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Transferência de Calor em motores de combustão interna

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UNIVESIDADE NOVE DE JULHO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS
TRABALHO
Wandson Carlos de Moura 
Transferência de Calor em motores de combustão interna
SÃO PAULO
2015
Objetivo:
Neste trabalho serão mostrados alguns conceitos básicos de transferência de calor nos motores de combustão interna. 
Introdução:
O motor é capaz de transformar a energia retirada da queima de combustível em energia mecânica, a combustão  é uma reação química entre  dois componentes um é o combustível e o outro é chamado de comburente liberado  em forma de calor. O moor a diesel entra em funcionamento com adimição de ar  gerando uma pressão o que da a ignição, já o motor otto é através de fagulhas com a mistura de ar e combustível. O motor otto de dois tempos e de combustão interna de forma robusta utilizados em motores de pequena potência Ex: Moto-serra , geradores, e pequenos automóveis etc. 
O motor de combustão interna criado pelo Rudolf Diesel é um motor que entra em funcionamento com o aumento na temperatura através da compressão, quando esta no Maximo de sua compressão é injetado o óleo fazendo com que ele entre em ignição. 
Ciclo otto e um ciclo termodinâmico que foi criado para o funcionamento de motores a combustão  interna. 
Ele foi criado por Beau de rocha mas pôs em pratica foi o engenheiro  alemão Nikolaus otto em 1876, e depois por Rudolf Diesel. Com a mesma aplicação pode se construir também motores de quatro tempos, esse motores poluem menos  e são mais eficientes  do que os de dois tempos, apesar de tudo ele é maior e mais pesado. 
O nome dado de motor á diesel foi uma homenagem dada ao Engenheiro alemão Rudolf Diesel, o seu primeiro motor foi construído em 1893, seu primeiro teste não bem sucedido acabou por explodir e por pouco não o mato. 
De qualquer forma provo que poderia sim inflamar esse combustível sem gerar faísca, então seu  primeiro motor construído com sucesso foi em 1987. 
Algum tempo depois o britânico chamado Dugold Cleck fez o diesel de dois tempos .
Quando um motor de combustão estiver em funcionamento e estiver no processo de combustão, existes grande diferencia de temperatura entre o fluido ativa e as paredes da câmera, que provocar a transferência do calor gerando para a parede do cilindro e também para o cabeçote. 
O calor que o fluido ativo liberar em um cilindro de combustão, fica na faixa de 1500 Kcal/cv.h e 2500 Kcal/cv.h que depende também do consumo específico do fluido.
 Se este calor não for retirado do sistema, os componentes do motor como, as paredes do cilindro, cabeçote e a cabeça do pistão, tenderão a atingir temperaturas iguais a do ciclo, ou seja, entre 600 e 800 °C. 
O movimento (trabalho) que o motor executado quando estiver com as temperaturas elevadas, faz com que ocorram deformações, corrosão, desgaste, degradação do óleo e engripamento do motor. 
. 
Princípio básico da transferência de calor
 Um dos principais ramos da física e da engenharia é a termodinâmica, os engenheiros ‘’por exemplo’’ se preocupam com o superaquecimento dos motores de combustão interna.
A relação entre o calor que é transferido de um corpo que tem uma sentar temperatura para outro que possuem uma temperatura diferente. Essa diferencia de temperatura realizar um trabalho sobre ele, que é a variação de energia interna é a base da primeira lei da termodinâmica, que estuda o papel desempenhado pelo calor, seja um movimento de um a criança correndo para fazer um gol numa partida de futebol, ate mesmo o movimento que os pistões de morto de combustão interna, que é o que a gente vamos observar com mas detalhe.
Figura 1.1 
 Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6 Ed - Moran e Shapiro
Hoje a tecnologia esta avançando muito rápido. Com esse avanço, a potencia gerada pela troca de calor tem sido aproveitada mais do que as antigas máquinas a vapor.
Os engenheiros automotivos têm descoberto maneiras de melhorar o desempenho dos motores de combustão interna, retirando delas a maior quantidade possível de energia 
Sistema fechado
 Um sistema fechado é quando um objeto está sendo estudado. No sistema existem as fronteiras que no pode transmitir uma quantidade matéria para fora da fronteira. Um tipo especial de sistema fechado que não pode se interagido de modo algum com as suas vizinhanças é denominada sistema isolado.
Na figura 1.1 mostra um fluido dentro do cilindro. Se as válvula de admição e a válvula de escape estiverem fechado, o fluido é considerado um sistema fechado. Já as fronteira é considerada somente no cilíndrico e na cabeça do pistão. 
Calor:
No século XVII, os cientistas Galileu, Newton e entre outros achavam de modo geral que a teoria dos antigos atomistas gregos, dizia que a energia térmica como uma manifestação do movimento molecular. Já no século seguinte foram feito alguns experimento para retirada de medidas quantitativas da quantidade de energia transferida em função de temperatura e se obteve que, se corpos estão em contato térmico, a quantidade de energia liberada por um dos corpos é igual a quantidade de energia absorvida pela outra corpo. Com esses dados deu-se a uma teoria segunda a qual o calor era considerado uma substância material conservada. Com essa teoria, um fluido invisível que se chama de ‘’calórico’’ fluía de um dos corpos para entrar em outro, calórico Não pode ser nem criado e nem destruído.
Quando um corpo mais quente está em contado térmico com corpo mais frio, quando a energia que é transferida de o corpo mais quente para um corpo mais frio, essa razão da diferencia de temperatura entre os dois corpos, é chamado de calor. Se a transferência for de um corpo mais frio para um corpo mais quente, a energia não pode ser mais identificada como calor. Ela pode identificada como parte da energia interna do corpo mais frio. A energia interna de um corpo é sua energia total no referencial de seu centro de massa. Onde vamos utilizar a letra Q é o símbolo para calor e Ein é o símbolo para energia interna.
Quando essa energia se transfere para uma substancia na forma de calar, onde a temperatura dessas substancia normalmente deve aumentar. Para saber a quantidade de calor necessária do aumento da temperatura de parte da substância é proporcional á variação de temperatura que vamos utilizar o símbolo ΔΤ e á massa do objeto. 
 Q = ΔEin = C ΔΤ = mc ΔΤ 
onde C é a capacidade térmica, que é definida como a variação da energia interna necessária para aumentar a temperatura de uma parte de um corpo. Já o calor específico c é a capacidade témica especifica, ou a capacidade térmica por unidade de massa:
 
