SISTEMAS DE REFRIGERAO DOS MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Introduo A presena de um sistema de refrigerao fundamental nos motores de combusto interna pois a queima do combustvel nos cilindros liberta grande quantidade de calor o que conduziria deformao e "gripagem" dos rgos do motor; o rendimento mximo dos motores de ciclo Diesel de 35% o que significa que 65% da energia dissipada nos gases de escape e pelo sistema de refrigerao.

Sistemas de refrigerao Relativamente aos diferentes tipos de sistemas de refrigerao estes so divididos conforme o fludo transportador de calor em: - por gua; - por ar; - por leo.

Sistemas de refrigerao indireta por gua Nos motores refrigerados por gua o bloco motor e a cabea do motor apresentam cavidades, por onde circula a gua, que esto ligadas a um radiador, por onde se perde a maior parte do calor; esta perda acelerada pela corrente de ar promovida pelo ventilador e pela bomba de gua que aumenta a velocidade de deslocamento desta (refrigerao por circulao forada); o deslocamento da gua provocado apenas pela diferena de temperatura no suficiente.

Figura 1- Representao de um circuito de refrigerao por gua de um motor de quatro cilindros.1- Tampo 2- Radiador 3- Ligao de borracha 4- Termstato 5- Bomba de gua 6- Circulao de gua 7- Palhetas 8- Ventilador 9- Torneira 10- Ligao de borracha.

Nestes sistemas as camisas hmidas dos cilindros tm um efeito insonorizante sendo a gua utilizada para aquecimento da cabine. Relativamente ao radiador, que funciona assim como um permutador de calor onde a gua quente arrefecida pelo ar, apresenta um grande nmero de pequenos canais por onde aquela passa. Este elemento apresenta dois depsitos, um superior e outro inferior, entrando no primeiro a gua proveniente do motor, saindo do segundo a gua para o motor; estes depsitos esto ligados por pequenos tubos, que podem ser planos, ter palhetas ou em forma de ninho de abelhas, que so atravessados pelo ar.

Figura 2- Esquema de um radiador A- Vista geral de um radiador B- Corte transversal de um radiador 1- Tubo de descarga.

Como se pode observar na figura 2 o radiador para alm do tampo de enchimento, tem uma torneira colocada no fundo do depsito inferior, para vazamento do lquido, e um tubo de descarga para que a gua em excesso saia e se mantenha a comunicao com a atmosfera; nos circuitos selados este tubo est ligado ao vaso de expanso. O tampo de enchimento apresenta uma vlvula que impede a comunicao do interior do radiador com o tubo de descarga, fazendo com que exista uma certa presso no interior do radiador o que permite uma elevao da temperatura de ebulio, diminuindo as perdas das solues anticongelantes. O ventilador, cuja funo forar a passagem de ar pelo radiador, encontra-se geralmente montado na extremidade anterior do mesmo veio da bomba de gua, que tem tambm um tambor de gornes (polea trapezoidal) que acionado por uma outra correia montada na extremidade anterior da cambota, atravs de uma correia trapezoidal, que aciona tambm o alternador. Nos automveis mais recentes o acionamento da ventoinha feita electricamente a partir de determinada temperatura no circuito de refrigerao. Em relao s bombas de gua, que so geralmente do tipo centrfugo, so constitudas por um tambor com palhetas, que roda dentro de um corpo (crter), entrando a gua pelo centro sendo projectada, pela fora centrfuga, para a periferia por onde sai para a conduta que a leva ao motor.

Figura 3- Representao da bomba de gua. 1- Rolamentos 2- Corpo da bomba 3- Turbina 4- Mola 5- Eixo 6- Sada da gua 7- Manga de apoio 8- Ventilador 9- Polea.

Para alm dos elementos mencionados existe uma vlvula acionada por um termstato que a mantm fechada, quando a temperatura da gua inferior a 85o, abrindo-a para temperaturas superiores; quando a vlvula se encontra aberta a gua passa para o radiador. O termstato, que est colocado na conduta que liga a cabea do motor parte superior do radiador, permite assim que o motor atinja mais rapidamente a temperatura de funcionamento, mantendo-a depois constante. A indicao da temperatura de funcionamento dada por um indicador de temperatura colocado no painel de instrumentos.

