema hidrulico e do ar 1444.2.4 Rotmetro 1474.2.4 Termopares do sistema hidrulico e do tnel de vento 1484.3 INCERTEZAS DAS MEDIES 151

5 RESULTADOS 155

6 CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS 175

REFERNCIAS 177APNDICE A Desenhos Tcnicos do Tnel de vento e alguns acessrios do sistema hidrulico 181

APNDICE B Processo de montagem da bancada 215

APNDICE C Cdigo em EES para os clculos da perdida de carga do sistema de ar 259

APNDICE D Cdigo em EES para os clculos da perdida de carga do sistema hidrulico 267

APNDICE E Cdigo em EES do balance trmico sobre o sistema hidrulico para determinar potencia do aquecedor 275

APNDICE F Cdigo em EES para calcular o delta de presso do transdutor de presso diferencial do bocal 281

APNDICE G Anlise de incertezas 285

Anexo A Norma JIS-D1614-1991 291

Anexo B - Dimenses do ventilador OTAM RLS450 303

Anexo C Curvas caractersticas da bomba Schneider BC-92TR2 305

31

INTRODUO

Trocadores de calor so dispositivos que promovem a transferncia de calor entre dois ou mais fluidos em temperaturas diferentes. Os trocadores de calor compactos (Compact Heat Exchangers, CHEs) so uma classe que aliam uma grande rea de transferncia de calor a pequenos volumes. So particularmente teis quando se necessita reduzir o volume e aumentar a eficincia energtica em processos de transferncia de calor. Tm sido rotineiramente empregados nos segmentos aeroespacial, automotivo e outros setores da indstria. Desta forma, diferentes tipos de trocadores de calor compactos, para diferentes aplicaes, esto disponveis no mercado.

Por outro lado, a exigncia, por parte do mercado consumidor, de automveis cada vez mais avanados tecnologicamente, leva procura por motores mais eficientes, leves e compactos. O controle trmico destes motores feito atravs de radiadores automotivos, uma classe de tpica de trocadores de calor compactos (Kaka e Liu, 2002) e ser o tema do presente trabalho.

O projeto de um trocador de calor para uso automotivo deve levar em considerao muitos fatores tais como: transferncia de calor, perda de carga, geometria, mtodo de fabricao, avaliao do desempenho, custos, entre outros. Pesquisas envolvendo o desenvolvimento de trocadores de calor eficientes vm de longa data e, ainda hoje, se busca aperfeioar seu desempenho, especialmente quanto a sua eficincia energtica, dada pela crescente preocupao com a conservao de energia em todo o mundo.

Devido estas motivaes, empresas do setor automotivo esto investindo recursos econmicos, tcnicos e de capital humano para aperfeioar os radiadores automotivos. Neste contexto se encontra o presente trabalho, que apresenta o resultado da primeira etapa de um projeto maior, que visa aprimorar os radiadores de caminho atravs da incorporao de novas tecnologias, como tubos de calor e termossifes.

Assim, a finalidade do presente trabalho montar um aparato experimental capaz de fornecer as condies necessrias para validao de novas tecnologias associadas a radiadores e utilizar este aparato para a caracterizao de um radiador de um caminho da fabricante Volvo.

Neste trabalho, apresentado o projeto e as etapas que envolveram a construo de um tnel de vento, montado para reproduzir, em laboratrio, as condies de operao dos radiadores. Este aparato experimental foi empregado para a caracterizao trmica de radiadores de caminhes, seguindo as orientaes da norma JIS

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D1614. gua, aquecida por resistncias eltricas circulou atravs do radiador, simulando as condies de carga trmica deste durante a operao do motor do caminho. Sistemas de medio de temperatura e de presso foram empregados para controlar e registrar os dados coletados, segundo os procedimentos da norma anteriormente referenciada. Finalmente, testes foram feitos num radiador de caminho fornecido pela empresa Volvo, parceira desta pesquisa, cujos resultados so apresentados neste documento.

1.1 OBJETIVOS

A seguir so apresentados os objetivos do presente trabalho.

1.1.1 Objetivo Geral

O objetivo principal deste trabalho projetar e fabricar um tnel de vento para a caracterizao do desempenho trmico de um radiador de caminho, atravs da execuo de testes e da anlise dos resultados obtidos.

1.1.2 Objetivos Especficos

Dentre os objetivos especficos pode-se citar: Identificar as condies de operao de radiadores de

caminho. Selecionar a norma padro para testes de radiadores de

caminho. Projetar os circuitos hidrulicos e o tnel de vento para a

reproduo das condies reais de operao, conforme estabelecido pela norma adotada.

Construir uma bancada de teste para avaliar a troca trmica em radiadores.

Testar e analisar resultados de medidas executadas em um radiador de caminho convencional, segundo parmetros estabelecidos pela norma padro.

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1.2 JUSTIFICATIVA

Com a finalidade de desenvolver uma nova tecnologia ou aprimorar uma existente, se faz necessrio o conhecimento do estado da arte desta tecnologia, para conhecer tanto as diversas solues j aplicadas, quanto contabilizar as melhoras obtidas com a aplicao de novas solues. Para o caso do presente trabalho, alm de pesquisar na literatura o estado da arte referente a radiadores automotivos, h a necessidade de avaliar, em condies mais prximas possvel das reais, as tecnologias de radiadores atualmente em uso. Para isto h duas possibilidades: fazer os testes diretamente no caminho, ou desenvolver uma bancada de testes em laboratrio, que simule as condies reais de operao. A primeira possibilidade seria a mais conveniente, caso as condies de teste fossem controladas e facilmente reproduzveis, o que no possvel conseguir em um caminho em uso na estrada. Testes de motores instalados em cabines de caminhes (carroceria, motores, radiadores e demais sistemas) e com ambientes controlados demandam instalaes laboratoriais muito especficas e caras, havendo poucas instalaes deste tipo no mundo. Portanto, no presente trabalho, optou-se pela construo de uma bancada experimental projetada especificamente para radiadores de caminho, que garantisse condies de teste similares s condies de operao real dos modelos de radiadores que esto sendo tratados no contexto de um projeto em desenvolvimento entre o LABTUCAL e a Volvo.

Para garantir a similaridade das condies e o controle de parmetros de testes, se aplicou uma metodologia para a caracterizao trmica dos radiadores, baseada na norma JIS D1614, a ser descrita neste documento. Desta forma possvel comparar o desempenho do radiador convencional com os radiadores que o LABTUCAL ir desenvolver no futuro prximo. Na realidade, a bancada bastante verstil e foi projetada para avaliar no s os radiadores de caminho como tambm outros tipos de trocadores de calor do tipo gs - lquido.

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2 REVISO BIBLIOGRAFICA 2.1 MOTOR DE COMBUSTO INTERNA

Os motores de combusto interna so mquinas trmicas e, como tais, obedecem ao postulado de Lord Kelvin, cientista que estipulou que impossvel transformar em trabalho toda energia trmica extrada de uma nica fonte. Logo, a fraco de energia trmica que no utilizada para realizar trabalho transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. O presente trabalho trata do equipamento responsvel pela dissipao de energia a uma fonte de menor temperatura para um motor de combusto interna.

