UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

ANLISE DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE UM PROTTIPO DO TIPO FORMULA SAE

TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO

Gabriel Kuntzer

Santa Maria, RS, Brasil

2015

ANLISE DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE UM

PROTTIPO DO TIPO FORMULA SAE

Gabriel Kuntzer

Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como

requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

Orientador: Prof. Mario Eduardo Santos Martins, PhD

Santa Maria, RS, Brasil

2015

Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia

Curso de Engenharia Mecnica

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de Concluso de Curso

ANLISE DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE UM PROTTIPO DO TIPO FORMULA SAE

elaborado por Gabriel Kuntzer

como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Mecnico

Comisso Examinadora

Mario Eduardo Santos Martins, Dr. (Orientador - UFSM)

Paulo Romeu Moreira Machado, Dr. (UFSM)

Fernando Mariano Bayer, Msc. (UFSM)

Santa Maria, 17 de julho de 2015

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeo aos meus pais, Renato e Iveti pela possibilidade de

realizar um curso de graduao longe de casa e pelo apoio durante esses cinco anos.

equipe Formula UFSM, na qual tive um grande aprendizado durante trs anos

de trabalho. Tambm agradeo aos integrantes em geral pelo apoio durante testes e

trabalhos realizados.

Ao Grupo de Pesquisa em Motores, Combustveis e Emisses, pela estrutura

cedida para os testes e pelo apoio e conhecimento compartilhado.

Aos engenheiros Joelson Bilho e Roberto Begnis Hausen pela disponibilidade

em ajudar sempre que possvel.

Aos professores Mario Martins, Fernando Bayer e Paulo Romeu pela

oportunidade de trabalhar com motores e, principalmente, pela orientao durante a

faculdade.

Aos tcnicos do NAFA, pela disponibilidade para a fabricao de peas que

foram essenciais para a realizao deste trabalho.

RESUMO

Trabalho de Concluso de Curso Curso de Engenharia Mecnica

Universidade Federal de Santa Maria

ANLISE DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE UM PROTTIPO DO TIPO FORMULA SAE

AUTOR: GABRIEL KUNTZER ORIENTADOR: MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS

Data e Local da Defesa: Santa Maria, 17 de julho de 2015.

A performance requerida pelos motores de combusto interna atuais vem aumentando a demanda dos sistemas de arrefecimento. Alm disso, em competies do tipo formula, como Formula SAE, a utilizao de aparatos aerodinmicos acarretaram novos problemas a respeito de restries de ar, exigindo um estudo mais aprofundado na rea de transferncia de calor. O sistema de arrefecimento ideal, neste caso, utiliza um trocador de calor que manter o motor na temperatura tima de trabalho. Para possibilitar isso, esse trabalho apresenta mtodos para avaliar trocadores de calor e para prever o calor gerado pelo motor. A fim de adquirir os dados necessrios para a anlise, alguns experimentos foram realizados, a vazo da bomba de gua foi medida e sensores de temperatura adicionados nos fluidos quente e frio. O fluxo de ar atravs do radiador se mostrou um fator muito importante nessa situao, tentando prev-lo simulaes de CDF foram utilizadas em conjunto com clculos a partir dos dados experimentais. Para avaliar os mtodos, comparaes so feitas buscando a melhor aproximao com o caso real. Compreendendo que o sistema de arrefecimento atual no o ideal, algumas modificaes so propostas buscando confiabilidade e reduo de massa.

Palavras chave: Formula SAE, motor, sistema de arrefecimento, efetividade-

NTU, trocador de calor.

ABSTRACT

Course Conclusion Work Mechanical Engineering Course

Federal University of Santa Maria

ANLISE DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DE UM PROTTIPO DO TIPO FORMULA SAE

AUTHOR: GABRIEL KUNTZER ADVISER: MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS

Defense place and date: Santa Maria, July 17th, 2015.