Figura 4- Representao de um termstato fole 1- Vlvula 2- Conduta 3- Corpo do termstato 4- Colar 5- Fole

Relativamente aos principais tipos de termstatos existem os de fole e os de cera; o primeiro consiste de uma caixa metlica, fechada, de paredes muito delgadas, em forma de fole, que contem um lquido muito voltil, que se encontra no estado lquido a baixa temperatura mas, quando a temperatura da gua sobe, expande-se; na primeira situao o lquido no exerce nenhuma presso nas paredes mas quando a temperatura sobe exerce-se uma presso suficiente para alargar o fole. Os termstatos de cera so pouco utilizados. Do que foi exposto constata-se que o sistema de refrigerao est em comunicao com a atmosfera, para se evitar sobrepresses resultantes do aquecimento do lquido refrigerante, que conduziriam a perdas, especialmente dos produtos anticongelantes, pelo que se aconselha verificar regularmente a quantidade de gua e renov-la com certa frequncia para repor a concentrao daqueles produtos. Para evitar este problema, a aplicao de vasos de expanso (refrigerao por circulao forada com circuito selado) tem-se tornado uma prtica corrente, pois permite visualizar o nvel do lquido refrigerador e no permite perdas por evaporao; este nvel, em virtude da gua se encontrar sob presso, o que torna seguro o funcionamento do motor a 100 oC, varia em funo da dilatao e contrao da gua, no devendo, no entanto, ser inferior marca do nvel mnimo quando o motor est frio, nem superior marca do nvel mximo, quando o motor est quente. Os vasos de expanso tm uma vlvula que funciona como segurana no caso de uma sobrepresso no sistema e de reaspirao do ar para compensar a contrao da gua quando da sua refrigerao.

Figura 5- Esquema de um sistema de refrigerao por gua com o circuito selado. 1- Vlvula de sobrepresso 2- Tampo 3- Vlvula de reaspirao 4- Vaso de expanso 5- Termstato 6- Circulao de gua em volta dos cilindros 7- Radiador 8- Ventilador 9- Bomba de gua.

Relativamente aos principais cuidados de manuteno dos sistemas de refrigerao indireta por gua tem-se: - radiador (vaso de expanso): verificao peridica do nvel da gua que no radiador se deve situar 5 cm abaixo do orifcio de enchimento e no vaso de expanso nas marcas a existentes; adio de um bom anticongelante durante o Inverno e um produto antiferrugem no Vero; limpeza peridica externa dos alvolos do radiador com uma escova macia;- no deixar o sistema sem lquido pois o contacto do ar com as paredes internas dos motores acelera a sua corroso; - bomba de gua: lubrificao moderada, sob presso, com o tipo de massa consistente recomendado pelo construtor, a no ser que se trate de uma bomba pr-lubrificada (soluo mais usual nos tratores mais recentes); - correia do ventilador (ventoinha): verificao da tenso e eventual regulao segundo instrues do construtor (alterando a posio do gerador, soluo mais usual).

Figura 6- Regulao correcta da correia da ventoinha A- Posio correta B- Flexo possvel pela presso exercida mo.

A presena do ventilador, embora fundamental em todos os tipos de refrigerao tem, devido potncia mecnica necessria ao seu funcionamento, 3 a 7 % da potncia motor, sofrido vrias alteraes, nomeadamente as que se relacionam com o seu acionamento. Assim, a utilizao de embraiagens nos ventiladores e o acionamento destes apenas quando se atinge determinada temperatura, tem vindo a ser introduzidas nos sistemas de refrigerao dos tratores.

Sistema de refrigerao por ar Os sistemas de refrigerao por ar, em virtude da sua simplicidade, so utilizados geralmente em motores monocilindricos, embora alguns construtores os utilizem em tratores de potncias mais elevadas. A simplicidade destes sistemas resultam da maior segurana no funcionamento dos motores e na diminuio dos cuidados de manuteno. Nestes sistemas a necessidade de ar cerca de 30 % inferior dos sistema refrigerados a gua pois a transmisso do calor para o ambiente mais direta.