Esta reviso comea tratando dos motores de combusto interna, que consiste de uma mquina que transforma a energia qumica de um combustvel em energia mecnica, geralmente disponibilizada em um eixo de sada rotativo. Em motores do tipo alternativo, a converso da energia qumica para a trmica ocorre dentro de um cilindro de volume varivel, onde a combusto da mistura combustvel-comburente consegue liberar a energia qumica do combustvel. Esta energia trmica aumenta a temperatura e a presso dos gases no interior do motor, que se expande contra as estruturas mecnicas do motor transmitindo assim movimento parede mvel do cilindro, o mbolo, cujo movimento alternado impulsiona o motor atravs do mecanismo biela - manivela. O eixo da manivela, por sua vez, est ligado a uma transmisso e/ou sistema de transmisso para transferir energia mecnica rotativa para o seu uso final desejado. O processo de converso de energia dentro da cmara pode ocorrer em quatro etapas de um mesmo ciclo, como se apresenta na Figura 1.

Figura 1 Etapas de um ciclo de combusto num motor do tipo alternativo

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Durante a transformao da energia qumica em mecnica, as peas do motor esto sujeitas a elevadas temperaturas, provenientes do processo de combusto e do atrito entre as peas mveis.

Segundo Herbet e James (1992), nos motores de combusto interna do tipo alternativo comum observar temperaturas na cmara de combusto que variam entre 1600C e 2400C, enquanto as temperaturas dos gases de exausto atingem valores entre 650C e 925C. Parte do calor gerado nas cmaras de combusto absorvida pelas paredes e pelas cabeas dos cilindros, assim como pelos pistes. Estes, por sua vez, devem ser arrefecidos por alguns meios, de modo que as temperaturas no se tornem excessivas. Normalmente, a temperatura na parede do cilindro no deve ultrapassar 300C, uma vez que temperaturas mais elevadas podem provocar a quebra da pelcula de leo, perdendo assim suas propriedades lubrificantes. No entanto, no desejvel que o motor funcione a temperaturas muito baixas, pois a eficincia trmica do motor se reduz em temperaturas muito baixas, obtidas por dissipao de calor excessiva, atravs das paredes e cabeas dos cilindros. Assim deseja-se que o motor trabalhe em temperaturas prximas aos limites impostos pelas propriedades do leo. Na Figura 2, apresenta-se um esquema das temperaturas tpicas atingidas por um motor a gasolina.

Figura 2 Temperaturas comuns de combusto e descarga num motor a gasolina

Fonte: Herbet e James (1992)

Arrefecedor

Arrefecedor

Pisto

Vela de ignio

Descarga

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Como comentado anteriormente, a eficincia trmica, ou seja, a proporo de energia do combustvel que transformada em trabalho til pelo motor, um dos parmetros mais importantes a se levar em conta ao projetar e/ou avaliar um motor de combusto interna. Segundo Martyr e Plint (2007), a eficincia trmica em plena carga de motores de combusto interna varia de cerca de 20%, para pequenos motores a gasolina, at mais de 50%, para os grandes motores diesel de deslocamento lento, que atualmente apresentam a mxima eficincia entre os motores a combusto interna. Em seu trabalho, Martyr e Plint (2007) apresentaram um balano termodinmico para o volume de controle representado na Figura 3. Estes autores mostraram a distribuio de energia em diversos componentes de diferentes motores de combusto interna, sendo de interesse para o presente trabalho, sua anlise da energia dissipada no fluido de arrefecimento de um motor de caminho.

Figura 3 Volume de controle de um motor de combusto interna, detalhando

os fluxos de energia que intervm no balano energtico.

Fonte: Martyr e Plint (2007)

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No balano trmico, o combustvel representa a entrada de energia, a qual contabilizada pelo seu calor associado de combusto e pelo ar consumido no motor. As energias de sada so a potncia desenvolvida pelo motor, a energia liberada nos gases de escape, a dissipao de calor na gua (ou no ar de arrefecimento) e a conveco e/ou radiao trocada com o ambiente. Deste balano termodinmico resulta a seguinte equao:

1 2 3 1 2sH P H H Q Q (1)

onde cada termo tem unidades de potncia e correspondem a: H1 = energia de combusto Ps = potncia do motor H2 = entalpia dos gases de escape H3 = entalpia de ar de entrada Q1 = calor transmitido ao fluido de arrefecimento Q2 = conveco e radiao Medir cada um destes parmetros no uma questo simples.

Martyr e Plint (2007) consideram til ao projeto de sistemas de arrefecimento, apresentar os balanos energticos em termos de perdas de calor por unidade de produo de energia. Os dados obtidos pelos autores para diferentes motores so apresentados na tabela 1.

Tabela 1 Balano de energia para diversos motores de combusto interna

Automvel gasolina

Automvel diesel

Motor martimo diesel

kW kW kW Potncia de sada 1,0 33% 1,0 38% 1,00 44% Calor da gua de refrigerao 0,9 30% 0,7 27% 0,40 18% Calor do radiador de leo - - - - 0,05 2% Calor de exausto 0,9 30% 0,7 27% 0,65 29% Conveco e radiao 0,2 7% 0,2 8% 0,15 7% Total 3,0 2,6 2,25 Motor a gasolina, cilindrada de 1.71 (1998) Motor diesel de aspirao natural, cilindrada de 2.51 Motor martimo diesel turbo-carregado de velocidade media Fonte: Adaptado de Martyr e Plint (2007)

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Os valores porcentuais so coerentes com o apresentado por Pulkrabek (1997), quem afirma que toda a energia qumica liberada na combusto consumida nas seguintes propores aproximadas: 35% convertida em trabalho til, 30% deixada nos gases de escape na forma de entalpia e energia qumica e a restante, cerca de um tero da energia total, deve ser dissipada para o meio pelo sistema de arrefecimento.

Apesar dos motores de combusto interna ter eficincia mdia de 35% com relao energia disponibilizada pelo combustvel, estes so amplamente utilizados na propulso de veculos, sejam eles automveis, caminhes, motocicletas, locomotivas, embarcaes martimas ou avies. Adicionalmente, existem tambm aplicaes que utilizam motores estacionrios para a impulso de equipamentos como: serras, cortadores de grama, geradores eltricos, bombas hidrulicas entre outros.

2.2 SISTEMAS DE ARREFECIMETO DOS MOTORES DE

COMBUSTO INTERNA Como j exposto, o controle da temperatura dos motores de

combusto interna se faz atravs do sistema de arrefecimento, objetivando que o motor opere sempre em sua condio tima. Desde os primeiros motores de combusto interna utilizados, j se observava a necessidade de rejeitar parte da energia de um motor para o ambiente. Segundo Weeks (2010), os motores fixos mais primitivos eram constitudos por um nico cilindro e empregavam um tanque aberto com gua para resfriar as paredes do cilindro. A gua evaporada do tanque tinha que ser continuamente substituda. Buscava-se, desde este primeiro sistema, utilizar a engenharia para conseguir avanos no sentido de maximizar sua eficincia, gerando motores com maior potncia til.

Os sistemas de arrefecimento atuais incorporam outras funes e, portanto, so mais complexos. Um bom sistema de arrefecimento deve garantir maior eficincia no processo de combusto, com um menor consumo de combustvel, alm de incrementar a vida til do bloco do motor, das cmaras de combusto, dos pistes, das bielas, das vlvulas, dos anis e do leo lubrificante, principais elementos encarregados de transformar a energia qumica da combusto em energia mecnica.

