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Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas

SUBSTITUIÇÃO DA TECNOLOGIA DO COMPONENTE DE

AQUECIMENTO DA CAIXA DE AR CONDICIONADO

VEÍCULAR COM DIMINUIÇÃO DE CUSTO DE PRODUÇÃO

Vitor Lima Chinotti

Campinas – São Paulo – Brasil Dezembro de 2008

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ii

Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas

SUBSTITUIÇÃO DA TECNOLOGIA DO COMPONENTE DE

AQUECIMENTO DA CAIXA DE AR CONDICIONADO

VEÍCULAR COM DIMINUIÇÃO DE CUSTO DE PRODUÇÃO

Vitor Lima Chinotti

Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr. Ivaldo Leão Ferreira, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador : Prof. Ivaldo Leão Ferreira

Campinas – São Paulo – Brasil Dezembro de 2008

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iii

Substituição da tecnologia do componente de aquecim ento da

caixa de ar condicionado veicular com diminuição de custo de

produção

Vitor Lima Chinotti

Monografia defendida e aprovada em 09 de Dezembro de 2008 pela Banca

Examinadora assim constituída:

Prof. Dr. Ivaldo Leão Ferreira (Orientador)

USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.

Prof. Dr. Guilherme Bezzon (Membro Interno)


Prof. Dr. Mirian de Lurdes Mota Melo (Membro Intern o)


iv

“Vim, vi, venci”

(Julio César)

v

Dedicatória

“Dedico este trabalho de conclusão aos

meus pais e todos que, ao meu lado,

ajudaram a concluir uma etapa

importante no período de aprendizado”.

vi

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus e meus pais que sempre me incentivaram e me deram

todo o suporte necessário durante esse período de profundo aprendizado.

Agradeço ao Professor Dr. Ivaldo Leão Ferreira que além de lecionar o conteúdo do

programa de graduação com ânimo e vontade impressionantes, sempre se preocupou em

direcionar seus alunos pelos caminhos que levam ao sucesso pessoal e conseqüentemente

ajudam a trazer felicidade para cada um de nós.

Aos colegas de trabalho que não pouparam experiências e conhecimentos para

aprimorar cada linha apresentada aqui, superando os limites de companheiros de trabalho e

tornando-se mestres no que diz respeito a minha formação profissional.

vii

Sumário

Lista de Siglas .......................................................................................................................... xi

Lista de Figuras ...................................................................................................................... xii

Lista de Tabelas ..................................................................................................................... xiv

Resumo .................................................................................................................................... xv

Abstract .................................................................................................................................. xvi

1 CAPÍTULO ........................................................................................................................ 1 1.1 Introdução...................................................................................................................... 1 1.2 Objetivo ......................................................................................................................... 3 1.3 Justificativa.................................................................................................................... 3 1.4 Revisão Bibliográfica .................................................................................................... 3

1.4.1 Condução ................................................................................................................ 4 1.4.2 Convecção .............................................................................................................. 6 1.4.3 Trocadores de calor compacto ................................................................................ 7

2 CAPÍTULO ...................................................................................................................... 13

DIFERENÇAS DO PROCESSO ENTRE TECNOLOGIA MECÂNICA E BRASADA 13

2.1 O processo Mecânico .................................................................................................. 13 2.1.1 Fabricação do radiador ......................................................................................... 14

2.2 O processo de brasagem .............................................................................................. 19 2.2.1 Fabricação do radiador ......................................................................................... 19

3 CAPÍTULO ...................................................................................................................... 25

DIFERENÇAS NO PROCESSO DE TRANSMISSÃO DE CALOR ENTRE AS TECNOLOGIAS: MECÂNICA E BRASADA .................................................................... 25

3.1 A Troca térmica ........................................................................................................... 25 3.1.1 Tecnologia mecânica ............................................................................................ 25 3.1.2 Tecnologia brasada ............................................................................................... 28

4 CAPÍTULO ...................................................................................................................... 31

A SUBSTITUIÇÃO DO RADIADOR BRASADO PELO MECÂNICO .. ........................ 31 4.1 Testes Mecânicos ........................................................................................................ 31

4.1.1 Pressão Ciclada ..................................................................................................... 31 4.1.2 Choque térmico .................................................................................................... 33 4.1.3 Estouro .................................................................................................................. 36 4.1.4 Corrosão ............................................................................................................... 37

4.2 Eficiência Térmica ...................................................................................................... 38 4.2.1 Eficiência calorífica .............................................................................................. 38

5 CAPÍTULO ...................................................................................................................... 41

ANÁLISE TÉCNICA E FINANCEIRA ............................................................................... 41

viii

5.1 Modificações e custos ................................................................................................. 41 5.1.1 Modificações ........................................................................................................ 41 5.1.2 Investimentos ........................................................................................................ 43 5.1.3 Retornos estimados ............................................................................................... 44

6 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 45

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 47

ix

Lista de Símbolos

A área, m� �� área da superfície interna, m�

�� área da superfície externa, m�

�� média logarítmica da área, m�

��

área livre de escoamento na matriz do trocador de calor compacto (área mínima de seção transversal para escoamento através da matriz, m�

�� área frontal do trocador de calor, m�

pc calor específico a pressão constante, J/kg · K diâmetro hidráulico, m

� diâmetro interno, m

� diâmetro externo, m

Dpar perda de carga do ar, daPa

Dp 20 perda de carga do ar corrigido 20 ºC, daPa

Dpliq perda de carga do líquido, daPa

Dtliq diferença de temperatura do líquido, ºC

�� fator de incrustração interno

�� fator de incrustração externo

G velocidade mássica, kg/s · m� H coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m�· K;

constante de Plank ℎ�

coeficiente de transferência de calor, da corrente interna, W/(m� ∙ ºC)

ℎ� coeficiente de transferência de calor, da corrente externa,

W/(m� · ºC) �� fator j de Colburn para transferência de calor

K condutividade térmica, W/m · K; constante de Boltzmann �� vazão em massa, kg/s

P pressão, N/m�

�� número de Prandtl

Pot potência, KW

Pmax Pressão máxima, bar

Pmin Pressão mínima, bar

x

Q transferência de energia, J Qar vazão do ar, m³/h; Kg/h

Qliq vazão do líquido, l/h Q taxa de transferência de calor, W

q′ taxa de transferência de calor por unidade de comprimento, W/m "q fluxo de calor, W/m�

R resistência térmica Re número de Reynolds

�� número de Stanton

T temperatura, K

T tempo s; espessura do tubo, m

Tar temperatura do ar, ºC

Tar out temperatura de saída do ar, ºC

Tliq temperatura do líquido, ºC

U componente da velocidade média da massa do fluido, m/s

�� coeficiente global de troca térmica

V volume m�; velocidade do fluido, m/s

Var velocidade do ar, m/s

�� volume específico de entrada, m�/kg

�� volume específico de saída, m�/kg

�� volume específico médio, m�/kg � condições locais sobre uma superfície

Letras Gregas

� área da superfície do trocador de calor por unidade de volume, m�/ m�

�� eficiência global de um conjunto de aletas

ρ massa específica, kg/m�

� razão entre a área mínima da seção transversal do trocador de calor e a área frontal

xi

Lista de Siglas

EXP Engenharia Experimental

GMV Global Motor Ventilation

IT Instrução de Trabalho

KHD Know How Document

MLDT Média Logarítmica de Diferença de Temperatura

NOCOLOK Non Corrosive Locking

NUT Número de Unidades de Transferência

NVF Norma VALEO para HEATERS

PDT Plano de Desenvolvimento Tecnológico

R&D Research and Development

xii

Lista de Figuras

FIGURA 1-1 – ESQUEMA DA PASSAGEM DE FLUXO DE AR ATRAVÉS DA CAIXA DE AR ................... 2

FIGURA 1-2 - ESQUEMA DE CONDUÇÃO DE CALOR EM REGIME PERMANENTE EM PAREDE PLANA 4

FIGURA 1-3 - TROCADOR DE CALOR COMPACTO .......................................................................... 9

FIGURA 2-1 - ESQUEMA CONSTRUTIVO DE UM TROCADOR MECÂNICO ....................................... 14

FIGURA 2-2 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO PROCESSO DE TREFILAÇÃO DOS TUBOS DOS

TROCADORES... .................................................................................................................. 14

FIGURA 2- 1 - PARTE TRASEIRA DA PRENSA... ............................................................................ 15

FIGURA 2- 2 - RAMPA DE POSICIONAMENTO DA ALETA E TUBO, PARTE FRONTAL DA PRENSA (A),

ALARGADORA (B)... ........................................................................................................... 16

FIGURA 2- 3 - JUNTA POSICIONADA NO COLETOR... .................................................................... 17

FIGURA 2- 4 - CRAVAÇÃO DA CAIXA NO COLETOR... .................................................................. 18

FIGURA 2-5 - DISPOSITIVO DE ESTANQUEIDADE. ... .................................................................... 18

FIGURA 2-8 - ESQUEMA DA COMPOSIÇÃO DA LIGA DE BRASAGEM... .......................................... 19

FIGURA 2-9 - ESQUEMA CONSTRUTIVO DE UM TROCADOR BRASADO... ...................................... 20

FIGURA 2-10 - FOLHA DE ALUMÍNIO ANTES DA CONFORMAÇÃO (A),

ALETA JÁ CONFORMADA (B)...............................................................................................21

FIGURA 2-11 - POSICIONADEIRA, NO DETALHE COLETOR JÁ POSICIONADO AGUARDANDO AS

ALETAS E TUBOS.... ............................................................................................................ 21

FIGURA 2-12 - “C” DE BRASAGEM (PRETO), MANTENDO O TUBO, A ALETA E O COLETOR

POSICIONADOS PARA O PROCESSO DE BRASAGEM .............................................................. 22

FIGURA 2-13 - FORNO DE BRASAGEM ....................................................................................... 22

FIGURA 2-14 - POSICIONAMENTO DA JUNTA NO COLETOR BRASADO (A), CRAVAÇÃO DA CAIXA

PLÁSTICA NO COLETOR (B) ................................................................................................ 23

FIGURA 3-1 - EMBUTIMENTO E CORTE DA COLMÉIA DE UM RADIADOR MECÂNICO .................... 25

FIGURA 3-2 - ESQUEMA DAS TROCAS TÉRMICAS NO RADIADOR MECÂNICO .............................. 26

FIGURA 3-3 - NA PONTA DA ALETA NÃO EXISTE CONTATO COM O TUBO (A), NÃO EXISTE

CONTATO ENTRE TUBO E ALETA (B) .................................................................................. 26

FIGURA 3-4 - ESQUEMA DO ESCOAMENTO DO FLUIDO .............................................................. 27

FIGURA 3-5 - ESQUEMA DE FLUXO DE LÍQUIDO E DE AR ATRAVÉS DA SEÇÃO DO TROCADOR. .... 28

FIGURA 3.6 - ESQUEMA DAS TROCAS TÉRMICAS NO RADIADOR BRASADO ................................. 29

FIGURA 3-7 - CONTATO ENTRE TUBO E ALETA NA TECNOLOGIA BRASADA ................................ 29

xiii

FIGURA 3-8 - A: CONTATO TUBO ALETA RADIADOR MECÂNICO – É POSSÍVEL VISUALIZAR UM

ESPAÇO ENTRE O TUBO E A ALETA; B: CONTATO TUBO ALETA RADIADOR BRASADO - O

CONTATO ENTRE AS PARTES É PERFEITA ............................................................................ 30

FIGURA 4-1 - TANQUE DE ESTANQUEIDADE .............................................................................. 33

FIGURA 4-2 - GRÁFICO DE PRESSÃO POR TEMPO... ..................................................................... 34

FIGURA 4-3 - (A) CICLO BRASADO: GRÁFICO DO CICLO TÉRMICO GERADO PELA CÂMARA DE

TESTE DURANTE O ENSAIO... .............................................................................................. 36