The performance required by the actual internal combustion engines have increased the demands on the cooling system. In addition, in formula style competitions like Formula SAE the use of aerodynamics brought new problems about airflow restriction, requiring a complex study in the heat exchange area. The ideal cooling system in this case uses a heat exchanger that will maintain the engine on the optimum working temperature. To make this possible the paper presents a methods of evaluating heat exchangers and to predict the heat generated by the engine. In order to get the data needed for the analysis, some experimental measurements are made, the water pump flow rate are measured and temperature sensors are added to both, cold and hot, fluids. The air velocity profile through the radiator core showed to be a very important factor in this situation, trying to predict it, CFD simulations have been used. Evaluating the methods, comparisons are performed looking for the best approximation with real case. Realizing that the actual cooling system is not the ideal, some modifications are proposed looking for reliability and mass reduction.

Key Words: Formula SAE, engine, cooling system, effectivity-NTU, heat

exchange.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxo de calor em um motor de combusto interna. Fonte: Brunetti (2012) .................................................................................................................................. 16 Figura 2 - Diagrama de energia para um motor de combusto interna. Fonte: Keykirch et al (2013). ............................................................................................................... 18 Figura 3 Diferentes regimes de escoamento em trocador de calor de tubo duplo. Fonte: engel e Ghajar (2012). ................................................................................. 21 Figura 4 Diferentes configuraes de escoamento em trocadores de calor de escoamento cruzado. Fonte: engel e Ghajar (2012). .............................................. 22 Figura 5 - Representao esquemtica do funcionamento de um sistema de arrefecimento veicular. Fonte: Borsatti (2010)........................................................... 22 Figura 6 Rede de resistncia trmica associada transferncia de calor. Fonte: engel e Ghajar (2012) ............................................................................................. 24 Figura 7 Metodologia para projeto de trocador de calor. Fonte: Kays e London (1964) .................................................................................................................................. 27 Figura 8 - Fator de correo para trocador de calor de um nico passe com escoamento cruzado e ambos fludos sem mistura. Fonte: engel e Ghajar (2012). .................................................................................................................................. 29 Figura 9 - Efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado e com os dois fluidos no misturados em funo do nmero de unidades de transferncia. Fonte: Kays e London (1964) ............................................................................................... 31 Figura 10 - Taxa de transferncia de calor para diferentes velocidades do ar e dimenses do radiador. Fonte: Silva et al (2011) ...................................................... 32 Figura 11 - Mapa experimental 3D de performance da bomba de gua. Fonte: Gattei e Rossi (2008). .......................................................................................................... 33 Figura 12 - Conjunto de anemmetros para medio de velocidade do ar. Fonte: Emprise-USA. ............................................................................................................ 35 Figura 13 - Anemmetro de fio aquecido. Fonte: Korczak (2009). ............................ 35 Figura 14 - Queda de presso atravs do radiador. Fonte: Chacko et al. ................. 36 Figura 15 Objeto de estudo do corrente trabalho. .................................................. 38 Figura 16 Desenho tcnico do radiador da motocicleta Honda CB 1000 R (dimenses em milmetros). .......................................................................................................... 39 Figura 17 Desenho tcnico do radiador do VW Gol 1.0 Turbo (dimenses em milmetros). ................................................................................................................ 40 Figura 18 Metodologia de anlise de trocadores de calor baseado em Kays e London (1964). ....................................................................................................................... 41 Figura 19 Experimento para medio da vazo da bomba de gua. ..................... 43 Figura 20 Grfico de vazo da bomba de gua utilizando diferentes radiadores. .. 44 Figura 21 Medio do fluxo gerado pela ventoinha. ............................................... 45 Figura 22 Potncia do motor (kW) para diferentes rotaes e cargas. .................. 46 Figura 23 Sensor de temperatura da gua aps o radiador ................................... 48 Figura 24 Sensores de temperatura do ar antes e depois da troca de calor. ......... 49 Figura 25 Ferramenta utilizada para os clculos a partir dos dados da ECU. ........ 51 Figura 26 - Variao de temperatura durante o teste. ............................................... 52 Figura 27 Novo radiador instalado para testes. ...................................................... 53 Figura 28 Tabela de calibrao do sensor de temperatura anterior ao radiador. ... 54 Figura 29 A