Na atualidade, existem dois tipos principais de sistemas de arrefecimento para motores de combusto interna, diferenciando-se essencialmente pelo mtodo de resfriamento.

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2.2.1 Sistema de arrefecimento direto O sistema de arrefecimento direto recebe esse nome porque o

fluido de arrefecimento, geralmente o ar, dissipa o calor do motor por contato direto entre o motor e o ar. Para isto, o bloco do motor apresenta superfcies aletadas, que so resfriadas diretamente por o fluxo de ar. Como mostrado na Figura 4, motores de motocicletas de baixa cilindrada so um bom exemplo deste sistema. O arrefecimento direto simples e econmico, porem s consegue dissipar baixas taxas de calor, quando comparados a motores de maior potncia.

Figura 4 Bloco de motor aletado trocando calor com o ar de sua vizinhana.

2.2.2 Sistema de arrefecimento indireto

O arrefecimento indireto se d atravs do uso de um sistema mais

complexo que o anterior, onde o motor no dissipa o calor diretamente para o ar da vizinhana, mas sim para um lquido de arrefecimento encarregado de transportar o calor at o radiador, onde ocorre a rejeio do calor para o ambiente.

O sistema de arrefecimento indireto opera num ciclo fechado de transporte de energia, onde um fluido refrigerante absorve o calor especialmente da regio em torno da cmara de combusto, na zona da cabea do cilindro do bloco do motor. O fluido bombeado atravs do motor e, aps absorver calor da combusto, circula no radiador, onde o calor transferido para a atmosfera. O lquido arrefecido ento transferido de volta para o motor para repetir o ciclo, como se pode observar na Figura 5.

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Figura 5 Representao esquemtica do funcionamento do sistema de arrefecimento veicular.

Fonte: Adaptado de Kays e London, 1984

De acordo ao trabalho de Weeks (2010), os primeiros circuitos fechados de arrefecimento nos motores de combusto utilizavam um sistema de conveco natural da gua de arrefecimento, cuja circulao atravs de um radiador dependia da diferena de densidade entre a gua quente e fria, como mostrado na Figura 6. O primeiro carro construdo por Henry Ford em 1896 utilizou pela primeira vez o referido princpio (termossifo), onde calor produzido no motor era conduzido para um tanque plano localizado sob o assento do motorista. Este tanque mantinha o assento quente no inverno, mas o sistema no era nem eficiente nem confortvel no vero. As perdas por mudana de fase do fluido refrigerante foram problemas adicionais encontrados nestes dispositivos. O problema da evaporao foi atenuado usando um trocador de calor delgado, associado ao tanque. J os carros mais sofisticados foram equipados com uma bomba para circular o fluido de arrefecimento atravs das peas do motor aquecidas pela combusto. Nesta poca, as temperaturas eram detectadas pelo operador atravs do toque no radiador. Um acessrio popular nos anos 20 era um termmetro de vidro colocado no topo do radiador em que o condutor observava a temperatura do refrigerante, enquanto o carro se movimentava.

Os primeiros automveis, com baixa relao potncia-peso, operavam com a vlvula termosttica totalmente aberta por longos

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perodos, o que tambm agrava o problema de resfriamento, provocando uma maior rejeio do calor. Com o aumento da relao potncia-peso, o problema de resfriamento excessivo foi desaparecendo, enquanto o problema de ebulio do lquido de arrefecimento piorava, considerando-se que o sistema de refrigerao operava na presso atmosfrica. Somente a partir da dcada de 1940 a indstria automobilstica finalmente adotou a pressurizao do sistema de arrefecimento. Figura 6 Motor arrefecido por gua. Sistema de circulao por termossifo.

Fonte: Weeks, 2010

Na atualidade, os sistemas modernos so compostos basicamente por: trocadores de calor (mais especificamente de um radiador e de um sistema de calefao, o qual aproveita parte do calor do motor para aquecer a cabine, quando o condutor assim o desejar), mangueiras, lquido de arrefecimento, bomba, vlvula termosttica e ventilador. Um desenho do sistema de arrefecimento indireto apresentado na Figura 7.

importante ressaltar que motor e radiador foram evoluindo conjuntamente e que, ao longo do tempo, elementos tm sido adicionados para constituir o que hoje se conhece como o sistema de arrefecimento. Note-se que, desde sua origem at hoje, o radiador tem sido o elemento do sistema de arrefecimento que mais tem sido aprimorado, estudado e aperfeioado. No entanto, ainda hoje esforos de pesquisa so concentrados na otimizao trmica de radiadores e na utilizao de controle sofisticado (mecatrnica) de alguns componentes, como vlvulas termostticas, bombas de refrigerao e ventiladores, buscando maximizar a eficincia do motor (Setlur et al., 2005).

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Figura 7 Partes de um moderno sistema de arrefecimento veicular.

Fonte: Adaptado de

Segundo Gattei et al., (2008), o sistema de arrefecimento atualmente representado por um complexo circuito com diversos componentes. Devido maior complexidade desses sistemas, o custo de processos de otimizao utilizando tcnicas experimentais tem se tornado maior, pois requer o uso de dispendiosos tneis de vento climatizados e de pistas de testes especiais.

Koch e Haubner (2000) afirmam que a reduo da emisso de gases poluentes e do consumo de combustvel, so atualmente temas objetos de grande parte da pesquisa em motores. Note-se que ambos os fatores so altamente influenciados pela temperatura dos fluidos e materiais que compem os motores, principalmente nas condies de baixa velocidade em que reduzida a capacidade de arrefecimento. Estes pesquisadores apresentam dados obtidos a partir da utilizao de veculos na Alemanha, em que 75% dos trajetos percorridos so menores que 10 km e propem uma estratgia de controle para o gerenciamento inteligente de temperatura do lquido de refrigerao, a

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partir da anlise do comportamento trmico de motores. Com o uso deste sistema inteligente de arrefecimento (Intelligent Cooling System - ICS), possvel reduzir o tempo de aquecimento do motor e manter o motor em temperaturas convenientes de operao, consequentemente reduzindo o consumo de combustvel e o nvel de emisses de gases poluentes.

Solues de engenharia visando baixo arrasto aerodinmico, alta potncia dos motores e estilo (design) de veculos so frequentemente limitadas pela dificuldade em se prover o arrefecimento necessrio, criando conflitos tcnicos na equipe envolvida no projeto e fabricao de veculos modernos (NG et al., 2002).

Justamente esta a motivao da empresa parceira Volvo ao buscar parceria com o Labtucal: pesquisar mecanismos que promovam o aumento da eficincia trmica do radiador do caminho, mantendo ou mesmo diminuindo as suas dimenses.

2.3 TROCADORES DE CALOR

Como seu nome o indica, um trocador de calor um equipamento que facilita a transferncia de calor entre dois o mais fluidos que apresentem gradientes trmicos entre sim. empregado em diversas aplicaes e processos industriais, em mltiplas reas da indstria.