Aquela unidade histórica de calor que se chama caloria foi definida de modo geral como uma quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de uma pequena parte de água em um grau Celsius. Agora que sabemos que calor é a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferencia de temperatura, também podemos definir que caloria no sistema de unidade internacional o SI de energia é o joule:
1cal = 4,184 J
Se o calor esteve em Btu (British thermal unit, unidade térmica britânica):
1 Btu = 252 cal = 1, 054 KJ
Se T0 é a temperatura inicial do objeto, Tf é a temperatura final, m sendo a massa e c o seu calor especifico. Para calcular o calor liberado Q do objeto, utilizamos a seguinte equação
Qsaida = M*c*(Tf-T0)
Outras equações:
Qf =m*Lf
Onde Lf é calor latente de fusão
Qv =m*Lv
Onde Lv é calor latente de vaporização
Temperatura 
A temperatura é umas das sete grandezas mais importante do SI também do ramo da física e engenharia. Os engenheiros utilizam a temperatura na escala Kelvin, cuja unidade (K). Como não existe um limite de superior para temperatura de um objeto, mas existe um limite inferior que é tomado como zero da escala Kelvin de temperatura. 
 Figura1.2 
 
Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6 Ed - Moran e Shapiro
Temperatura e lei zero da termodinâmica 
Para entende melhor,considere dois blocos cada um com o tipo de material diferente, um dos blocos esteja mais quente do que outro. Se os blocos fossem colocados em contato, eles iriam interagir de uma forma que pode ser descrito como uma interação térmica (calórica). Quando acontece essa interação dar para observar que o volume do bloco mais aquecido decresceria um pouco no decorrer do tempo, já o volume do bloco mais frio aumenta com o decorrer do tempo. Quando for observado que não mais variação de volume, isso implica que os dois blocos estão em equilíbrio térmico. Considerando que esse tipo nos leva a concluir que os blocos possuem uma propriedade física que determina se eles estão em equilíbrio térmico. Essa propriedade é chamada de temperatura.
 Todos os materiais que sofrem um aumento de temperatura sofrem também mudanças consideráveis em sua propriedades.como por exemplo: com o aquecimento, um liquido aumenta de volume ; uma barra de metal fica um pouco mais comprida; a resistência elétrica de um fio aumenta; a gasolina no tanque de combustível aumenta. Qualquer um desse exemplo pode ser usado também para a definição de temperatura. É um princípio da lei zero ta termodinâmica.
Primeira lei da termodinâmica 
 Se fornecer calor no sistema, a sua temperatura aumenta, mas também se realizar trabalho no sistema, também poderemos aumentar a temperatura. Na figura 1.3 é um aparelho que Jaule utilizou para fazer um famoso experimento, para encontrar a quantidade de trabalho necessário para aumentar a temperatura de uma libra de água em fahrenheit. 
Com esse aparato de Jaule converte a energia potencial que o peso quando cair ele realizar trabalho sobre a água por uma pá,como mostra a figura. Com esse experimento pode obter que a ele podia aumentar a temperatura de 1,00 libra de água em 1,00°F deixando o peso cair de 772 lb (347,4Kg) de senta altura em pé . 
 