FIGURA 4-4 - CURVA DE ESTABILIZAÇÃO... ............................................................................... 37

FIGURA 4-5 - POSICIONAMENTO DO RADIADOR NO BANCO AEROTÉRMICO... ............................. 39

FIGURA 5-1 - DETALHE DO RADIADOR DENTRO DA CAIXA DE AR... ............................................ 42

FIGURA 5-2 - RADIADOR BRASADO (A) E RADIADOR MECÂNICO (B)... ....................................... 43

FIGURA 5-3 - REGIÃO SUPERIOR E INFERIOR DO MOLDE... .......................................................... 44

xiv

Lista de Tabelas

TABELA 2-1 - AS VANTAGENS E DESVANTAGENS DE CADA PROCESSO ENCONTRAM-SE

RESUMIDOS NA TABELA 2-1 ............................................................................................... 24

TABELA 4-1 - VALORES OBTIDOS NOS ENSAIOS DE PERFORMANCE ............................................ 40

TABELA 5-1 - DIMENSÕES FUNCIONAIS DO RADIADOR ............................................................... 43

TABELA 5-2 - VALORES PARA A IMPLANTAÇÃO DA MODIFICAÇÃO ............................................ 44

TABELA 5-3 - ESTIMATIVA DE RETORNO FINANCEIRO ................................................................ 45

xv

CHINOTTI, Vitor Lima. Substituição da tecnologia do componente de aquecimento da caixa

de ar condicionado veicular com diminuição de custo de produção. 65p. Monografia – Curso

de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, Câmpus de

Campinas.

Resumo

Recentemente, diferentes tecnologias para radiadores automotivos foram

desenvolvidas devido à exigência de elevado desempenho relativo à sua aplicação. Desde o

início, a preocupação com a eficiência, qualidade e desempenho do produto foram

considerados a fim de manter ou melhorar o nível alcançado com outras tecnologias. Neste

trabalho serão demonstradas as principais diferenças no processo de fabricação entre um

radiador mecânico e brasado bem como suas respectivas trocas térmicas. Também serão

abordados os ensaios mecânicos para avaliação da durabilidade do componente e o ensaio

térmico para a avaliação da respectiva eficiência, comparando assim, a tecnologia mecânica

com a brasada. Será avaliado o impacto do componente em sua aplicação dentro da caixa de

ar condicionado podendo assim, avaliar financeiramente os investimentos necessários para a

modificação e os lucros obtidos com a substituição da tecnologia.

xvi

Abstract

Recently, different technologies for automotive radiators have been developed due to

demand for high performance in their application. The main concern has always been about

the efficiency of the product, quality as a whole in order to keep or even improve the

excellence level already achieved with other technologies. This work will show the biggest

manufacturing process difference between mechanic radiators and brazed radiators, as well as

their thermal exchanges. This work will also approach the mechanical bench tests on the

component’s durability and thermal bench test for performance evaluation, comparing both

technologies, mechanical and brazed. The impact of the component will be evaluated in its

application inside the air conditioning module, so that it’s possible to financially evaluate the

necessary investments to change the technologies and the profits obtained with the technology

change.

1

1 CAPÍTULO

1.1 Introdução

A caixa de ar veicular tem como objetivos funcionais principais: prover segurança ao

usuário, quando se necessita utilizar o sistema de ar para desembaçar o pára-brisa, e prover

conforto térmico aos usuários do veículo, que está relacionado ao aquecimento da cabine

durante o inverno ou resfriamento durante o verão.

Desse modo, por desenvolver funções de segurança e de conforto para o usuário final do

veículo, faz com que a caixa de ar seja um sistema importante para o valor agregado do

automóvel.

Atualmente, a VALEO SISTEMAS AUTOMOTIVOS LTDA, para a qual foi

desenvolvido este trabalho, possui uma fatia de 17% do volume mundial do mercado de

sistemas de conforto, o restante do mercado é divido por outras cinco grandes empresas

automotivas. Estima-se que até 2010 esta fatia passe de 17% para 20% do mercado, além de

reduzir o número de concorrentes de cinco para quatro.

Atualmente, a caixa de ar possui um radiador de aquecimento ou heater de tecnologia

brasada e a proposta deste trabalho será a demonstração, através de ensaios em bancadas, da

possibilidade de substituição da tecnologia brasada pela tecnologia mecânica, a qual é

consideravelmente mais barata, todavia comparativamente menos eficiente.

A Figura 1-1 mostra uma representação esquemática simples, de caixa de ar veicular, a

arquitetura é determinada conforme o espaço interno do veículo e a entrada de ar do carro,

podendo variar significativamente de acordo com o modelo do veículo.

Figura 1-1 – Esquem

O princípio de funcionamento pode ser explicado da seguinte maneira; o ar externo se

choca contra o pára-brisa e é sugado pelo dispositivo GMV, composto de um motor elétrico

mais turbina, e então é forçado em direção ao evaporador, que é o componente de

resfriamento. Após atravessar o evaporador o ar pode seguir dois caminhos, e quem determina

esse caminho é a portinhola de mistura. Essa portinhola, quando acionada fecha a região do

heater, fazendo com que o ar frio saia pelos dutos dos pés, de ventilação e

de pára-brisas. Quando a portinhola não é acionada, isto é, região do

aberta, o ar será direcionado para ele e ocorrerá uma troca térmica, fazendo com que o ar que

flui pelos dutos seja aquecido.

O heater pode ser constr

na caixa de ar ou a mecânica. O que difere uma tecnologia da outra é o processo de

fabricação.

A fabricação do heater

constituintes aleta e tubos, ou seja, união metalúrgica dos mesmos. O processo de solda que

ocorre durante a brasagem faz com que os componentes tenham contato p

que melhora a eficiência da troca t

metalúrgica e sim mecânica entre as partes, pois a fabricação deste é totalmente mecânica, o

que promove a ausência de contato em algumas regiões entre os tubos e as aletas inutilizado

as devido a formação de uma camada de ar isolante reduzindo, desta for

troca térmica, e, por conseguinte, sua eficiência.

Esquema da passagem de fluxo de ar através da caixa de ar


brisa e é sugado pelo dispositivo GMV, composto de um motor elétrico


sfriamento. Após atravessar o evaporador o ar pode seguir dois caminhos, e quem determina


, fazendo com que o ar frio saia pelos dutos dos pés, de ventilação e

brisas. Quando a portinhola não é acionada, isto é, região do

o ar será direcionado para ele e ocorrerá uma troca térmica, fazendo com que o ar que

flui pelos dutos seja aquecido.

pode ser construído a partir de duas tecnologias, a brasada que atualmente esta


heater brasado necessita de um processo de solda por brasagem dos

aleta e tubos, ou seja, união metalúrgica dos mesmos. O processo de solda que

ocorre durante a brasagem faz com que os componentes tenham contato p

a eficiência da troca térmica. Já no processo mecânico,


que promove a ausência de contato em algumas regiões entre os tubos e as aletas inutilizado

as devido a formação de uma camada de ar isolante reduzindo, desta for

troca térmica, e, por conseguinte, sua eficiência.

2

a da passagem de fluxo de ar através da caixa de ar


brisa e é sugado pelo dispositivo GMV, composto de um motor elétrico


sfriamento. Após atravessar o evaporador o ar pode seguir dois caminhos, e quem determina


, fazendo com que o ar frio saia pelos dutos dos pés, de ventilação e do desembaçador

brisas. Quando a portinhola não é acionada, isto é, região do heater encontra-se

o ar será direcionado para ele e ocorrerá uma troca térmica, fazendo com que o ar que

uído a partir de duas tecnologias, a brasada que atualmente esta


brasado necessita de um processo de solda por brasagem dos

aleta e tubos, ou seja, união metalúrgica dos mesmos. O processo de solda que

ocorre durante a brasagem faz com que os componentes tenham contato perfeito entre si, o

não ocorre esta união


que promove a ausência de contato em algumas regiões entre os tubos e as aletas inutilizado-

as devido a formação de uma camada de ar isolante reduzindo, desta forma, a superfície de

3

1.2 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo a substituição da tecnologia do radiador de aquecimento

brasado pelo mecânico. Para tanto, a transferência de calor deve ser monitorada e utilizada

como parâmetro para definir a melhor tecnologia, avaliando a relação eficiência térmica e o

custo de fabricação deste componente. Para atingir este objetivo, neste trabalho propõe-se

uma alteração no projeto do trocador mecânico que elevará sua eficiência a níveis

comparativos ao da tecnologia brasada, mantendo economicamente seus custos a patamares

inferiores ao da tecnologia que se deseja substituir. Será necessário, desta forma, um estudo

detalhado em bancadas de ensaio, uma vez que a eficiência do trocador deve ser mantida após

a troca de tecnologia a níveis de eficiência semelhantes aos atuais com a tecnologia brasada,

além de acarretar uma redução significativa nos custos do produto final.

1.3 Justificativa

Levando em consideração as diferentes condições climáticas do Brasil, os níveis de

eficácia do componente brasado e o seu respectivo elevado custo, tanto do produto quanto do

processo de fabricação, possibilita desenvolver um produto que atenda as exigências do

mercado a um custo menor.

1.4 Revisão Bibliográfica

Em um trocador de calor compacto, assim comumente chamado, é possível identificar

duas formas de troca de calor, a condução e a convecção. Uma definição simples para

transferência de calor, “transferência de calor é a energia em trânsito devido a uma diferença

de temperatura” (INCROPERA, 1998). Se houver uma diferença de temperatura entre os

meios, haverá troca de calor. Quando existe uma diferença de temperatura num meio estático,

que pode ser um sólido ou um fluido ocorrerá troca por condução, devido ao gradiente de

temperatura, porém quando existe um fluido em movimento, líquido ou gás, ocorrerá troca de

calor por convecção.

1.4.1 Condução

A troca de calor por condução ocorre devido à atividade atômica e molecular, a condução

é devida a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas de menor

energia. A temperatura em qualquer ponto do material está relacionada a energia molecular, e

esta energia está relacionada aos movimentos das moléculas, isto é, a medida do gr

agitação cinética destas. Quanto mais alta for esta energia, maior será a temperatura do

material. Isto se dá devido aos intensos choques com as moléculas vizinhas, ocorrendo uma

transferência de energia das moléculas de maior para as d

1998).