Dada sua versatilidade e amplo campo de ao, encontra-se, na literatura especializada, inmeros tipos de trocadores de calor que utilizam combinaes diversas de processos de transferncia de calor para atingir seu objetivo. Em trocadores de calor do tipo casco tubo e radiadores de automveis, a transferncia de calor se processa principalmente por conduo e conveco, de um fluido quente para um fluido frio, os quais so separados por uma parede metlica. J nas caldeiras e nos condensadores, a transferncia de calor por ebulio e por condensao de primordial importncia. Em outros tipos de trocadores de calor, a troca de calor envolve mudana de fase (total ou parcial) de um ou mais fluidos. No caso especfico das torres de resfriamento, o fluido quente (por exemplo, a gua) resfriado por mistura direta com o fluido frio (por exemplo, o ar), ou seja, gua nebulizada cai em contrafluxo com uma corrente induzida de ar, sendo resfriada por conveco e vaporizao. J os radiadores para aplicaes espaciais envolvem a troca de calor por radiao, onde o calor residual

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do fluido refrigerante transportado por conveco e conduo para a superfcie de uma aleta e desta forma, por radiao trmica, para o espao (vcuo).

Devido a suas amplas diversidades, Fraas e zisik (1965), Kaka et al. (1981) e Kaka e Liu (2002) classificaram os trocadores de calor, de acordo com suas geometrias, tipos, configuraes e disposies dos escoamentos. Os trocadores de calor podem classificar-se como:

Recuperadores / regeneradores: Os trocadores recuperadores

de calor so aqueles em que o fluido de um dos fluxos retira (recupera) o calor disponvel no outro, a qual provavelmente seria jogada para a atmosfera. J os trocadores de regenerao utilizam uma estrutura de armazenamento da energia e uma mesma passagem de fluxo, a qual alternadamente ocupada pelo fluido quente e frio: o fluido quente aquece a estrutura que armazena o calor e, em seguida, o fluido frio absorve este calor, resfriando a estrutura.

Trocadores por contato direto e indireto: Nos trocadores de

calor de contato direto, a transferncia de calor ocorre entre dois fluidos imiscveis, como um gs e um lquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento so um bom exemplo destes trocadores. Nos trocadores de calor de contato indireto, tambm conhecidos como trocadores de superfcies, como os radiadores de automveis, o fluido quente e frio esto separados por uma superfcie impermevel, no havendo mistura dos dois fluidos.

Mecanismos de transferncia de calor (fase nica e de duas

fases): Os trocadores tambm podem ser classificados de acordo com o mecanismo de transferncia de calor. Nos trocadores de fase nica, calor sensvel trocado entre os fluidos de trabalho no havendo mudana de fase. J nos trocadores com mudana de fase, existe evaporao ou condensao (total ou Parcial) de pelo menos um dos fluidos.

Geometria de construo (tubos, placas e superfcies

estendidas): De acordo com a sua geometria, os trocadores so classificados como: tubulares (quando um dos fluidos transportado por tubos), por placas (quando placas, normalmente planas, separam os escoamentos dos fluxos que esto trocando calor) e de superfcies estendidas (placas ou tubos aletados).

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Regime de fluxo (paralelo, contracorrente e de fluxos cruzados): Trocadores de calor podem ser classificados segundo a disposio dos escoamentos. Nos trocadores de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor e fluem na mesma direo, deixando o trocador na outra extremidade. Para os trocadores com fluxos em contracorrente, os fluidos entram em extremidades opostas e fluem em direes opostas. Em trocadores com fluxos cruzados, os dois fluidos fluem perpendicularmente um ao outro.

Compacidade: Compacidade um conceito bastante arbitrrio,

sendo normalmente definida como a razo entre rea de superfcie de transferncia de calor e o volume do equipamento. Um trocador de calor com densidade de rea superficial (considerando um dos fluxos) maior do que cerca de 700 m2/m3, classificado como um trocador calor compacto, independentemente de seu projeto estrutural. Shah e Sekulic (1998) classificam como trocadores de calor compactos aqueles que apresentam 700 m2/m3 para trocas de calor entre gs e liquido e 400 m2/m3 para trocas de calor entre lquido e lquido.

Segundo Shah (1991), um radiador de automvel da dcada de 1990, com 790 aletas/m, tem uma densidade de rea de superfcie da ordem de 1870 m2/m3 no lado do ar. Esta mesma razo pode ser encontrada em um tubo de 1,8 mm de dimetro. Os pulmes humanos so um dos mais compactos trocadores de calor e de massa, tendo uma densidade de rea de superfcie de cerca de 17.500 m2/m3, razo equivalente a de um tubo de 0,19 mm de dimetro. Por outro lado, os trocadores do tipo tubular plano e os do tipo casco-tubo tm densidade da rea superficial na faixa de 70 a 500 m2/m3, no sendo considerados compactos. Na figura 8 so apresentados os tipos de radiadores, exemplificando os mecanismos e critrios de classificao, segundo Hewitt et al. (1994).

Ento, de acordo como os conceitos anteriormente expostos, podemos classificar o radiador do presente trabalho como um trocador de calor do tipo recuperador, de contato indireto, de fase nica, com superfcies estendidas, de fluxo cruzado e do tipo compacto.

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Figura 8 Critrios de classificao para os trocadores de calor.

Fonte: Hewitt et al. (1994)

2.4 RADIADOR AUTOMOTIVO (TROCADOR COMPACTO)

Atualmente, radiadores automotivos so classificados dentro do grupo de trocadores compactos, dado que sua estrutura tem uma densa montagem de tubos e de placas aletadas, superando amplamente o critrio mnimo estabelecido para os trocadores compactos do tipo gs lquido, de 700 m2/m3 (rea de troca por volume ocupado).

A sua alta eficincia trmica consequncia da sua configurao, em que o lquido arrefecedor do motor chega at um depsito, onde distribudo para os mltiplos tubos que, juntamente com a estrutura

(i)Recuperator/Regenerator

(ii)DirectContact/TransmuralheatTransfer

(iii)Single Phase/TwoPhase

(iv)Geometry

(v)FlowArrangements

(a)Recuperator (b)Recuperator

(c)DirectContactHeatTransferHeattransferacrossinterfacebetweenfluids

(d)TransmuralHeatTransferHeattransferthroughwalls:fluidsnotincontact

(e)SinglePhase (f)Evaporation (g)Condensation

(h)Tubes (i)Plates (j)EnhancedSurfaces

(k)ParallelFlow (l)CounterFlow (m)CrossFlow

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aletada, constituem o ncleo do radiador. O fluido percorre o interior dos tubos transmitindo o seu calor para as superfcies estendidas e simultaneamente, um fluxo de ar atravessa o ncleo do radiador, facilitando a troca de calor para o ambiente. Finalmente, o lquido volta a ser reunido num depsito similar ao anterior, mas localizado na extremidade oposta do radiador, para ser recirculado novamente ao motor. As partes mencionadas anteriormente e um esquema da troca trmica num radiador so mostrados na Figura 9.

Figura 9 Partes e esquema de troca trmica num radiador vertical.

Segundo Palen et. al., (1974), o fluxo de gs dos trocadores do

tipo gs-gs e gs-lquido necessitam de grande velocidade para que haja uma troca eficiente de calor, uma vez que fluxos de gases se caracterizam por um coeficiente de conveco pequeno. Assim, trocadores de calor compactos do tipo gs-gs e gs-lquido foram inicialmente desenvolvidos para aplicaes em avies e automveis, onde pequeno volume e baixo peso eram (e ainda so) importantes requisitos. O material mais comumente utilizado para trocadores compactos que operam a temperaturas abaixo de 250C o alumnio; para temperaturas acima de este valor e at 650C, usado o ao inoxidvel.