Figura 7- Sistema de refrigerao por ar 1- Cabea do motor 2- Cilindro 3- Ventilador

Este sistema consiste, fundamentalmente, em separar o bloco motor da cabea motor e munir estes elementos de vrias palhetas por forma a aumentar a rea de contacto com o ar movimentado pela ventoinha; o ar recolhido e canalizado para uma espcie de blindagem envolvente dos rgos a refrigerar, nomeadamente a cabea motor, bloco motor e colector de escape. A pea principal deste sistema o ventilador que pode ser de palhetas, produzindo uma corrente de ar paralela ao eixo de rotao (axial) ou centrfugo, em que o ar entra pelo centro e projectado para a periferia. Em relao ao seu acionamento este pode ser obtido diretamente da cambota ou utilizando uma transmisso com correias e poleas. Comparando este sistema com o da gua, embora exija menos cuidados de manuteno, no permite uma boa regulao da temperatura de funcionamento do motor e so mais ruidosos; nos motores refrigerados a ar o leo de lubrificao aquece mais pelo que a refrigerao destes motores deve ser complementada com o circuito de refrigerao de leo.Relativamente aos principais cuidados de manuteno destes sistemas tem-se: - palhetas dos cilindros: limpeza frequente com escova dura ou com gasolina utilizando um pincel limpando bem em seguida com um pano seco e absorvente; - ventilador: limpeza das ps e lubrificao dos rolamentos segundo instrues do construtor, verificando-se a tenso da(s) correias de transmisso.

Refrigerao por leo A refrigerao por leo utiliza-se geralmente para complementar a refrigerao por ar pois esta, especialmente para os motores mais potentes, no suficiente para arrefecer o topo dos cilindros. Assim, embora o circuito de lubrificao j contribua significativamente para o arrefecimento do motor, este pode ser melhorado caso se faa circular o leo em torno dos cilindros.

Figura 8- Representao de um motor refrigerado por ar e leo. 1- Cabea do motor 2- Ventilador 3- Radiador de leo 4- Cavidades de refrigerao 5- Condutas de leo 6- Filtro 7- Bomba de leo.

Em qualquer das solues utilizadas importante verificar a temperatura do motor, com a maior frequncia possvel, durante o trabalho. Uma preciosa indicao sobre esta temperatura fornecida pelo termmetro da gua ou do leo, conforme o tipo de refrigerao. Se a temperatura subir a valores perigosos (> que 100 oC) deve parar-se imediatamente o trabalho, mantendo, no entanto, o motor a trabalhar ao "ralenti" durante alguns segundos, de modo a evitar ainda maior sobreaquecimento por inrcia trmica, devendo depois parar o motor para tentar descobrir a causa do aquecimento intempestivo constatado.

Carga Trmica

A carga trmica a soma do calor produzido por vrios componentes.

Em que os subscritos CC, IC, OC E AC referem-se carga trmica da cmara de combusto, do intercooler, do resfriador do leo lubrificante e do aparelho de ar condicionado, respectivamente.Os trs primeiros termos, combinados, esto entre 60 a 94% da potncia ao freio do motor.A carga trmica do ar condicionado (a uma temperatura ambiente de 32 o C e umidade relativa de 60%) 7 kW.As temperaturas do cilindro devem ser mantidas abaixo de 220 C para que o filmede leo no se quebre.

Refrigerao guaFabricantes geralmente selecionam um fornecedor de radiadores esses fornecedores so especialistas em refrigerao.Os valores crticos tais como fluxo de gua, fluxo de ar e capacidade de troca de calor so calculados para a rotao e potncia nominal.

Fluxo de guaA capacidade de dissipao de calor de um radiador pode ser estimada pela equao:

Em que Qw o fluxo de fluido refrigerante.Fluxo do fluido refrigeranteO fluxo tpico de refrigerantes geralmente de 1,3 to 2,5 L/min/kW.No radiador ocorre uma queda de temperaturado fluido entre 3a 8C.Bombas centrfugas so usadas para circular a gua.A bomba para remover a gua localizada no bloco do cilindro.Circulao natural faz a gua subir para a parte superior do motor e deste ponto para o radiador.Projeto do RadiadorFluxos tpicos de 1,4 kg/min/tubo.A condio do fluido refrigerante est abaixo mas prximo da linha de saturao.O nmero total de tubos pode ser determinado a partir da ltima equao apresentada e da regra anterior. Os tubos tm formato retangular com relao largura/altura igual a 4:1.O espaamento entre tubos em radiadores de grande porte de 1,60 cm.As linhas dos tubos so dispostas formando um zig-zag.Os tubos podem ser colocados na forma alinhada quando for para trabalhar em ambientes com muita impureza.Aletas so usadas para aumentar a taxa troca de calor mais aletas/cm melhor.O limite mximo de espaamento entre aletas de 3,5 aletas/cm, embora possa ser reduzido para 1,5 aletas/cm em colhedoras.A rea frontal deve ser grande o necessrio para permitir a troca de calor a regra prtica 20-30 cm 2 por kW de potncia ao freio.Temperaturas dentro de um Radiador

Os circuitos de refrigerao so pressurizados para prevenir que o fluido se evapore.A temperatura limite a ser atingida pelo motor deve ser levada em considerao.O tanque do radiador deve permitir um aumento de 5% em volume para compensar a expanso devido ao aquecimento do fluido.O volume do tanque deve ser grande o suficiente para permitir 200 trocas do fluido refrigerante por minuto.