É possível quantificar os processos de transferência de calor em termos de equações de

taxas de transferência de calor apropriadas. Essas equações são usadas para calcular

quantidade de energia transferida por unidade de tempo. Para

calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida por lei de Fourier. Para

parede plana unidimensional

uma distribuição de temperatura T(x), a equação da

Figura 1-2 - Esquema de condução de calor em regime permanente em parede plana


transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas de menor


esta energia está relacionada aos movimentos das moléculas, isto é, a medida do gr



transferência de energia das moléculas de maior para as de menor energi



quantidade de energia transferida por unidade de tempo. Para o processo de

calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida por lei de Fourier. Para

parede plana unidimensional, em estado estacionário, conforme a Figura

uma distribuição de temperatura T(x), a equação da taxa de transferência de calor é dada por:

dx

dTkq x −="

Esquema de condução de calor em regime permanente em parede plana

4


transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas de menor


esta energia está relacionada aos movimentos das moléculas, isto é, a medida do grau de



e menor energia (INCROPERA,



processo de condução de

calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida por lei de Fourier. Para uma

conforme a Figura 1-2 que apresenta

ansferência de calor é dada por:

Equação 1-1

Esquema de condução de calor em regime permanente em parede plana

5

onde o fluxo de energia xq" é a taxa de transferência de calor na direção x por unidade de

área perpendicular à direção da transferência, sendo proporcional ao gradiente de temperatura,

dx

dT, nesta direção. A constante de proporcionalidade k é uma propriedade de transporte

conhecida como condutividade térmica ( )kmW ×/ , sendo uma característica do material da

parede. O sinal de menos é uma conseqüência do fato de que o calor é transferido no sentido

da diminuição de temperatura.

Para o regime transiente, a equação de condução de calor envolve o termo relacionado ao

balanço térmico da quantidade de calor que entra e sai do volume de controle a taxas

diferentes e a fração referente ao acúmulo ou perda de energia térmica no mesmo, referente à

variação de entalpia por unidade de tempo, ou seja,

( )t

Tc

t

h p

∂∂

=∂∂ ρ

Equação 1-2

Por conseguinte, tem-se a diferença ou gradiente dos fluxos de calor que entram e sai do

volume de controle, desta forma,

( ) ( )

∂∂

∂∂=

∂∂=

∂∂

x

Tk

xq

xt

Tcpρ

Equação 1-3

Digite a equação aqui.ou,

( )

∂∂

∂∂=

∂∂

x

Tk

xt

Tcpρ

Equação 1-4

Sendo necessárias duas condições de contorno, ou condições espaciais, e uma condição

inicial, ou temporal para resolver esta equação diferencial parcial.

Para problemas mais gerais, que envolvam também fluxos de calor convectivo, o termo

referente ao transporte convectivo deve ser adicionado, e a equação diferencial parcial se

torna a equação da energia,

6

( ) ( )q

x

Tk

xx

Tcu

t

Tc pp ′+

∂∂

∂∂=

∂∂

+∂

∂ ρρ

Equação 1-5

Esta equação geralmente é resolvida de forma analítica, semi-analítica e numericamente,

pelo fato também do campo de velocidade ser normalmente uma incógnita, juntamente com

as equações da conversão da massa ou da continuidade, equações do momento nas respectivas

direções x, y e z, podendo ainda ser adicionada uma equação do transporte de espécies

químicas. Este conjunto de equações é chamado de equações de Navier-Stockes, e formam o

conjunto básico dos problemas de escoamento de fluido (VERSTEEG E MALALASEKERA,

1995).

1.4.2 Convecção

A convecção existe através da combinação da condução de calor, armazenamento de

energia e movimento do fluido ou gás, sendo esta, uma transferência de calor entre uma

superfície sólida e um meio fluido, podendo ser um líquido ou gás.

A transferência por convecção ocorre pela diferença de energia térmica que existe entre a

superfície e o fluido. No movimeto das partículas, causado pelo impacto destas em algo

istatico, como se fosse representar a situaçõ de ium gtorcedor ou ewspectador assisindo o seu

espetáculo parado, quando de repente uma multidão apressada passa à sua volta, isso fará com

que mesmo não querendo se movimentar o espectador moveu-se alguns centímetros ou até

uns metros. Mesmo se pensar que os centímetros no meio de uma multidão sejam poucos mas

já é suficiente para abalar o regime alor fluirá por condução para as partículas do fluído que

estão em contato direto com a superfície. A energia transferida para essa camada do fluído

servirá para aumentar a energia interna e a temperatura das partículas, então estas partículas

fluidas se moverão para uma região de menor temperatura no fluido onde se misturarão e

transferirão uma parte da energia para o restante do fluido. Segundo FRANK KREITH, “O

fluxo, nesse caso, é tanto de fluido como de energia. A energia é na realidade armazenada

nas partículas fluidas e transportada como resultado do movimento de massa destas. Esse

mecanismo não depende, para sua operação, meramente de uma diferença de temperatura e,

desta forma, não concorda estritamente com a definição de transmissão de calor” (KREITH,

1969).

7

A transmissão de calor por convecção pode ser classificada como convecção natural e

convecção forçada, na qual o movimento do fluido se dá por um agente externo, uma bomba

ou um ventilador, que é o caso do estudo. A expressão a seguir é conhecida como lei do

resfriamento de Newton, onde A é a área da superfície de troca, h é o coeficiente de

transferência de calor por convecção, dependente das condições da camada limite,

influenciada pela geometria da superfície, pela natureza do movimento do fluido, pelas

propriedades termofísicas e de transporte de fluido (INCROPERA e DEWITT, 2003).

( )∞−= TThAQ .

Equação 1-6

1.4.3 Trocadores de calor compacto

O que distingue um trocador de calor do outro é a configuração do escoamento e o tipo da

construção. Os trocadores de calor mais simples podem ter os fluxos de fluido quente e frio

que se movem no mesmo sentido ou em sentidos opostos, com tubos concêntricos (ou tubo

duplo). Podem ter arranjos de correntes paralelas, onde os fluidos quentes e frios entram pela

mesma extremidade, escoam no mesmo sentido e saem pela outra extremidade. Nos arranjos

de correntes contrárias, os fluidos entram por extremidades opostas, escoam em sentidos

opostos e saem por extremidades distintas. Outra configuração possível é o fluxo cruzado,

onde o fluido escoa perpendicularmente ao outro e com ou sem aleta. O que distingue uma

configuração da outra é o fato do fluido que escoa pelo lado externo do trocador se misturar

ou não com o interno. No sistema aletado o ar não se mistura, pois as aletas não permitem o

movimento na direção (y) que é perpendicular ao escoamento do liquido na direção (x), nesse

caso a temperatura do fluido varia na direção x e y. No sistema não-aletado o movimento do

ar é permitido tanto em (x) quanto em (y), nesse caso a temperatura do fluido varia na direção

do escoamento principal.

Na análise da transferência de calor nos trocadores, varias resistências térmicas, no

percurso do fluxo de calor do fluido quente para o frio, se combinam para constituir um

coeficiente global de troca térmica U.

Considerando a resistência térmica total R ao fluxo de calor, através de um tubo e entre a

corrente externa e interna, e que seja composta pelas resistências temos os seguintes dados:

8

+ = 1(��ℎ�) + 1

2 ��+ 1

��ℎ�

Equação 1-7

Onde,

�� , �� = áreas das superfícies externas e internas, respectivamente, (��)

�� = 4564789645/47

= média logarítmica da área, ( ��)

ℎ� , ℎ� = coeficiente de transferência de calor, da corrente interna e externa,

respectivamente, (W/(�� · ºC))

k = condutividade térmica do material do tubo, (W/(m · ºC))

R = resistência térmica entre a corrente interna e a externa

t = espessura do tubo, (m)

E levando em conta o coeficiente global de troca térmica U₀, baseado na superfície

externa do tubo, é definido por:

�� = 1�� + = 1

:�� ; : 1ℎ�

; + : ��; :12; + 1

ℎ�

=

= 1:�� ; : 1

ℎ�; + < 1

22> � ?@ :�� ; + 1ℎ�

Equação 1-8

��

= �21 ?@ �

� � − � = 2t

Equação 1-9

E � e � são os diâmetros internos e externos do tubo, (m).

9

No uso dos trocadores de calor, a superfície de transferência acumula poeira, gorduras e

óxidos, e estes acrescentam resistências térmicas ao fluxo de calor. Essas camadas adicionais,

ou incrustações, são geralmente consideradas na forma do fator de incrustação F (�� · ºC/W).

Considerando então a transferência de calor com o fator de incrustação:

+ = 1��ℎ� + ��

��+ 1

2 ��+ ��

��+ 1

��ℎ�

Equação 1-10

Onde,

�� e �� = são os fatores de incrustação (resistência unitária de incrustação) nas

superfícies internas e externas do tubo.

Baseando-se na superfície externa do tubo o coeficiente global de troca térmica U:

�� = 1:�� ; : 1

ℎ�; + :�� ; �� + <�22> ?@ :�� ; + �� + 1/ℎ�

Equação 1-11

No estudo dos trocadores de calor para automóveis, conforme apresentado na Figura

1-3, que utilizam a configuração de fluxo cruzado com aletas, são denominados do tipo

compacto. O termo compacto empregados em trocadores de calor é definido como sendo “A

razão entre a área da superfície de transferência de calor, num dos lados do trocador de

calor, e o volume que pode ser empregado como medida da compacticidade do trocador de

calor” (ÖZIŞIK, 1990). Um trocador de calor, com densidade de área superficial em um dos

lados maior do que cerda de 700 m2/m3, é classificado como trocador de calor compacto,

independentemente de seu projeto estrutural.

Figura 1-3 - Trocador de calor compacto

10

Um trocador de calor com uma densidade de área superficial de 1.100 m2/m3, e os

trocadores de calor de cerâmica vítrea que tem densidade da ordem de 6.600 m2/m3, são

considerados trocadores de calor compactos. Os pulmões humanos, com uma densidade de

área da ordem de 20.000 m2/m3, são os trocadores de calor e de massa mais compactos

(ÖZIŞIK, 1990). Por outro lado, os trocadores do tipo tubular plano e os do tipo casco e tubos

têm densidade da área superficial na faixa de 70 a 500 m2/m3, e não são considerados,

portanto, compactos.

A grande necessidade do mercado automotivo está relacionada ao volume, peso e

eficiência do sistema operando no veículo, impulsionados por isso os sistemas compactos se

fazem necessários, já que o alto valor de compacticidade reduz volume e peso do trocador de

calor e para um aumento especifico no desempenho térmico, utilizam-se altas nos trocadores.

“Num trocador de calor de gás para líquido, por exemplo, o coeficiente de transferência de

calor do lado do gás é uma ordem de grandeza mais baixa do que do lado do líquido. Por

esta razão, são utilizadas aletas no meio gasoso para se ter um projeto equilibrado de

transferência de calor; onde a superfície de transferência de calor do lado do gás torna-se

muito mais eficiente e compacta” (ÖZIŞIK, 2003).