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Para melhorar a eficincia trmica dos radiadores, podem-se incorporar superfcies de transferncia de calor, como aletas e/ou tubos com geometrias especiais, proporcionando, segundo Stone (1996): (1) reduo de volume dos trocadores, tornando-os mais compactos e reduzindo possivelmente, o seu custo; (2) reduo da necessidade de bombeamento e (3) aumento do coeficiente global de transferncia de calor do trocador de calor. Um valor mais alto deste coeficiente pode ser explorado em qualquer uma das duas maneiras: (1) para obter um aumento da taxa de troca de calor para temperaturas fixas de entrada do fluido, ou (2) para reduzir a diferena de temperatura mdia para a troca de calor, o que aumentaria a eficincia do processo termodinmico, resultando numa possvel reduo de custos operacionais.

Os radiadores atualmente existentes no mercado apresentam diversas variaes em sua estrutura e so principalmente classificados de acordo com a orientao do fluxo de lquido e da forma e construo do ncleo. Esta variedade devido ao desejo de encontrar o arranjo que oferea maior eficincia trmica.

2.5 PRINCPIOS DE TRANSFERNCIA DE CALOR NO

RADIADOR Vrios mecanismos de transferncia de calor esto presentes em

radiadores. Tanto para radiadores de arrefecimento direto como em radiadores de arrefecimento indireto, as trocas de calor so realizadas por conduo, conveco e radiao. Para radiadores de arrefecimento direto, a conduo de calor ocorre atravs do bloco aletado do motor enquanto que, para radiadores indiretos, a conduo de calor se d principalmente ao longo dos tubos e entre os tubos e a estrutura aletada do ncleo do radiador. Para os dois casos, o fluxo de energia que chega superfcie dissipado ao ambiente por conveco e radiao.

No caso de motores com arrefecimento indireto, o fluido refrigerante deve ter energia suficiente para se movimentar pelo interior dos tubos do radiador e estes efeitos advectivos e difusivos devem ser levados em conta no balano trmico no radiador. No caso especfico do radiador de arrefecimento indireto objeto do presente trabalho, a conveco forada, presente no refrigerante e na corrente de ar, o principal parmetro de projeto, pois determinam a geometria e as dimenses do ncleo, de tal forma que o equipamento seja capaz de dissipar a quantidade de calor pr-estabelecida.

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2.6 AVALIAO DA DISSIPAO TRMICA NUM RADIADOR Para avaliar a quantidade de energia que um trocador de calor

capaz de dissipar, pode-se efetuar um balano de energia para qualquer um dos fluidos participantes da troca trmica, considerando-se que a quantidade de calor perdido pelo fluido mais quente igual quantidade de calor recebido pelo fluido mais frio, desprezando-se as perdas trmicas. Para o caso do radiador automotivo, o balano pode ser feito tanto para o lquido refrigerante como para o fluxo de ar, caso as perdas sejam desconsideradas e as condies e propriedades de entrada e sada de pelo menos um dos fluidos sejam conhecidas. Na Figura 10 mostra-se o volume de controle empregado para determinar o balano de energia para o fluido de arrefecimento, de onde se obtm a seguinte expresso: Figura 10 Volume de controle do fluido de arrefecimento no radiador.

swewwww TTCpmQ ,, (2)

onde Qw = quantidade de calor dissipado da gua

wm = fluxo mssico da gua Cpw = Calor especfico da gua Tw,e = Temperatura da gua na entrada do radiador Tw,s = Temperatura da gua na sada do radiador

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Assim, para avaliar e caracterizar a dissipao trmica de um radiador necessrio ter bons procedimentos para a obteno dos dados de entrada da equao anterior. A literatura conta com variadas tcnicas, procedimentos e normas de avaliao de radiadores, adotadas por empresas construtoras de radiadores, por companhias fabricantes de veculos e por projetistas de novas tecnologias, as quais se adequam ao equipamento a ser avaliado, s condies de operao e aos mtodos de aquisio de parmetros. As recomendaes tcnicas esto agrupadas em duas metodologias de avaliao de um radiador: avaliao trmica direta no automvel e avaliao trmica em bancada de testes estacionria.

2.6.1 Avaliao trmica do radiador diretamente no automvel

Comumente as empresa produtoras de veculos tm aperfeioado

procedimentos e tcnicas para realizar a avaliao trmica dos radiadores em condies reais de operao. A caracterizao se faz instrumentando o radiador instalado em sua posio habitual dentro do automvel e, junto com os demais componentes da cabine, se realizam os testes. Isto permite conhecer sua capacidade de dissipao trmica e avaliar a influncia dos outros componentes do veculo nos fluxos de ar e do lquido refrigerante.

De acordo com o trabalho de Abugaber (2003), as empresas montadoras de automveis tm investido tempo e recursos no desenvolvimento de tcnicas confiveis de medies de parmetros a serem utilizados na avaliao do desempenho de motores, resultando porm em pouca uniformidade metodolgica e pouca ou nenhuma inteno em unificar as tcnicas. Dentro dos parmetros que precisam ser coletados os mais importantes so os fluxos de ar e do liquido refrigerante, assim como as temperaturas de entrada e sada de cada um deles. Os mtodos se diferenciam entre si principalmente pelas condies de teste e pela tcnica a ser usada para a medio do fluxo de ar. A indstria automobilstica norteamericana a que mais generaliza o uso de anemmetros de ps para determinar o fluxo de ar. No entanto, a indstria europeia tem preferncia pelo uso de elementos medidores de presso na determinao do fluxo, enquanto que outras preferem o uso de anemmetros de fio quente. Na figura 11, esto mostradas algumas das tcnicas de instrumentao utilizadas pelas montadoras de automveis para determinar o fluxo de ar.

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Figura 11 Algumas tcnicas de instrumentao para determinar a velocidade do ar incidente no radiador.

(a) (b) (c) (a) Anemmetros de fio quente utilizados por Chrysler Jeep Truck (b) Conjunto de anemmetros de ps utilizados por Ford Motor Company (c) Conjunto de anemmetros de ps montados transversalmente na cara de descarga num radiador da Ford Motor Company Fonte: SAE J1542:19891 apud Abugaber, 2003

Uma das vantagens de usar anemmetros de ps, que eles medem diretamente a velocidade, eliminando as correes por temperatura e presso que precisam ser feitas quando outros instrumentos de medio so usados. Porem uma desvantagem a movimentao do conjunto de anemmetros para fazer a varredura das velocidades presentes em todo o ncleo do radiador.2

2.6.2 Avaliao trmica do radiador em bancada de testes estacionaria

Tanto projetistas como empresas produtoras de radiadores preferem o uso de bancadas de teste estacionrias, cujos procedimentos de testes so regidos por normas tcnicas, para caracterizar termicamente os radiadores. Esta tcnica prescinde o uso dos demais elementos do automvel. O projeto da bancada e de seus elementos deve garantir uma boa aproximao das condies reais nos fluxos de ar e do lquido arrefecedor. O uso da norma tcnica facilita a comparao de radiadores com diferentes configuraes e/ou tecnologias, pois padroniza os testes, garantindo as mesmas condies de medio.

