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ROTEIROAULA1.DOC LABORATÓRIO DE TÉRMICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR NOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA PRIMEIRA AULA PRÁTICA LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 2 RELEVÂNCIA • Temperatura de pico do gás queimado: 2200 ºC (2500 K) • Temperatura máxima do material da parede do cilindro: � Ferro fundido 400 ºC (673 K) � Alumínio 300 ºC (573 K) � Lubrificante 180 ºC (453 K) • Fluxo de calor no pico: 0,5 a 10 MW/m2 CONSEQÜÊNCIAS • Aquecimento da vela => pré-ignição • Variação da temperatura de exaustão => emissões • Temperatura máxima na parede do cilindro => Maior potência nas bombas ou ventiladores • Alta temperatura dos gases queimados => material para as válvulas de exaustão LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 3 RELEVÂNCIA Exemplo de fluxo de calor em um motor de combustão interna monocilindro, mistura rica (9:1). Sinal negativo indica calor transferido do gás para o sistema de resfriamento. 0 90 180 270 360 450 540 630 720 Ângulo do Virabreqim (graus) -0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 F l u x o d e C a l o r ( M W / m ^ 2 ) Admissão Compressão Combustão Exaustão Blow down LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 4 MODOS DE TRANSFERÊNCIA • CONDUÇÃO dx dTk A QqCN −== � � • CONVECÇÃO ( )gw,ggCV TT hA Qq −== � � • RADIAÇÃO ( )4 gw,4gfR TT� � fA Qq −== � � LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 5 BALANÇO DE ENERGIA LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 6 BALANÇO DE ENERGIA • Usado para estimar as cargas térmicas envolvidas na operação do motor. • Projeto e Ensaios. • Exemplo para um motor Diesel. LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 7 BALANÇO DE ENERGIA Motor OTTO Motor DIESEL Potência útil 33 38 Calor de resfriamento 30 27 Convecção e radiação 7 6 Exaustão 30 27 Radiador de óleo 0 2 Total 100% 100% ( ) rad&convresfarexuf QQHHPH ����� +++−+= Hci onde, PCImH ff �� = ( ) exgp,arfex TcmmH ��� += fuT HP� �= ararp,arar TcmH �� = ( )EntradaSaídaáguap,águaresf TTcmQ −= �� LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 8 MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO • Análise Dimensional (Tubos) k �c Pr � �VDRe k hDNu p=== • Dittus e Boelter, 1930 (tubos com escoamento interno); Deissler, 1955 (tubos curtos) z D LnPr m ReANu � � � � � � = � � � � � � � � � � � += 0,7 D L1 0,3 Pr 0,8 Re0,023Nu LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 9 MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO • Annand 0,7 Re0,35Nu = Obs: Annand usa a velocidade média do pistão ( )pV no número de Reynolds. • Woschni 0,8 Re0,035Nu = Obs: Woschni usa uma relação empírica para calcular a velocidade dentro do cilindro. LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 10 MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO • Woschni ( )md2p1 PPVP TVCVCV −+= onde, C1 = 6,18 e C2 = 0 para a admissão e exaustão C1 = 2,28 e C2 = 0 para a compressão C1 = 2,28 e C2 = 3,24x10-3 para a queima e expansão Pm = pressão do ciclo de compressão sem queima dV = volume deslocado pelo pistão • Barros, 2003, utiliza a relação proposta por Deissler, 1955, sendo que a velocidade do gás é calculada pela equação de conservação da quantidade de movimento. LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 11 MEDIDAS EXPERIMENTAIS DA TAXA INSTANTÂNEA • Utiliza termopares na superfície interna e em algum outro ponto da parede do cilindro. • Os valores de temperatura são utilizados para calcular o fluxo instantâneo de calor levando em conta que existe uma defasagem temporal entre o gradiente de temperatura medido e o fluxo radiante. A freqüência dada pela rotação do motor é usada para estimar esta defasagem. • O fluxo convectivo é medido com o motor rodando sem combustão. • O fluxo radiante é medido por meios óticos. LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Heywood, Cap. 12, pg. 668 Plint e Martyr, Cap. 11, pg. 200 Horlock e Winterbone, Vol. II, Cap. 12, pg. 773 (escrito por Annand) Barros, Tese de Doutorado, itens 4.2.4 e 4.2.6 LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 13 EXERCÍCIOS 1) Fazer o balanço de energia para um motor ciclo OTTO de 1000 cm3, a gasolina, que desenvolve uma potência efetiva de 70 kW. Desenhar o balanço como na transparência 6. Considerar: PCI da gasolina = 42,5 MJ/kg Densidade da gasolina = 0,84 kg/l Consumo específico = 0,25 kg/kWh Densidade do ar = 1,20 kg/m3 Razão ar/combustível = 15:1 Incremento permitido na temperatura da água de resfriamento = 10 ºC Calor específico da água = 4,18 kJ/kg/ºC Calcular a eficiência térmica do motor. LABORATÓRIO DE TÉRMICA ROTEIROAULA1.DOC 14 EXERCÍCIOS 2) Descrever os itens necessários a sala dinamométrica de bancada, do Laboratório de Motores da UFMG, para ser possível realizar o balanço térmico de um motor a ser ensaiado.
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