Os trocadores de calor de tubo aletado são utilizados quando se necessita uma grande

área de superfície de transferência de calor por unidade de volume é desejada e pelo menos

um dos dois fluidos é um gás, suas duas configurações típicas são com tubos cilíndricos e

outra com tubos chatos, essa configuração de trocadores podem ser utilizados numa ampla

faixa de variação de pressão do fluido nos tubos, porém não ultrapassando 30 atm, e podem

operar em temperaturas que variam desde as baixas, até cerca de 870 ºC, dependendo da

aplicação e projeto. Sua densidade máxima de compacticidade é cerca de 330 m2/m3, menor

que a dos trocadores de placa aletada e área de secção de escoamento são tipicamente

pequenas ( 5 mm), o regime de escoamento é usualmente laminar.

Os resultados da transferência de calor são correlacionados em termos do fator ј de

Colburn ��=�� /� onde �� número de Stanton e �� Prandtl, o número de Reynolds, em que

os números de tanto de Stanton (�� = h/BCD), quanto o de Reynolds (+� = Gdh/u) são

baseados na máxima velocidade mássica,

B ≡ FG�HI = FG�JK�JJ

= ��JK

= ��JK

Equação 1-12

11

Onde,

� = a razão entre a menor área livre de escoamento do espaço das aletas (seção transversal

perpendicular à direção do escoamento), ��, à área frontal, ��, área do trocador de calor.

= o diâmetro hidráulico da passagem do escoamento.

� = área superfície de transferência de calor por volume total do trocador de calor.

��/A= a razão entre a área da superfície da aleta e a área total da superfície de transferência

de calor (utilizada para calcular a efetividade da temperatura �� . Para o dimensionamento do trocador de calor, � é utilizado para determinar o volume

necessário do trocador de calor, logo após a área total da superfície de transferência de calor

ser determinada. Em cálculos de desempenho, este coeficiente é utilizado para determinação

da área da superfície a partir do conhecimento do volume do trocador de calor.

Para o dimensionamento de um trocador de calor compacto, informações empíricas,

fornecidas pelo clássico trabalho de Kays e Lundu, (KAYS e LONDON, 1984) seriam

utilizadas para determinar o coeficiente médio de convecção das superfícies aletadas. Desta

forma, o coeficiente global de transferência de calor é, então, determinado, utilizando–se os

métodos MLDT ou ε-NUT.

O método MLDT (Média Logarítmica de Diferença de Temperatura), na análise do

trocador de calor é utilizado quando se conhece previamente os valores de temperatura de

entrada do fluido, sendo as temperaturas de saída especificadas como dados de projeto. Desta

forma, o valor de ∆LMN do trocador pode ser obtido. Se somente as temperaturas de entrada

forem conhecidas, faz-se necessário um procedimento MLDT iterativo, sendo neste caso

utilizado o método de efetividade NUT (Número de Unidades de Transferência).

A queda de pressão associado ao escoamento através do banco de tubos aletados pode ser

calculada a partir da expressão:

∆P = B��2 Q (1 + ��) R�S

��− 1T + U �

�JJ��

V Equação 1-13

12

Onde,

�� , �S = são os volumes específicos de entrada e saída do fluido

�� = (�� + �S)/2

O primeiro termo do lado direito da equação 1.13 leva em conta os efeitos cumulativos da

variação de pressão devido à aceleração não-viscosa do fluido e a desaceleração na entrada e

saída do trocador. Os efeitos são reversíveis, e, se a variação na massa especifica do fluido

puder ser desprezada, isto é, (�S ≅ ��), então este termo é desprezível. O segundo termo leva

em conta todas as perdas devido ao atrito do fluido no trocador de calor. Para uma dada

configuração do trocador, o fator de atrito é dado como uma função do número de Reynolds.

A equação 1.13 não leva em conta as perdas irreversíveis devido aos efeitos viscosos na

entrada e na saída do trocador de calor. As perdas dependem da natureza do duto utilizado

para o transporte dos fluidos para e a partir do trocador de calor.

13

2 CAPÍTULO

DIFERENÇAS DO PROCESSO ENTRE TECNOLOGIA MECÂNICA

E BRASADA

Neste capítulo, serão demonstradas as principais diferenças no processo de fabricação

entre as tecnologias mecânica e a brasada.

2.1 O processo Mecânico

A concepção e a industrialização do primeiro radiador com processo de fabricação

mecânico foi concretizado em 1967 pela sociedade SOFICA que em 1980 passou a fazer parte

do grupo VALEO, (VALEO, 2000).

O radiador mecânico, Figura 2-1, é composto de um feixe de aletas e de tubos de

alumínio, onde são montadas às suas extremidades caixas plásticas de água, cravadas sobre

um coletor metálico.

As seguintes inovações foram trazidas por esta nova tecnologia:

• Ausência de solda, as montagens são realizadas mecanicamente;

• Utilização de uma junta multifuncional que assegura a impermeabilidade da

caixa e a fixação dos tubos sobre o coletor;

• Uso de caixas de água plásticos modeladas por injeção (inovação estendida

para o radiador brasado);

• Redução importante do peso pela utilização do alumínio;

• Custo de fabricação inferior graças à ausência do método de brasagem;

• Vantagem energética e ambiental (os fornos de ar utilizados para produção das

partes brasadas eram muito poluentes e consumiam considerável quantidade de

energia elétrica).

Figura 2

2.1.1 Fabricação do radiador

2.1.1.1 Trefilação dos tubos

Os tubos utilizados nos radiadores são conformados a frio, por meio do processo de

trefilação. Neste processo, conforme mostra a Figura 2

matriz de trefilar o que causa um e

da matriz na presença de um mandril, com isso ocorre uma redução na secção transversal do

tubo. A fieira originará a dimensão externa do tubo e o mandril a espessura desejada da

parede do tubo. Esta dimensão é consideravelmente importante para a eficiência do trocador

de calor, uma vez que se comportará como uma resistência térmica a passagem de calor.

Figura 2- 6 – Diagrama esquemático do processo de trefilação dos tubo

Figura 2-1 - Esquema construtivo de um trocador mecânico

Fabricação do radiador

Trefilação dos tubos


trefilação. Neste processo, conforme mostra a Figura 2-2, o tubo é

matriz de trefilar o que causa um esforço de compressão indireta devido às reações na parede



dimensão é consideravelmente importante para a eficiência do trocador


Diagrama esquemático do processo de trefilação dos tubos dos trocadores.

14

Esquema construtivo de um trocador mecânico


é tracionado através da

sforço de compressão indireta devido às reações na parede



dimensão é consideravelmente importante para a eficiência do trocador


s dos trocadores.

15

2.1.1.2 Estampagem de aletas

A matéria-prima utilizada na produção das aletas é composta por uma liga de alumínio

laminada de espessura 0,07 mm, e largura específica de cada aleta, a qual é fornecida em

bobinas de aproximadamente 900 kg. Uma mesma aleta pode ser utilizada em diversos

radiadores, o que difere uma das outras é apenas a quantidade de aleta no trocador de calor.

A folha de alumínio é posicionada no sistema de alimentação da prensa, de acordo com a

Figura 2-3, o qual transporta a folha até o ponto de estampagem com avanços pré-ajustados

dependendo do tipo de aleta a ser produzido. A ferramenta em um sistema de estampo

progressivo realiza a cada etapa uma operação (corte, dobra, conformação do passo, repuxo,

etc).

Após estampagem e corte as aletas são transportadas através de uma rampa até o posto de

utilização, sendo estas posicionadas para a inserção do tubo, que será explicado na fabricação

do feixe.

Figura 2- 7 - Parte traseira da prensa

Os principais problemas do processo de estampagem de aletas estão relacionados a não

estampagem dos furos (nos quais serão introduzidos tubos, má formação de gola), formação

de rebarba, persianas fechadas, persianas com rebarbas, espaçador com dimensão fora do

especificado, o que promove grande número refugos, com conseqüente perda de matéria-

prima, horas máquinas, e caso passe pelo controle de qualidade poderá originar produtos

finais defeituosos.

2.1.1.3 Fabricaç ão do feixe

Após o corte final da aleta, que é acum

Figura 2-4, coloca-se um gabarito para realizar a contagem das aletas, esse gabarito é garantia

da quantidade das aletas do radiador. Um número diferente de aletas em relação ao

especificado pode acarretar sério

de ar.

Após a contagem das aletas, as mesmas são posicionadas num dispositivo para inserção

dos tubos, esta operação é realizada manualmente, retira

aletas, e ambos são posicionados na máquina alargadora, segundo apresenta a Figura 2

máquina tem como principal função, determinar o passo do radiador e expandir os tubos, para

que haja contato na interface tubo/aleta. Neste processo a máquina compacta a colméi

que ela atinja a sua dimensão final. Isto é o que determina o passo de aleta do radiador. Após

esta compactação, o cabeçote da máquina se movimenta fazendo que um feixe

com um expansor na sua extremidade atravesse os tubos expandi

garantindo o contato perfeito entre o

a quantidade de tubos de cada radiador, e a expansão que ocorre é de aproximadamente 0,5

mm, o que fará com que o tubo tenha uma interferência

acordo com as condições de tolerância exigidas pelo projeto.

Figura 2- 8 - rampa de posicionamento(b).

ão do feixe

Após o corte final da aleta, que é acumulada numa rampa da máquina como mostrado na

se um gabarito para realizar a contagem das aletas, esse gabarito é garantia


especificado pode acarretar sérios problemas de eficiência do componente no conjunto caixa


dos tubos, esta operação é realizada manualmente, retira-se o feixe, constituído por tubos e

os são posicionados na máquina alargadora, segundo apresenta a Figura 2


que haja contato na interface tubo/aleta. Neste processo a máquina compacta a colméi


esta compactação, o cabeçote da máquina se movimenta fazendo que um feixe

m um expansor na sua extremidade atravesse os tubos expandindo

perfeito entre o tubo e a aleta. O número de agulhas varia de acordo com


mm, o que fará com que o tubo tenha uma interferência de aproximadamente 0,2 mm, de

acordo com as condições de tolerância exigidas pelo projeto.

pa de posicionamento da aleta e tubo, parte frontal da prensa

16

ulada numa rampa da máquina como mostrado na

se um gabarito para realizar a contagem das aletas, esse gabarito é garantia


s problemas de eficiência do componente no conjunto caixa


se o feixe, constituído por tubos e

os são posicionados na máquina alargadora, segundo apresenta a Figura 2-4. Está


que haja contato na interface tubo/aleta. Neste processo a máquina compacta a colméia para


esta compactação, o cabeçote da máquina se movimenta fazendo que um feixe de “agulhas”

do-os, e desta maneira

O número de agulhas varia de acordo com


de aproximadamente 0,2 mm, de

aleta e tubo, parte frontal da prensa (a), alargadora

17

Os principais problemas da fabricação do feixe de tubos são: a quantidade de aletas

menor ou maior, as trincas oriundas da expansão dos tubos, o passo menor ou maior em

decorrência da pressão da máquina, e, finalmente, gola rachada devido à pressão da máquina.