1 SAE J1542 Laboratory testing of vehicle and industrial heat exchangers for thermal cycle durability, 1989. 2 Em Abugaber, Op. Cit., apresentado uma descrio detalhada das tcnicas e procedimentos para este tipo de montagens.

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A ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS (ABNT) apresenta, dentro de suas publicaes, algumas normas especficas, referente a sistemas de arrefecimento e a radiadores automotivos, como segue:

NBR-NM-178:1998: Automobilstica Radiadores -

Terminologia

NBR 14335:1998: Radiadores Caractersticas de desempenho Termos tcnicos

NBR 14734:2001: Veculos rodovirios automotores Sistema

de arrefecimento do motor Terminologia

NBR 15147:2004: Motores alternativos de combusto interna Vocabulrio de componentes e sistemas Sistemas de arrefecimento

NBR 15563:2008: Veculos rodovirios automotores Sistema

de arrefecimento do motor Diagnstico e manuteno At o presente momento, no se conhece nenhuma norma da

ABNT que especifique uma metodologia para a avaliao e caracterizao trmica de radiadores automotivos. Porm, trabalhos obtidos na literatura frequentemente citam as seguintes duas normas internacionais:

JIS D-1614:1991 Radiators for automobiles Test method of

heat dissipation

IS 13687:1993 Internal combustion engines - Radiators - Heat dissipation performance - Method of test Tanto a norma JIS D-1614 regulamentada pelo Japanese

Industrial Standards Committee (JIS), quanto a norma IS-13687 do Bureau of Indian Standards (IS), estabelecem um mtodo para a avaliao trmica de radiadores em bancos de testes estacionrios. Basicamente elas estipulam as caractersticas do banco de testes, a instrumentao requerida, as condies e metodologia de teste, o mtodo de clculo e a apresentao de resultados.

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No presente trabalho, para a caracterizao trmica do radiador avaliado, seguiu-se a norma JIS D-1614 (ver Anexo A), a qual serviu de fundamento para a norma IS-13687. A norma JIS D-1614 mais explcita em sua fundamentao pelo que este foi o critrio para sua seleo como norma padro. Nesta seo sero tratados alguns aspectos desta norma, sendo que a metodologia dos testes e a apresentao de resultados sero inclusos em captulos especficos mais adiante.

A avaliao da dissipao de calor basicamente feita a partir de um balano de energia em um dos fluidos do radiador. A norma JIS D-1614 (item 7) realiza este balano para o liquido refrigerante, empregando a Eq. 2, que toma a seguinte forma:

)(60

10,,

3

swewwww

w TTCpV

Q

(3)

onde Qw = quantidade de calor dissipado da gua (kW)

wV = vazo volumtrica da gua (l/min) w = massa especfica da gua (kg/m3) Cpw = Calor especifico da agua {4,186 [kJ/(kgC)]} Tw,e = Temperatura da gua na entrada do radiador (C) Tw,s = Temperatura da gua na sada do radiador (C) Ao comparar a equao 2 com a equao 3 evidente que o fluxo

mssico (mw) da equao 2 expresso na equao 3 em funo do fluxo volumtrico da gua, sua massa especifica e um fator para a converso das unidades. Este ajuste conveniente pois normalmente mais fcil instrumentar a bancada com um medidor de fluxo volumtrico, para, posteriormente converter este dado para fluxo mssico, com o auxilio da massa especifica.

Para caracterizar um radiador, o referido balano deve ser avaliado em diversos patamares de fluxo de gua. Para cada fluxo de gua varia-se a quantidade de ar que atravessa o ncleo do radiador, gerando, para cada patamar, uma curva de dissipao de calor em funo da quantidade de ar que atravessa o radiador. Os dados agrupados e reportados em curvas apresentadas em um s grfico, juntamente com a curva de perda de carga para o ar e para o fluido de arrefecimento, caracterizam termicamente um radiador automotivo.

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A norma estabelece que a bancada deva ter um circuito para cada fluido. O circuito do lquido de arrefecimento deve ter: um tanque com um sistema de aquecimento que seja capaz de suprir a energia que representa a carga trmica do motor a ser dissipada no radiador, uma bomba, um medidor de fluxo e a respetiva tubulao. Por outro lado, o circuito de ar (tnel de vento) deve incorporar o ventilador, um retificador de fluxo, os dutos e um sistema de medio de vazo. Um exemplo do aparato de teste sugerido pela norma JIS D-1614 mostrado na Figura 12.

A bancada deve ser instrumentada para obter a leitura dos seguintes dados: presso atmosfrica, umidade, temperatura de entrada da gua, diferena de temperatura de entrada e sada de gua, fluxo de gua, temperatura de entrada do ar, fluxo de ar e perda de presso do lado da gua e do lado do ar.

Figura 12 Exemplo do aparato de teste para radiadores

1. Ventilador 2. Corpo do tnel de vento 3. Favo retificador 4. Medidor de vazo gua 5. Bomba de gua 6. Tanque de gua quente 7. Termmetro Ar-entrada 8. Medidor de vazo do vento ou anemmetro 9. Medidor de presso diferencial para a perda de presso do lado da gua 10. Termmetro sada da gua 11. Tubo de conexo 12. Tubo de descarga 13. Medidor da diferena de temperatura entre a entrada e a sada da gua 14. Medidor de presso diferencial para a perda de presso do lado do ar 15. Termmetro de gua de entrada 16. Amostra radiador

Fonte: Norma JIS D-1614 A norma permite flexibilidade de projeto da bancada, desde que

este projeto garanta condies prxima das reais tanto na entrada do ar como do fluido arrefecedor, ou seja, condies de operao do radiador em um automvel.

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2.7 TNEL DE VENTO

Tneis de vento ou tneis aerodinmicos so instalaes projetadas para reproduzir e estudar os efeitos de fluxos de ar na vizinhana de objetos ou de corpos slidos. Tais objetos encontram-se estagnados na seo de testes enquanto o ar propulsado em seu entorno, facilitando o estudo dos efeitos aerodinmicos e termodinmicos da interao entre o fluxo de ar e o corpo de prova. Os efeitos termodinmicos s so verificados se existirem gradientes de temperatura entre o ar e o corpo de prova. O objetivo do tnel de vento simular, em laboratrio, as condies reais de operao de um objeto sujeito a um fluxo de ar.

Nos tneis de vento o ar soprado ou aspirado por mdio de uma turbina ou ventilador, atravs de um duto equipado com retificadores de perfil, coifas, malhas e outros dispositivos que garantam uma distribuio transversal de velocidades desejada na cmara de testes.

Segundo Muoz (2012), em sua configurao mais elementar, um tnel de vento uma instalao formada por um duto tubular de seo arbitrria e regular, por onde escoa um fluxo de ar com propriedades controladas sobre um corpo de prova, visando caracterizar os fenmenos produzidos durante a interao do fluxo de ar com o objeto de estudo.

2.7.1 Classificao dos tuneis de vento

Desde o primeiro tnel de vento projetado por Francis Herbert

Wenham em 1871 at hoje, estes equipamentos tm sido empregados para as mais amplas aplicaes. Desta forma, so muitas as concepes e configuraes destes tneis, de forma a atender necessidades especficas dos testes para os quais so projetados.

De uma forma sucinta, os tneis de vento, podem ser classificados conforme os critrios a seguir.