Ponto de ebulio do fluido refrigeranteO ponto de ebulio do fluido pode ser estimado por:

Em que Cconc a concentrao de etileno glicol.Os radiadores podem ser pressurizados a 100 kPa, embora 50 kPa seja mais comum.Para cada 4 kPa variao na presso do sistema ocorre uma variao de 1C na temperatura de operao.Tampa do Radiador

A tampa de radiador deve ter duas vlvulas para controlar a presso do fluido refrigerante.

Tanque para manter o radiador cheio:

Fluxo de arAr suficiente deve passar pelo radiador para realizar a troca de calor:

Em que Ear a taxa de troca de calor, e T a a variao da temperatura do ar que passa pelo radiador.

Massa especfica do arA massa especfica do ar, a, pode ser estimada por:

para as condies ambientes.Geralmente o aumento de temperatura quando o ar atravessa o radiador de 15 a 20C.Uma vez determinado o fluxo de ar, deve-se utilizar as curvas de ventiladores.As curvas de ventiladores so desenvolvidas para condies padres (101,325 kPa e 20C).

Curva do ventilador

Presso do ar em funo da altitudeA presso do ar pode ser estimada a partir da altitude do local:

Em que h a altitude em metros.Correo da potncia do ventiladorA potncia do ventilador corrigida para as novas condies pode ser obtida por:

Em que fo se referem s condies no padres e fc as condies obtidas a partir da curva de desempenho do ventilador.Leis dos ventiladoresAs leis dos ventiladores podem ser usadas para obter a condifigurao do ventilador em outras condies:

Um condutor deve ser instalado entre o radiador e o ventilador.Faz-se necessrio uma distncia mnima de 10 cm entre o ventilador e o radiador.A distncia perifrica entre o ventilador e condutor deve estar entre 0,60 a 1,25 cm.As curvas de desempenho dos ventiladores so gerada para o ventilador penetrando no condutor.O etileno glicol (C2 H6 O2) o principal fluido refrigerante usado em motores.Misturas com 50% de gua e 50% de etileno glicol so comuns.Inibitores qumicos, que so alcalinos, so adicionados para o refrigerante eliminar a formao de cidos.O etileno glicol aumenta o ponto de ebulio e diminui o ponto de congelamento.Aditivos reduzem a cavitao a maior fonte de desgaste na parede de cilindros.Outros aditivos inibem a ferrugem e a corroso.Propriedades das misturas gua + etileno glicol

Calor especfico do fluido refrigeranteO calor especfico da gua dado por:

Para uma mistura 50/50 com gua:

Em que Tw a temperatura em C.O etileno glicol diminui o calor especfico do refrigerante, e isso deve ser considerado no projeto do sistema de refrigerao.

Termostatos para Motores

TermostatosCom depsito contendo ter. O ter expande com o aquecimento fazendo com que o termostato se abra. Lmina bimetlica enrolada se desenrola quando aquecida forando o termostato a se abrir.

Motor Refrigerado Ar

Para que os motores refrigerem adequadamente um fluxo mnimo de 0,04 m/s de ar refrigerante deve ser fornecidopor kW de potncia ao freio.

1 Lei da Termodinmica

Chamamos de 1 Lei da Termodinmica, o princpio daconservao de energiaaplicada termodinmica, o que torna possvel prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformao termodinmica.Analisando o princpio da conservao de energia ao contexto da termodinmica:Um sistema no pode criar ou consumir energia, mas apenas armazen-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situaes simultaneamente, ento, ao receber uma quantidadeQde calor, esta poder realizar um trabalhoe aumentar a energia interna do sistemaU, ou seja, expressando matematicamente:

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

CalorTrabalhoEnergia InternaQ//U

RecebeRealizaAumenta>0

CedeRecebeDiminui