2.1.1.4 Colméia com coletor

A colméia é composta pelo feixe, apresentado anteriormente, coletor e junta. O coletor

tem como função fazer a união entre a colméia, e as caixas plásticas, apresentadas

posteriormente. A fim de garantir a união estanque utiliza-se uma junta de borracha.

A seqüência de montagem deve ser realizada da seguinte forma:

a) Prepara-se dois conjuntos de juntas e coletores (Figura 2.5), encaixando a junta

manualmente, e posicionando os conjuntos na ferramenta de evasamento;

b) Posiciona-se colméia na ferramenta de evasamento;

c) Aciona-se a prensa hidráulica para realizar a operação de evasamento, operação esta

que consiste na expansão da extremidade do tubo, a qual garante a união rígida e estanque

entre a colméia e conjunto coletor/junta.

Figura 2- 9 – Junta posicionada no coletor.

18

2.1.1.5 Cravação da caixa plástica

Nesta operação é realizada a união das caixas aos coletores através da dobra dos dentes

do coletor no pé da caixa, com uma pressão suficiente para garantir a estanqueidade do

produto, como mostra a Figura 2-6.

Figura 2- 10 - Cravação da caixa no coletor.

2.1.1.6 Teste de estanqueidade

Trata-se de um ensaio para constatação da qualidade e funcionalidade do produto, onde

se aplica uma determinada pressão de ar no radiador, e então, se verifica a existência de

algum vazamento, conforme Figura 2-7. Encontrando-se estanque o produto, este então

identificado com informações pertinentes ao produto, tais como modelo, hora, dia de

produção e o lote.

Figura 2-11 - Dispositivo de estanqueidade.

19

2.2 O processo de brasagem

Brasagem é a união metalúrgica de metais usando-se metal de enchimento fundido.

Quando no estado fundido, o metal de enchimento propaga-se entre as superfícies próximas

montadas, formando um filete ao redor da junta, e no resfriamento forma uma junta

metalúrgica muito resistente (argamassa). O metal de enchimento funde-se a uma temperatura

acima de 450°C, mas abaixo da temperatura de fusão do metal base.

Na Figura 2-8 abaixo, podemos ver um esquema da composição da liga de brasagem

demonstrando as posições do “Cladding” e os materiais mais comumente utilizados.

Figura 2-8 - Esquema da composição da liga de brasagem.

A brasagem sob atmosfera controlada foi desenvolvida pela ALCAN em 1978 sobre a

marca registrada de NOCOLOK (Non Corrosive Locking) com um fluxo não corrosivo para o

processo de brasagem (VALEO, 2004)

2.2.1 Fabricação do radiador

No processo de fabricação do radiador brasado as aletas ficam posicionadas entre os

tubos, de perfil achatado, como mostra a Figura 2-9. O tubo, de perfil chato, não é

desenvolvido pela empresa. Com isso o primeiro processo de fabricação é o da aleta.

20

Figura 2-9 – Esquema construtivo de um trocador brasado.

2.2.1.1 Conformação da aleta

Diferente da fabricação da aleta mecânica, a aleta brasada não passa por um processo de

estampagem, todavia, por um processo de conformação. Isto significa que a aleta brasada

possui apenas a operação de corte da persiana, dobra do “pico e vale” e corte da aleta no

comprimento desejado, a dimensão varia de acordo com o tamanho da colméia. A matéria-

prima utilizada na fabricação da aleta é uma liga de alumínio, fornecida em bobinas podendo

alcançar 300 kg. A espessura de aleta, da mesma forma que a mecânica, é de 0,07 mm.

Posiciona-se então a bobina no sistema de alimentação da máquina, a folha de alumínio

passará pelo molete que conformará o perfil das persianas e a dobra do “pico e vale”, como

apresentado na Figura 2-10.

Figura 2-10 – Folha de alumínio antes da conformação (a), aleta já conformada (b).

A aleta brasada possui largura bem menor que a mecânica, pois como explicado

anteriormente, no radiador

entre tubos.

2.2.1.2 Fabricação da colméia

O processo brasado não possui feixe, isso porque o feixe é composto de tubo mais aleta.

Após a conformação e corte da aleta, estas são diretamente e

chamada posicionadeira, de acordo com a Figura 2

e a cada aleta que cai acrescenta

resultado é um tubo e uma aleta, um tubo e uma

a quantidade exata do radiador. Posteriormente, a posicionadeira recua e insere o coletor nos

tubos.

Figura 2-11 - Posicionadeira, no detalhe coletor já posicionado aguardando as aletas e tubos.

Folha de alumínio antes da conformação (a), aleta já conformada (b).


anteriormente, no radiador mecânico o tubo passa por dentro da aleta, na brasada a aleta fica

Fabricação da colméia


Após a conformação e corte da aleta, estas são diretamente encaminhadas para uma máquina

chamada posicionadeira, de acordo com a Figura 2-11. Na posicionadeira coloca

e a cada aleta que cai acrescenta-se um tubo. Todas estas operações são automáticas, e o

resultado é um tubo e uma aleta, um tubo e uma aleta, e assim por diante, até que se complete


osicionadeira, no detalhe coletor já posicionado aguardando as aletas e tubos.

21

Folha de alumínio antes da conformação (a), aleta já conformada (b).


mecânico o tubo passa por dentro da aleta, na brasada a aleta fica


ncaminhadas para uma máquina

11. Na posicionadeira coloca-se o coletor

se um tubo. Todas estas operações são automáticas, e o

aleta, e assim por diante, até que se complete


osicionadeira, no detalhe coletor já posicionado aguardando as aletas e tubos.

22

O próximo passo é a retirada da colméia pelo “C” de brasagem, esta ferramenta irá

acompanhar o radiador durante o processo de brasagem, uma vez que os tubos estão apenas

posicionados no coletor e não existe interferência mecânica entre os tubos e as aletas, na

Figura 2-12 podem-se observar os “Cs” prendendo as colméias para que sejam brasadas.

Figura 2-12 - “C” de brasagem (preto), mantendo o tubo, a aleta e o coletor posicionados para o processo de brasagem.

2.2.1.3 Brasagem

O processo brasagem ocorre na seqüência, com a colméia posicionada no “C” de

brasagem, estes são posicionados no forno, mostrado na Figura 2-13.

Figura 2-13 – Forno de brasagem

23

Esse processo consiste, resumidamente, em elevar e baixar a temperatura do forno. Com

o aquecimento, o metal de enchimento propaga-se entre as superfícies próximas montadas,

formando um filete ao redor da junta aleta/tubo e no resfriamento forma uma junta

metalúrgica muito resistente, denominada de argamassa. O metal de enchimento funde-se a

uma temperatura acima de 450 °C, mas abaixo da temperatura de fusão do metal base. Com

esse processo se obtém a colméia brasada.

2.2.1.4 Junta e cravação

Uma vez brasada a colméia, coloca-se a junta diretamente no coletor e realiza-se o

processo de cravação da caixa plástica, exatamente como no processo mecânico, como

mostrado na Figura 2-14.

Figura 2-14 - Posicionamento da junta no coletor brasado (a), cravação da caixa plástica no coletor (b).

Em alguns produtos brasados, a caixa de água é de alumínio, sendo, portanto, brasada

com todo o conjunto aleta, tubo e coletor. Neste caso o produto não necessita de junta

emborrachada, e, desta forma, deixa o forno de brasagem sendo encaminhado diretamente

para o teste de estanqueidade.

2.2.1.5 Teste de estanqueidade

O ensaio de estanqueidade do trocador com tecnologia brasada é exatamente igual ao

processo de estanqueidade do radiador mecânico.

24

Em uma análise do processo mecânico em relação ao processo brasado, foi possível

verificar a rapidez na fabricação de um radiador mecânico, se for considerado a trefilação, a

estampagem de aletas e as montagens do radiador, o processo totalizará 30 minutos por peça.

Se o processo brasado for considerado, um radiador seria produzido a cada 2 horas. Estes

estudos foram realizados no setor de industrial da empresa.

As vantagens e desvantagens de cada processo encontram-se resumidos na Tabela 2-1.

MECÂNICO BRASADO

VANTAGENS VANTAGENS

PROCESSO RÁPIDO

FÁCIL

BAIXO CUSTO (PROCESSO)

AUTOMATIZADO (ESTÁVEL)

ALTO CONTROLE DAS OPERAÇÕES

NÃO HÁ PERDA DE MATERIAL

DESVANTAGENS DESVANTAGENS

INSTABILIDADE NO PROCESSO

CONTROLE DE OPERAÇÕES

PROCESSO MANUAL

PERDA DE MATERIAL (ESTAMPAGEM)

PROCESSO LENTO

ALTO CUSTO (PROCESSO)

IMPACTOS AMBIENTAIS

3 CAPÍTULO

DIFERENÇAS N

ENTRE AS TECNOLOGIAS

Este capítulo tem como objetivo demonstrar os processos de transmissão de calor que

ocorrem no radiador. Aqui também será possível avaliar a

transmissão de calor da tecnologia brasada em relação à mecânica.

3.1 A Troca térmica

3.1.1 Tecnologia mecânica

A troca térmica do trocador compacto se dá pelo processo de fluxo cruzado, onde um

fluido escoa perpendicular ao

Figura 3-1 –

Durante a transferência térmica,

parede do tubo que, por sua vez, transfere calor por condução do tubo para a aleta e esta,

finalmente, troca calor por con

Figura 3-2.

DIFERENÇAS NO PROCESSO DE TRANSMISSÃO DE CALOR

ENTRE AS TECNOLOGIAS : MECÂNICA E BRASADA


ocorrem no radiador. Aqui também será possível avaliar a superior eficiência do processo de

transmissão de calor da tecnologia brasada em relação à mecânica.

A Troca térmica

Tecnologia mecânica


fluido escoa perpendicular ao outro, conforme a Figura 3-1.

Embutimento e corte da colméia de um radiador mecânico.

Durante a transferência térmica, o líquido troca calor por convecção e condução com a


troca calor por convecção com o ar, conforme representação esquemática da

25

ISSÃO DE CALOR

: MECÂNICA E BRASADA


superior eficiência do processo de


Embutimento e corte da colméia de um radiador mecânico.

o líquido troca calor por convecção e condução com a


vecção com o ar, conforme representação esquemática da

Figura 3-

Dessa maneira tem-se uma condição perfeita de troca térmica, como pode ser visto na

Figura 3-2. Observa-se que o contato entre o tubo e a aleta é fundamental para que a troca

térmica por condução aconteç

Mas nem sempre existe um contato perfeito entre as partes metálicas. Como

Capítulo 2, na confecção do feixe

processo que fazem com que o contato entre o tubo e a

de contato pode ser ocasionad

expansão inadequada do tubo

problemas levantados no item

Figura 3-3 – Na ponta da aleta não existe contato com o tubo (a), não existe contato entre tubo e aleta (b).

-2 – Esquema das trocas térmicas no radiador mecânico

se uma condição perfeita de troca térmica, como pode ser visto na

se que o contato entre o tubo e a aleta é fundamental para que a troca

térmica por condução aconteça da maneira eficiente.