Faixa de velocidades de operao: Os tneis podem

classificar-se de acordo com a velocidade mdia do ar na cmara de testes. Esta velocidade pode ser expressa em termos do nmero de Mach (M), nmero adimensional que estabelece a proporo entre a velocidade especifica de um objeto (V) e a velocidade do som no meio em que o objeto se movimenta (Vs), como mostrado na equao:

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sVVM (4)

A classificao dos tneis de vento conforme o numero de Mach

apresentada na tabela 2.

Tabela 2 Classificao de tuneis de vento de acordo a sua velocidade de operao

Tipo Velocidade operativa

Subsnico - Baixa velocidade M < 0,4 Subsnico 0,4 < M < 0,8 Transnico 0,8 < M < 1,2 Supersnico 1,2 < M < 5,0 Hipersnico 5,0 > M

Barlow, Rae e Pope (1999), referem uma subdiviso nos tneis subsnicos denominados de baixa velocidade, porem Benson (2009) considera como tnel subsnico a qualquer um que tenha velocidades de M

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ar descreve uma trajetria reta. Os tneis de circuito aberto so amplamente utilizados se a seo transversal necessria para o retorno do fluido maior do que a seo de teste.

esperado que o ar, depois da seo de teste, perca a maior parte de sua mdia de vorticidade, instabilidade e turbulncia antes de ser re-ingerido. No tnel de vento de circuito fechado, a entrada do ventilador est ligada com a sada da seo de testes por um difusor e, desta forma, o ar continuamente recirculado. Neste caso, o fluxo percorre um circuito, que geralmente constitudo por quatro sees com orientaes defasadas em 90 entre si. Figura 13 Tipos de circuitos num tnel de vento.

Fonte:

Segundo Barlow, Rae e Pope (1999), as vantagens do tnel de

circuito aberto residem em seu menor tamanho e na sua facilidade de construo, quando comparado a um tnel fechado com as mesmas condies de dimenses e velocidade na seo de teste. Porem, tneis de retorno fechados requerem menos energia para funcionar, fornecem um maior controle sobre as condies do escoamento na seo de testes e geram menos rudo ao operar, que tneis de circuito aberto. Bell e Mehta (1988), afirmam que tneis de circuito aberto so geralmente recomendados para pequenos aparatos de baixa velocidade, com rea

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transversal na seo de teste menor que 0,5m2 e com velocidades na seo de testes inferiores a 40m/s.

Baseados nesta classificao, nas recomendaes dadas na bibliografia e contando adicionalmente com limitaes de espao para a instalao da bancada no laboratrio, optou-se por projetar um tnel de vento de circuito aberto, subsnico de baixa velocidade. Assim, daqui em diante o nfase ser dada ao estudo deste tipo de tnel aerodinmico.

2.7.2 Tnel de vento de circuito aberto, subsnico de baixa velocidade

Os tneis de circuito aberto podem, por sua vez, dividir-se em

duas categorias, conforme a posio do ventilador com respeito seo de teste, como mostrado na figura 14. Segundo Bradshaw e Mehta (2003), se o ventilador, seja axial ou centrifugo, se localiza a jusante da seo de teste, o tnel de circuito aberto classificado como um tnel do tipo Suckdown ou sugador. Dado que a cmara de teste se localiza na suo do ventilador, este tipo de tnel apresenta redemoinhos mais intensos e instabilidades de baixa frequncia, que, se no forem corretamente corrigidas, podem influenciar o desenvolvimento do escoamento e os resultados na mostra estudada.

Figura 14 Categorias dos tneis de vento de circuito aberto.

J os tneis de vento cujos ventiladores (geralmente centrfugos)

so instalados na montante da seo de teste so denominados do tipo Blower ou sopradores. Este o tipo mais flexvel, pois qualquer

60

forma de seo de teste desejada pode ser testada. Nestes, os redemoinhos tambm podem estar presentes, mas como o ventilador est localizado antes da seo de teste, o perfil de velocidades sobre o corpo de prova fica melhor padronizado. Segundo Mehta (1977), o fluxo de sada de um ventilador centrfugo no uniforme e turbulento, mas fcil de corrigir, no sofrendo as instabilidades de baixa frequncia presente no fluxo de entrada de tuneis do tipo suckdown. Em geral, tneis sopradores so muito menos sensveis s condies de entrada que os tneis sugadores.

Ento, de acordo com estas orientaes, decidiu-se no presente projeto, projetar um tnel de vento de circuito aberto, tipo Blower, subsnico de baixa velocidade.

A configurao escolhida foi ento concebida de acordo com a proposta por Mehta (1977) e Mehta e Bradshaw (1979), inteiramente baseada em vrios modelos de tneis de vento de sucesso. Estes pesquisadores estudaram cada componente principal de um tnel de vento: ventilador, difusor, cmara de retificao, condicionadores de fluxo, contrao e seo de ensaio. As informaes apresentadas nas sees a seguir se baseiam nestes trabalhos.

2.7.2.1 Ventiladores

Mehta (1977) e Mehta e Bradshaw (1979) estudaram o comportamento, desempenho e desenvolvimento de fluxos de ar de ventiladores do tipo axial e radial. Como concluso, recomendaram, para tneis de vento de baixa velocidade, o uso de ventiladores centrfugos. Dos trs tipos de ps impulsoras (ou impellers, mostradas na figura 15), Mehta (1977) recomenda o uso do impulsor de ps curvadas para trs, pois o impulsor de ps curvadas para frente apresenta menor eficincia e o impulsor de ps radiais muitas vezes produz rudo e fluxo de pulsaes, que o tornam imprprio para tneis de alto desempenho. Deve-se notar que o fluxo de ar de sada de um ventilador centrfugo perturbado devido influncia da carcaa e ao desenvolvimento do fluxo de ar no interior da carcaa.

61

Figura 15 Desenho e tringulos de velocidades para os tipos de impellers de um ventilador centrfugo.

Fonte:

Um elemento importante da carcaa (ou voluta) num ventilador

centrfugo a lingueta (ou tongue, mostrada na figura 16), cuja funo principal dividir o fluxo de ar que sai do ventilador daquele que permanece temporariamente girando com o rotor no interior da carcaa. Como o rotor tem uma posio assimtrica e gera foras centrifugas sobre o ar, a maior massa de ar se concentra na regio externa da voluta e a lingueta coleta a massa de ar que se encontra em uma zona de menor presso de forma esta receba energia, fornecida pelo prximo giro do rotor, alm do novo ar exterior, succionado pelo ventilador. A posio assimtrica do rotor e o movimento das ps fazem com que o ar apresente vrtices no interior da carcaa, como mostrado na figura 17. Como a posio da lingueta obstrui a rea inferior de sada do ventilador, a distribuio do ar de sada no uniforme e caracterizada por perturbaes, como mostrado na figura 18.

Pscurvadas RadiaisPscurvadasparaafrente paratrs

Radiais

62

Figura 16 Localizao da lingueta ou tongue na carcaa de um ventilador centrfugo.

Fonte: Mehta (1977)

Figura 17 Vrtices no interior da voluta de um ventilador centrfugo.

Fonte: Mehta (1977)

A figura 17 mostra o comportamento do fluxo de ar emergente de um ventilador de ps curvadas para trs, atravs do uso de fumaa de fumo. Nesta figura se observa apenas a rea da sada do ventilador (A lngua est adjacente parede de fundo e o rotor est inclinado para a parede do lado direito).

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Figura 18 Perfil de sada de um ventilador centrfugo.

Fonte: Mull (1997)

Mesmo que os ventiladores centrfugos de ps curvadas para trs

apresentem vrtices, perfis no uniformes e perturbaes, pode-se, na cmara de retificao, homogeneizar e retificar estes fluxos a nveis aceitveis que proporcionem as condies de escoamento requeridas na seo de teste.

Ainda segundo Mehta, ventiladores centrfugos apresentam algumas vantagens quando comparados a ventiladores axiais: operam com razovel estabilidade, produzem fluxos controlveis em uma ampla gama de condies de escoamento (ou seja, grande variao do fator de potncia do tnel), e so menos afetados pelas condies do ar de entrada e pela seo de teste. Mehta relata tambm que os tneis de vento que operam com este tipo de ventiladores podem ter perfis de velocidade razoavelmente uniformes (0,2% de variao na presso total) e nveis de baixa intensidade de turbulncia (menos de 0,1%) na seo de ensaio, sempre e quando os tneis forem adequadamente projetados.

De acordo com Bradshaw e Mehta (1979), os ventiladores centrfugos so usualmente empregados em tneis de vento de baixas velocidades e podem funcionar a baixas presses, pelo que frequentemente so adquiridos montados de seus fabricantes ou em comercio especializado. Neste caso o consumidor pode especificar o equipamento de seu interesse em catlogos dos fabricantes.

2.7.2.2 Difusor de grande angular A funo do difusor num tnel de vento conectar a sada do ventilador com a cmara de retificao, cuja rea de seo transversal deve ser grande, resultando em um fluxo com velocidade do ar baixa. A funo da cmara de retificao homogeneizar e uniformizar o fluxo. Um

rea de sada

Ventilador centrfugo

Duto de descarga

Ponto de corte da rea de exploso

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retificador, por outro lado, deve proporcionar pequenas perdas de presso. Este acoplamento deve ser projetado para evitar a criao de irregularidades, perturbaes ou vrtices no fluxo, ou seja, o difusor tem de ser concebido de maneira a evitar a separao da camada limite, a qual, devido aos gradientes de presso adversos tem grande possibilidade de ocorrer. Segundo Mehta (1977), para evitar a separao da camada dentro de um difusor, o ngulo de expanso 2 tem que ser inferior a 6, e a razo de reas (Ad),entre a rea de sada Ad,s e a rea de entrada Ad,e, dada pela equao 5, no pode exceder o valor de 2,5:

ed

sdd A

AA

,

, (5)

Porm, estas recomendaes levam muitas vezes ao projeto de

difusores de grande comprimento, dado que o mximo ngulo de abertura do difusor muito pequeno. Para manter o comprimento total do tnel numa proporo razovel, pode-se empregar difusores de grande angular. Mehta afirma que um difusor de grande angular todo aquele difusor com um ngulo 2 maior que 6, tal como mostrado na Figura 19. Comumente os difusores de grande angular so equipados com telas, sistemas splitter, ranhuras de suco, vrtices aprisionados ou palhetas, para evitar a separao da camada limite no decorrer do escoamento atravs do difusor, permitindo ter relaes de reas maiores que os 2,5 recomendados para difusores com ngulo de abertura inferior a 6.

Um mesmo difusor pode ter ngulos de expanso diferentes, dependendo do plano de medida. Neste caso, assume-se que o ngulo 2 o maior entre os ngulos, sendo considerado o ngulo crtico, uma vez que a separao da camada limite mais provvel de ocorrer em ngulos maiores.

Ainda segundo Mehta, para conseguir evitar a separao da camada limite e melhorar a uniformidade do fluxo, pode-se empregar uma tela, elemento mais econmico e de mais simples implementao num tnel de vento. No presente trabalho, a tela foi empregada. Outras tcnicas podem ser estudadas a partir do trabalho de Mehta (1977).

65

Figura 19 Tpicos difusores de grande angular mostrando a definio de difusor com ngulo 2.

Fonte: Mehta (1977)

2.7.2.3 Telas difusoras

Segundo Mehta (1979), telas tm sido utilizadas para melhorar a

qualidade do fluxo de ar no tnel de vento desde a dcada de 1930. So os dispositivos mais simples para evitar a separao da camada limite em difusores de grande angular, mas tambm so utilizadas para melhorar a uniformidade do fluxo na cmara de retificao. O principal efeito das telas que elas impem uma queda de presso esttica proporcional ao quadrado da velocidade do fluxo e podem redirecionar o fluxo incidente para uma direo normal tela, como mostrado na figura 20. A queda de presso esttica pscr expressa pela equao:

2

21

scrascrscr UKp , (6)

onde pscr proporcional ao valor da presso dinmica que atinge tela (expresso entre parntesis), a representa a massa especifica do ar e Uscr a velocidade do fluxo incidente na malha. O termo Kscr representa a

66

constante de proporcionalidade e conhecido como coeficiente de perda de carga da tela. Figura 20 Fluxo atravs de uma tela localizada no plano inclinado.

Fonte: Mehta (1977)

A razo entre ngulo de sada e o ngulo de incidncia (ver

figura 20), do fluxo de ar sobre a tela um parmetro (conhecido como coeficiente de deflexo scr), determinado por:

scr (7)

Note-se, assim, que o coeficiente de perda de carga Kscr (ver

equao 6) e o coeficiente de deflexo scr so parmetros que descrevem os efeitos da presena da tela num fluxo de ar, a qual, quando bem projetada, visa garantir a uniformidade e integridade da camada limite. Pesquisadores tm estabelecido correlaes para estes dois parmetros em funo de variveis mais fceis de medir, como se observa nas equaes a seguir (Mehta,1978):

),Re,(1 scrtscr fK (8)

),,(2 Kf tscr (9)

onde t representa a proporo de rea aberta da tela e Rescr representa o nmero de Reynolds, baseado no dimetro do arame. Como observado, estes parmetros dependem da caracterizao geomtrica da tela, como ser apresentado adiante neste texto.

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Na caracterizao de telas, comum utilizar o numero de mesh, que indica o nmero de furos por polegada linear, medidos a partir do centro de um fio, parmetro empregado pela maioria de empresas em todo o mundo para a fabricao e comercializao de telas. Como mostrado na figura 21, para duas malhas com o mesmo numero de mesh pode existir diferenas na rea de passagem.

Figura 21 Nmero de mesh em malhas.

Fonte:

Assim, a caracterizao geomtrica de uma tela s ocorre quando

dois dos trs fatores so estabelecidos: dimetro do fio, (dscr), nmero de abertura da tela por unidade de comprimento (1/l) e a proporo de rea aberta na tela (t). Estes trs parmetros se relacionam atravs da seguinte equao:

2

1

l

d scrt (10)

Para malhas com o mesmo mesh, se o dimetro do fio forem

diferentes, o termo entre parntesis da equao 10 ser diferente, e, assim, elas apresentaro propores de rea aberta diferentes (ver tabela 3). A grande variedade de combinaes possveis entre estes trs parmetros fazem com que, no mercado, se tenham mltiplas opes. Desta forma, os pesquisadores normalmente utilizam os parmetros t e

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o dimetro do arame (implcito no Rescr) como variveis para determinar Kscr e scr de qualquer tela.

T