Mas nem sempre existe um contato perfeito entre as partes metálicas. Como

na confecção do feixe de tubos (item 2.1.1.3), existem algumas variáveis de

processo que fazem com que o contato entre o tubo e a aleta não seja perfeito.

pode ser ocasionada por má formação da gola, devido à presença de rebarbas,

do tubo, entre outros, como mostra a Figura 3

problemas levantados no item 2.1.1.3, interferem diretamente na troca térmica do radiador.

Na ponta da aleta não existe contato com o tubo (a), não existe contato entre tubo e

26

mecânico.

se uma condição perfeita de troca térmica, como pode ser visto na

se que o contato entre o tubo e a aleta é fundamental para que a troca

Mas nem sempre existe um contato perfeito entre as partes metálicas. Como visto no

, existem algumas variáveis de

não seja perfeito. Esta ausência

gola, devido à presença de rebarbas, ou a

como mostra a Figura 3-3. Os principais

diretamente na troca térmica do radiador.

Na ponta da aleta não existe contato com o tubo (a), não existe contato entre tubo e

Na Figura 3-2 pode ser verificada uma redução significativa na área de contato, onde é

possível perceber também um distanciamento do tubo com a gola da aleta. Ainda, podem

ocorrer casos, no qual é possível verificar uma distância de até 2 mm da gola com o

neste caso não existe troca térmica por condução. Esta imperfeição do produto, conseqüência

do processo de fabricação, faz com que o radiador tenha diminuição de sua eficiência com

relação àquelas fornecidas por ensaios de bancada.

A eficiência do radiador pode ser melhorada através de algumas ações como, por

exemplo, aumentar a área do feixe, acrescentando mais tubos, conseqüentemente existirá um

aumento no comprimento das aleta, o que, por conseguinte, promoverá um aumento na área

de troca térmica do radiador. No caso do radiador específico deste trabalho, esta alternativa

não é passível de execução devido ao reduzido espaço físico do radiador dentro do aparelho

de ar condicionado.

Uma ação possível, e que não causa impacto no

nos tubos. Estes turbuladores, em forma de espiral, são introduzidos dentro dos tubos, para

fazer com que o líquido percorra o tubo alterando o regime de seu fluxo de laminar para

turbulento, como mostrado na Figura 3

Figura 3

No regime laminar o fluido escoa com uma velocidade que aumenta gradualmente da

superfície do tubo para o centro, não há mistura do fluido, pois as linhas de corrente não se

cruzam, e a transferência de

regime turbulento a velocidade aumenta bruscamente logo após a camada limite viscosa e as

linhas de corrente do fluxo são irregulares fazendo com que o fluido troque calor também por

convecção.

2 pode ser verificada uma redução significativa na área de contato, onde é


ocorrer casos, no qual é possível verificar uma distância de até 2 mm da gola com o



relação àquelas fornecidas por ensaios de bancada.

adiador pode ser melhorada através de algumas ações como, por



do radiador. No caso do radiador específico deste trabalho, esta alternativa


Uma ação possível, e que não causa impacto no packaging, é a utiliz



turbulento, como mostrado na Figura 3-4.

Figura 3-4 – Esquema do escoamento do fluido.



cruzam, e a transferência de calor é predominantemente por condução. Enquanto que no



27

2 pode ser verificada uma redução significativa na área de contato, onde é


ocorrer casos, no qual é possível verificar uma distância de até 2 mm da gola com o tubo,



adiador pode ser melhorada através de algumas ações como, por



do radiador. No caso do radiador específico deste trabalho, esta alternativa


, é a utilização de turbuladores





calor é predominantemente por condução. Enquanto que no



No caso do regime turbulento, a perda de carga ocorrerá do lado do líquido, mas como

este fluxo é oriundo do líquido do motor, não existe uma perda de carga muito grande ao

passar pelo radiador, o que possibilita facilmente a aplicação de turbuladores.

3.1.2 Tecnologia brasada

A troca térmica na tecnologia brasada tem o mesmo conceito da tecnologia mecânica, um

fluxo perpendicular ao outro, como observado na Figura 3

eficiência de 19% (1,1 KW)

Figura 3-5 – Esquema de fluxo de líquido e de ar através da seção do trocador.

Os mesmos modos de transferência de calor observados no sistema mecânico ocorrem no

sistema brasado, onde o líquido troca calor por convecção com a parede do tubo qu

vez, transfere calor por condução do tubo para a aleta e esta, finalmente, troca calor por

convecção com o ar, como apresentado na Figura 3

so do regime turbulento, a perda de carga ocorrerá do lado do líquido, mas como



Tecnologia brasada


fluxo perpendicular ao outro, como observado na Figura 3-5. Esta tecnologia apresenta uma

eficiência de 19% (1,1 KW) maior que a tecnologia mecânica.

Esquema de fluxo de líquido e de ar através da seção do trocador.


sistema brasado, onde o líquido troca calor por convecção com a parede do tubo qu


convecção com o ar, como apresentado na Figura 3-6.

28

so do regime turbulento, a perda de carga ocorrerá do lado do líquido, mas como




5. Esta tecnologia apresenta uma

Esquema de fluxo de líquido e de ar através da seção do trocador.


sistema brasado, onde o líquido troca calor por convecção com a parede do tubo que, por sua


Figura 3.6

O que faz com que esta tecnologia

existente entre tubo e aleta, no contato mecânico mostrado. No caso da tecnologia mecânica,

em muitos pontos não ocorre contato entre as partes metálicas e em outros o contato é muito

pequeno. Este tipo de problema não ocorre na tecnologia brasada, onde é possível obter um

contato maior e mais homogêneo entre o tubo e a aleta, como mostrado na Figura 3

Figura

Figura 3.6 – Esquema das trocas térmicas no radiador brasado

O que faz com que esta tecnologia seja mais eficiente que a mecânica é o contato



oblema não ocorre na tecnologia brasada, onde é possível obter um

contato maior e mais homogêneo entre o tubo e a aleta, como mostrado na Figura 3

3-7 - Contato entre tubo e aleta na tecnologia brasada.

29

Esquema das trocas térmicas no radiador brasado.

seja mais eficiente que a mecânica é o contato



oblema não ocorre na tecnologia brasada, onde é possível obter um

contato maior e mais homogêneo entre o tubo e a aleta, como mostrado na Figura 3-7.

Contato entre tubo e aleta na tecnologia brasada.

Na Figura 3-8 é possível observar na comparação do contato entre tubo e aleta das duas

tecnologias. Apesar de existir uma área de contato, praticamente com a mesma dimensão

entre os dois radiadores, pode

mecânico existe um pequeno espaço, o que diminui a área de troca térmica por condução.

Figura 3-8 - A: contato tubo aleta radiadortubo e a aleta; B: contato tubo

Diante desse fato, é possível entender porque a transmissão de calor na tecnologia

brasada é mais eficiente que a correspondente na mecânica. Porém a tecnologia mecânica

permite grande flexibilidade na adequação do componente p

eficiência. O simples fato da inserção de um turbulador, na tubulação do radiador permite que

o componente atinja resultados de eficiência mais satisfatórios para a aplicação.

possível observar na comparação do contato entre tubo e aleta das duas


entre os dois radiadores, pode-se observar que o contato brasado é mais homogêneo, e o

ste um pequeno espaço, o que diminui a área de troca térmica por condução.

A: contato tubo aleta radiador mecânico – é possível visualizar um espaço entre o B: contato tubo aleta radiador brasado - o contato entre as partes é perfeita.



permite grande flexibilidade na adequação do componente para se atingir níveis maiores de



30

possível observar na comparação do contato entre tubo e aleta das duas


se observar que o contato brasado é mais homogêneo, e o

ste um pequeno espaço, o que diminui a área de troca térmica por condução.

é possível visualizar um espaço entre o entre as partes é perfeita.



ara se atingir níveis maiores de



31

4 CAPÍTULO

A SUBSTITUIÇÃO DO RADIADOR BRASADO PELO MECÂNICO

A decisão de se substituir a tecnologia de um radiador brasado por uma de radiador

mecânico, na caixa de ar é baseada em estudos detalhados do componente. Tão importante

quanto o estudo da eficiência térmica das diferentes tecnologias, como será visto neste

capítulo, os testes de durabilidade devem ser realizados e aprovados conforme norma interna

da empresa VALEO, (NORMA PDT NVF 10 001, revisão C de 04/09/2002). Esta norma

interna específica também os testes que devem ser realizados.

Cabe ao engenheiro de projeto determinar quais ensaios serão necessários para a

validação do componente. Este capítulo será dividido em duas partes; na primeira serão

apresentados os ensaios mecânicos e na segunda parte os ensaios térmicos.

A fim de melhorar a compreensão dos ensaios, serão abordados, primeiramente, os

ensaios mecânicos e posteriormente, os ensaios térmicos. Na prática são realizados na

seqüência inversa a aqui apresentada, pois é necessário primeiramente obter uma boa

eficiência térmica para posteriormente ser avaliado o componente mecanicamente.

4.1 Testes Mecânicos

Testes de durabilidade mecânica conforme NORMAL INTERNA PDT NVF 10 001

revisão C de 04/09/2002.

4.1.1 Pressão Ciclada

O Objetivo deste teste é simular a pressão que é exercida sobre o componente durante a

circulação do líquido em seu interior. Para a realização deste ensaio é necessário que o

radiador seja primariamente submetido a um teste de estanqueidade.

32

4.1.1.1 Ensaio de estanqueidade

• Equipamento apresentado na Figura 4-1, tanque de estanqueidade MURI;

Figura 4-1 – Tanque de estanqueidade.

Para a realização deste ensaio são necessários os seguintes preparativos:

• As amostras devem estar montadas na mesma posição de instalação no veículo

(horizontal);

• Com um dos bocais do radiador vedado, submetê-lo a pressão de 3,5 bar, com ar

comprimido, sob água, durante 3 minutos;

• A realização do ensaio é a temperatura ambiente;

• Como critério de aprovação não poderá ocorrer vazamento visível (bolhas) sob água.

4.1.1.2 Ensaio de ciclo de pressão

• Número de amostras: Duas amostras mecânicas e duas amostras brasadas;

• Equipamento de teste: máquina de pressão ciclada;

• Fluído de teste: 100% etileno glicol;

• Pressão do teste: Pmin = 0,2 ± 0,1 bar; Pmax = 2,5 ± 0,1 bar;

• Temperatura do fluido: 130 ± 3 ºC;

• Quantidade de ciclos: 1.000.000 ciclos;

• Freqüência de teste: 36 ± 01 com (ciclos por minuto);

• Curva definida por norma: Figura 4-2.

• Critério de aprovação: após a conclusão dos ciclos as amostras dever

e aprovadas novamente no ensaio de estanqueidade, conforme condições já descritas

no pré-teste.

• Resultados: todas as amostras excederam 1.000.000 de ciclos e submetidas ao ensaio

de estanqueidade não apresentaram vazamento durante o test

Após a realização do ensaio de estanqueidade as amostras retornaram para o teste de

pressão ciclada para realizar o monitoramento do máximo de ciclo que cada tecnologia

suportaria, os dois tipos de radiadores falharam na junção do tubo com o coletor

limite mínimo estipulado pela norma e

quantidade de ciclos alcançada por ambos foram:

• Radiador brasado: 1.203.137 CICLOS

• Radiador mecânico: 1.050.566 CICLOS

4.1.2 Choque térmico

O objetivo deste ensaio é avaliar a resistência do radiador sob ciclos de choque térmico

pela circulação de fluido. No caso específico deste ensaio, este foi realizado pelo laboratório

de teste prestador de serviço chamado SERCOVAN com sede na França

A empresa realizou somente os ensaios de estanqueidade pré e pós

Para a realização deste ensaio é necessário que o radiador seja primariamente submet

teste de estanqueidade conforme item 4.1.1.1.

Figura 4-2 – Gráfico de pressão por tempo.

Critério de aprovação: após a conclusão dos ciclos as amostras dever


todas as amostras excederam 1.000.000 de ciclos e submetidas ao ensaio

de estanqueidade não apresentaram vazamento durante o teste.



suportaria, os dois tipos de radiadores falharam na junção do tubo com o coletor

mínimo estipulado pela norma e, portanto, ambos foram satisfatoriamente aprovados. A

quantidade de ciclos alcançada por ambos foram:

Radiador brasado: 1.203.137 CICLOS

Radiador mecânico: 1.050.566 CICLOS

Choque térmico

saio é avaliar a resistência do radiador sob ciclos de choque térmico


de teste prestador de serviço chamado SERCOVAN com sede na França

mpresa realizou somente os ensaios de estanqueidade pré e pós- teste.

Para a realização deste ensaio é necessário que o radiador seja primariamente submet

teste de estanqueidade conforme item 4.1.1.1.

33

Critério de aprovação: após a conclusão dos ciclos as amostras deverão ser submetidas


todas as amostras excederam 1.000.000 de ciclos e submetidas ao ensaio



suportaria, os dois tipos de radiadores falharam na junção do tubo com o coletor além do

, portanto, ambos foram satisfatoriamente aprovados. A

saio é avaliar a resistência do radiador sob ciclos de choque térmico


de teste prestador de serviço chamado SERCOVAN com sede na França na cidade de Cestas.

teste.

Para a realização deste ensaio é necessário que o radiador seja primariamente submetido a um

34

4.1.2.1 Ensaio de choque térmico

• Número de amostras: uma amostra mecânica e uma amostra brasada;

• Equipamento de teste: caixa de proteção; sensor de pressão BOURDON 0 – 10 bar;

termopares tipo T; medidor de vazão DANFOSS 0 – 10000 l/h;

• Fluído de teste: 100% mono etileno glicol (tanque frio 50% - tanque quente 50%);

• Pressão do teste: 1 ± 0.5 bar;

• Temperatura do fluido: tanque frio T1 = -40 ºC; tanque quente T2 = + 120 ºC

• Quantidade de ciclos: 250 ciclos;

• Curva do ensaio: Na Figura 4-3 apresenta os resultados do ensaio de choque térmico

para: (a) ciclo brasado e (b) ciclo mecânico. As amostras foram submetidas

primeiramente a um ciclo quente (+120 ºC) e completando a seqüência de ensaio ao

ciclo frio (-40 ºC) com um pico máximo de pressão de 1,1 bar.

Figura 4-3 – (a) Ciclo brasado:ensaio.

Figura 4-3 – (b) Ciclo mecânico: gráfico do ciclo térmico gerado pela câmara de teste durante o ensaio.

• Critério de aprovação: as amostras deverão ser submetidas e aprovadas

ensaio de estanqueidade, conforme condições já descritas no pré

• Resultados: todas as amostras atingiram 250 ciclos conforme curva do ensaio Figura

4-3 e submetidas ao ensaio de estanqueidade não apresentaram vazamento durante o

teste de estanqueidade

(a) Ciclo brasado: gráfico do ciclo térmico gerado pela câmara de teste durante o

(b) Ciclo mecânico: gráfico do ciclo térmico gerado pela câmara de teste durante o

Critério de aprovação: as amostras deverão ser submetidas e aprovadas

ensaio de estanqueidade, conforme condições já descritas no pré-

todas as amostras atingiram 250 ciclos conforme curva do ensaio Figura

3 e submetidas ao ensaio de estanqueidade não apresentaram vazamento durante o

estanqueidade conforme item 4.1.1.1.

35

gráfico do ciclo térmico gerado pela câmara de teste durante o

(b) Ciclo mecânico: gráfico do ciclo térmico gerado pela câmara de teste durante o

Critério de aprovação: as amostras deverão ser submetidas e aprovadas novamente ao

-teste;

todas as amostras atingiram 250 ciclos conforme curva do ensaio Figura

3 e submetidas ao ensaio de estanqueidade não apresentaram vazamento durante o

36

4.1.3 Estouro

O Objetivo deste teste é simular e monitorar a máxima pressão que o componente pode

suportar antes do rompimento mecânico.

Para a realização deste ensaio é necessário que o trocador seja primariamente

submetido a um teste de estanqueidade

4.1.3.1 Ensaio de estouro

• Número de amostras: duas amostras mecânicas e duas amostras brasadas;

• Equipamento de teste: Tanque de estanqueidade MURI;

• Fluído de teste: ar;

• Temperatura do fluido: 23 ± 5 ºC;

• Pressão de resistência: sem ocorrer estouro: incrementar pressão a taxa de 5 bar/

minuto até 8 bar, permanecer durante 1 minuto, continuar o ensaio até a máxima

pressão;

• Curva definida por norma: Figura 4-4;

Figura 4-4- Curva de estabilização.

• Critério de aprovação: Não poderá ocorrer vazamento de água com pressão inferior a 8

bar;

37

• Resultados: todas as amostras suportaram a pressão de 8 bar por 1 minuto de teste. O

radiador brasado suportou uma pressão 50% maior que o mecânico. Ambos radiadores

falharam na junção do tubo com o coletor.

4.1.4 Corrosão

Este ensaio tem como objetivo avaliar a resistência do material em um ambiente salino.

Para a realização deste ensaio é necessário que o radiador seja primariamente submetido a

um teste de estanqueidade conforme item 4.1.1.1.

4.1.4.1 Ensaio de corrosão

• Número de amostras: uma amostra mecânica e uma amostra brasada;

• Equipamento de teste: Câmara EQUILAM 1000L;

• Solução de teste: Concentração da solução 5 ± 1 % NaCl; pH da solução 6,5 – 7,2;

• Temperatura da câmara: 35 + 1,1 ºC; 35 – 1,7 ºC;

• Temperatura do saturador: 48 – 49 ºC;

• Duração do ensaio: 96 horas;

• Critério de aprovação: as amostras não poderão apresentar corrosão vermelha e

deverão ser submetidas e aprovadas novamente ao ensaio de estanqueidade, conforme

condições já descritas no pré-teste;

• Resultados: as amostras foram submetidas ao ensaio de estanqueidade e não

apresentaram vazamentos. Oxidação leve em todos os componentes, ausência de

oxidação vermelha em coletores, aletas e tubos.

A partir dos resultados dos ensaios, foi possível comprovar que apesar das duas

tecnologias apresentarem falhas num mesmo ponto comum, como descrito nos itens 4.1.1.2 e

4.1.3.2, ou seja, na região do tubo com o coletor, o radiador brasado obteve um desempenho

nos testes de durabilidade superior ao radiador mecânico. Isso acontece porque na tecnologia

mecânica a união do tubo com o coletor é devido apenas à expansão da extremidade do tubo,

e interferência do tubo com a junta de borracha, conforme apresentado no item 2.1.1.4. Já na

tecnologia brasada esta união é realizada pelo processo de brasagem de todo o conjunto

colméia mais coletor, como apresentado no item 2.2.1.2

robusta o suficiente para suportar pressões maiores que a tecnologia mecânica.

4.2 Eficiência T érmica

A principal função do teste é a quantificação da troca térmica gerada pelo radiador de

aquecimento. Esse ensaio é realizado no banco aerotérmico, onde é possível o controle da

umidade, temperatura e pressão do ar, vazão e temperatura do líquido, et

do ensaio posiciona-se o componente na janela de teste, perpendicular ao fluxo de ar,

direciona-se então o ar somente na colméia do componente, os termopares serão posicionados

para o monitoramento da temperatura, de acordo com a Figur

é possível mensurar a potência dissipada pelo radiador.

Figura 4-

4.2.1 Eficiência calorífica

Este ensaio é realizado de acordo com a

revisão C de 04/09/2002, e MODO OPERATÓRIO DO BANCO TÉRMICO

24/09/2007. Detalhes do teste não foram autorizados pelo departamento de engenharia da

empresa VALEO por se tratar de segredo industrial.

mo apresentado no item 2.2.1.2 e, portanto, a tecnologia brasada é


érmica



umidade, temperatura e pressão do ar, vazão e temperatura do líquido, et

se o componente na janela de teste, perpendicular ao fluxo de ar,

se então o ar somente na colméia do componente, os termopares serão posicionados

para o monitoramento da temperatura, de acordo com a Figura 4-5. Assim, conhecendo o

é possível mensurar a potência dissipada pelo radiador.

-5 - Posicionamento do radiador no banco aerotérmico

Eficiência calorífica

do de acordo com a NORMAL INTERNA

, e MODO OPERATÓRIO DO BANCO TÉRMICO

Detalhes do teste não foram autorizados pelo departamento de engenharia da

empresa VALEO por se tratar de segredo industrial.

38

portanto, a tecnologia brasada é




umidade, temperatura e pressão do ar, vazão e temperatura do líquido, etc. Para a realização

se o componente na janela de teste, perpendicular ao fluxo de ar,

se então o ar somente na colméia do componente, os termopares serão posicionados

5. Assim, conhecendo o ∆T

no banco aerotérmico.

NORMAL INTERNA, PDT NVF 10 001,

, e MODO OPERATÓRIO DO BANCO TÉRMICO, IT-EXP-001 de

Detalhes do teste não foram autorizados pelo departamento de engenharia da

39

• Número de amostras: uma mecânica e uma brasada;

• Equipamento de teste: Banco Aerotérmico ATB2; Termopares tipo K;

• Fluído de teste: 100% água;

• Temperatura do fluido: entrada do ar 25 ºC; entrada do líquido 85 ºC;

• Vazão do ar: 360 Kg/h;

• Vazão do líquido: 600 l/h;

• Critério de aprovação: não há critério de aprovação específico, cada projeto possui um

objetivo de eficiência relacionada à temperatura de saída do ar na colméia, de acordo

com especificação do cliente a que se destina. No caso do estudo o objetivo foi

aproximar, ao máximo o valor de 74,2 ºC, determinado por meio de ensaios no

radiador brasado.

• Resultados: a potência do radiador é calculada conforme NORMA PDT NVF 10 001,

revisão C de 04/09/2002.

Todos os dados que compõe a tabela foram coletados automaticamente pelo banco

aerotérmico, conforme Tabela 4-1.

Tabela 4-1 – Valores obtidos nos ensaios de desempenho.

ENSAIO RADIADOR BRASADO TEMPERATURA DO AR NA SAÍDA DA COLMÉIA 74,2º - ATUAL Qar Qar Var Dpar Dp 20 Qliq Dpliq Tar Tliq Dtliq Pot T ar out

(m³/h) (Kg/h) (m/s) (daPa) (daPa) (l/h) (daPa) (°C) (°C) (°C) (KW) °C 304,6 360,8 3,1 20,6 18,4 595,7 378,2 27,6 85,6 7,9 5,9 74,2

ENSAIO RADIADOR MECÂNICO (8 Tubos c/ Turbulador ) TEMPERATURA DO AR SAÍDA DA COLMÉIA 70,9º - PROPOSTA 1

Qar Qar Var Dpar Dp 20 Qliq Dpliq Tar Tliq Dtliq Pot T ar out (m³/h) (Kg/h) (m/s) (daPa) (daPa) (l/h) (daPa) (°C) (°C) (°C) (KW) °C

303,1 359,0 3,3 20,7 18,9 601,3 572,4 26,3 86,8 6,4 4,6 70,9 Diferença do atual -21,9% -4,4%

ENSAIO RADIADOR MECÂNICO (9Tubos c/ Turbulador ) TEMPERATURA DO AR NA SAÍDA DA COLMÉIA 70º - PROPOSTA 2

Qar Qar Var Dpar Dp 20 Qliq Dpliq Tar Tliq Dtliq Pot T ar out (m³/h) (Kg/h) (m/s) (daPa) (daPa) (l/h) (daPa) (°C) (°C) (°C) (KW) °C

303,6 359,7 3,0 17,5 16,0 598,3 550,2 27,4 84,3 6,2 4,8 70,0 Diferença do atual -19,3% -5,7%

40

Pode-se observar na Tabela 4-1 que os valores obtidos no ensaio de eficiência ou eficácia

térmica do radiador brasado, alcançaram os 74,2°C de temperatura do ar na saída da colméia

do radiador a uma potência de 5,9KW.

• Proposta 1: radiador mecânico com 8 tubos e com turbulador; atingiu 70,9°C de

temperatura do ar na saída da colméia, ou seja, 4,4% inferior ao brasado com uma

potência de 4,6 KW, 21,9% inferior ao radiador atual;

• Proposta 2: radiador mecânico com 9 tubos e com turbulador; atingiu 70,0°C de

temperatura do ar na saída da colméia, ou seja, 5,7% inferior ao brasado com uma

potência de 4,8 KW, 19,3% inferior ao atual;

Apesar da proximidade nos valores encontrados entre a proposta 1 (radiador com 8 tubos)

e a proposta 2 (radiador com 9 tubos), torna-se mais viável ao projeto, a utilização do radiador

com 9 tubos, que obteve valores de performance próximos ao radiador com 8 tubos. Outro

fator importante na decisão é o fato do radiador com 8 tubos não estar em produção, sendo,

portanto, necessário o desenvolvimento de toda uma linha de radiador mecânico para a

fabricação deste componente.

Já o radiador com 9 tubos encontra-se em produção, porém atualmente não utiliza

turbuladores em sua linha, então será necessário a introdução de mais uma operação no

processo de fabricação do radiador.

5 CAPÍTULO

ANÁLISE TÉCNICA E FI

5.1 Modificações e custos

5.1.1 Modificações

Depois de todos os testes

modificações necessárias para a adaptação do radiador na caixa de ar.

A Figura 5-1 mostra a região onde o radiador é montado na caixa de ar. Esta região

deverá ser adaptada para receber o radiador mec

Figura 5

ANÁLISE TÉCNICA E FI NANCEIRA

Modificações e custos

Depois de todos os testes realizados e aprovados conforme normas são definidas as

modificações necessárias para a adaptação do radiador na caixa de ar.

1 mostra a região onde o radiador é montado na caixa de ar. Esta região

deverá ser adaptada para receber o radiador mecânico.

Figura 5-1 – Detalhe do radiador dentro da caixa de ar.

41

realizados e aprovados conforme normas são definidas as

1 mostra a região onde o radiador é montado na caixa de ar. Esta região

Detalhe do radiador dentro da caixa de ar.

42

(a) (b)

Figura 5-2 – Radiador brasado (a) e radiador mecânico (b).

De acordo com o dimensional da Tabela 5-1:

Tabela 5-1 – Dimensões funcionais do radiador.

O radiador brasado possui dimensões funcionais maiores no comprimento e na largura e

menores na espessura da colméia. Com base nestes dados, a modificação será realizada da

seguinte forma:

• Nervuras serão criadas na região inferior da caixa de ar a fim de reduzir o

espaço entre o radiador e a caixa de ar;

• Nervuras serão criadas na lateral da caixa para reduzir o espaço entre a lateral

da caixa e o radiador;

• O espaço de encaixe será expandido para compensar o aumento na espessura

do componente;

• Um perfil será criado na região superior para a correta fixação do componente

dentro da caixa de ar

Figura 5-2 - (a) RADIADOR BRASADO

Dimensão da colméia do radiador 168.7 mm 166.7 mm 37 mm

Área funcional da superfície: 2.8 dm²

Figura 5-2 - (b) RADIADOR MECÂNICO Dimensão da colméia do radiador 157 mm 161 mm 42 mm

Área funcional da superfície: 2,5 dm²

Figura 5

Tais adaptações são extremamente necessárias para um perfeito encaixe do radiador, pois,

além de permitirem a montagem do componente, evitam que pequenos espaços, providos

pelas diferenças dimensionais, entre a caixa e o radiador, possa

quando a caixa estiver operando no regime completamente frio (ar condicionado na posição

ligado).

5.1.2 Investimentos

Na Tabela 5-2, encontram

realização da substituição do

parte de engenharia e a modificação do ferramental necessário ao processo de fabricação.

Tabela 5-2 – Valores para a implantação da modificação

Protótipo em SLSHoras de engenhariaTeste de validação em bancada

Molde

TOTAL

Figura 5-3 – Região superior e inferior do molde.



pelas diferenças dimensionais, entre a caixa e o radiador, possam causar fuga de ar quente


Investimentos

2, encontram-se os valores dos custos e investimentos necessários para a

realização da substituição do radiador brasado pelo mecânico. Nestes custos, estão inclusos a


Valores para a implantação da modificação.

R&D Protótipo em SLS

R$ 140.000,00 de engenharia Teste de validação em bancada

INVESTIMENTOS

R$ 250.000,00

R$ 390.000,00

43



m causar fuga de ar quente


se os valores dos custos e investimentos necessários para a

radiador brasado pelo mecânico. Nestes custos, estão inclusos a


R$ 390.000,00

44

5.1.3 Retornos estimados

As estimativas de retornos financeiros encontram-se na Tabela 5-3, onde estes valores

baseiam-se num volume de produção anual equivalente a 50.000 carros por ano.

Tabela 5-3 – Estimativa de retorno financeiro.

Volume atual do projeto 50.000/ ano Redução no custo por unidade -R$ 9,50 Redução por ano -R$ 475.000,00 Pay back 9 meses Expectativa de aumento até dezembro de 2009 + 70.000/ano

45

6 CONCLUSÃO

Pela alteração da tecnologia de radiador brasado pela tecnologia de radiador mecânico,

são possíveis de serem obtidos os seguintes benefícios:

• Processo de produção mais simples e rápido e eficiente;

• Baixo custo de produção;

• Redução nos impactos ambientais;

• A eficiência térmica, em alguns casos, é muito próxima àquela da tecnologia

brasada;

• A durabilidade do componente encontra-se dentro das especificações

estabelecidas nas normas industriais da VALEO (nome da empresa completo);

• Haverá uma redução significativa no custo do produto final;

As principais limitações da tecnologia mecânica em relação à brasada, podem ser citadas

como sendo:

• Queda brusca na eficiência térmica do radiador caso não haja um controle

robusto no processo de fabricação do feixe devido à instabilidade natural do

processo de fabricação;

• Necessidade de grandes modificações no componente para se obter elevadas

eficiências térmicas;

• O processo de fabricação não permite a completa automação das operações de

fabricação;

• Existe uma perda considerável de material durante a estampagem;

• A resistência mecânica do componente é consideravelmente inferior ao radiador

brasado.

A substituição da tecnologia brasada pela mecânica está baseada em diversas situações do

projeto, algumas das quais para se atingir um desempenho menor, caso ocorra um super

dimensionamento do componente, ou em outras, como apresentado neste projeto, na redução

46

dos custos do componente final com pequena perda de eficiência térmica e resistência

mecânica.

Desta forma, com a substituição proposta, pode-se atingir níveis de desempenho térmico

próximos ao radiador de tecnologia brasada, o que fará com a eficácia do componente final

tenha uma redução aproximada de 4 °C no produto final. Todavia, haverá concomitantemente

uma redução nos custos na ordem de R$ 475.000,00/ ano, conforme apresentado na Tabela 5-

3. Conseqüentemente, baseando-se nos dados técnicos e financeiros apresentados neste

trabalho, conclui-se que a substituição da tecnologia brasada pela mecânica na fabricação dos

radiadores de caixa de ar condicionado veicular, vulgo HEATERS, se torna viável tanto do

ponto de vista da competitividade mercantil quanto sob a ótica ambiental de produção mais

limpa.

47

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ÖZIŞIK, M. NECATI.; Transferência de Calor: Um texto Básico, Rio de Janeiro:

Guanabara Koogan S. A, 1990.

[2] KREITH, FRANK.; Princípios da Transmissão de Calor, 3. ed. São Paulo: EDGAR

BLÜCHER LTDA, 1969.

[3] INCROPERA, FRANK P.; DEWITT, DAVID.; Fundamentos de Transferência de

Calor e Massa, 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1998.

[4] GORDON VAN WYLEN.; Fundamentos da Termodinâmica Clássica – Tradução da

4ª Edição. 4. ed. São Paulo: EDGAR BLÜCHER LTDA, 2003

[5] KAYS, W. M.; LONDON, A.L.; Compact Heat Exchangers, 3. ed.: McGRAW-HILL,

1984.

[6] VERSTEEG, H.; MALALASEKERA, W.; An introduction to computational fluid

dynamics: The finite volume method. Ed: Longman Scientific & Techinical, 1995.

[7] MIDDLEMAN, STANLEY.; An introduction to mass and heat transfer: principles of

analysis and design. New York: John Wiley, 1998.

[8] MORAN, M..; SHAPIRO, H.; Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

[9] LAMARTINE, BEZERRA DA CUNHA.; Conformação plástica dos metais:

introdução e trefilação: notas de aula. Itatiba: Universidade São Francisco, 1992.

Apostila.

[10] VALEO SISTEMAS AUTOMOTIVOS.; Norma interna, PDT NVF 10 001, revisão C,

2002.

48

[11] VALEO SISTEMAS AUTOMOTIVOS.; Norma Interna, PDT KHD, revisão A, 2000.

[12] VALEO SISTEMAS AUTOMOTIVOS.; Modo Operatório do Banco Térmico, IT-EXP-

001, 2007.

[13] A Discovery Company. How Car Cooling Systems Work. Disponível em:

http://auto.howstuffworks.com/cooling-system.htm. Recuperado em 05/11/2008.

curso de engenharia mecânica – automação e sistemas...

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