Figura 1.3
Física para Cientistas e Engenheiros Volume 1 - Tipler e Mosca 
Se substituindo as paredes isolantes do recipiente por paredes condutoras. Vamos descobrir que o trabalho necessário para produzir uma dada variação da temperatura do sistema depende também da quantidade de calor é absorvido ou liberado pelo sistema por de transferência de calor que é chamado de condução (vai ser discutido mais na frente) através das paredes. Se for somado o trabalho realizado no sistema ou também se avaliar o calor efetivo absorvido pelo sistema, o resultado é sempre mesmo para as variações de temperatura. A somatória das transferências de calor para o sistema com o trabalho que foi realizado sobre o sistema vai ser igual à variação da energia interna do sistema. Esse processo é chamado da primeira lei da termodinâmica, que é simplesmente a conservação de energia. 
O trabalho W que é realizado pela a vizinhança sobre o sistema. Se suponhamos que o sistema esteja com um gás confinado em um cilindro por um pistão. Se o pistão quando for comprimir o fluido ativo, a vizinhaça realiza trabalho sobre o gás e W é positivo. Agora se o fluido ativo se expande contra o pistão no tempo que ele esta expandindo, o fluido ativo é quem vai realizar trabalho sobre a vizinhança e é negativa. Portanto a enegia interna E representa a primeira lei da termodinâmica. 
 ΔE =Qentrada +Wsobre
Figura 1.4
Física para Cientistas e Engenheiros Volume 1 - Tipler e Mosca
Alguns casos especiais da primeira Lei da termodinâmica
Processo adiabático
O processo adiabático é aquele que acontece tão depressa ou em um sistema tão bem isolada que não há troca de calor entre o sistema e o ar atmosférico. Obtendo 
 ΔE = -W
Processos a um volume constante 
Se o volume de um sistema é mantido constante, o sistema não pode realizar trabalho. Sedo assim W=0, obtendo:
 ΔE = Q
Processos cíclicos
Existem processos nos com a troca de calor e de trabalho o sistema volta para o estado inicial, onde ΔE=0, sendo assim, obtemos:
Q = W
Expansões livres 
Uma expansão livre é quando o sistema não teve nenhum trabalho realizado e também não tem troca de calor com o ambiente, portanto:
ΔE = 0
 
A energia interna de um gás ideal
A energia cinética que retirado da translação K das moléculas em um gás ideal que é uma relação da temperatura absoluta T :
K = 3/2 nRT
Onde n é o numero de moles do gás e o R é a constante universal dos gases. Se a energia interna de um gás é apenas a energia cinética de translação que é dado pela equação:
Eint = 3/2 nRT
Figura 1.5
Física para Cientistas e Engenheiros Volume 1 - Tipler e Mosca
A figura mostra como essa expansão pode ocorrer. O sistema tem duas câmeras isoladas. Um gás encontra-se em uma das câmeras que está em equilíbrio térmico e também está confinada por uma válvula que esta fechada. Já a outra câmera estar vazia. Se a válvula for aberta, o gás ocupar a câmera que estava fazia. Nesse caso não teve nenhuma troca de calor, pois se encontra isolada. Também não foi realizado trabalho pelo gás porque ele ocupou uma região fazia
Fundamento da transferência de calor
Uma transferência de calor ocorre do objeto mais quente para o objeto mais frio, que é provocado pelos seguintes mecanismos:
Condução:
O calor por condução ele se propaga de um lado paro o outro devidamente, tendo uma de suas partes em contato com o fogo ou outro tipo de calor.
Um exemplo de calor por condução, se pegarmos um objeto de aço e aquecer a ponta com um maçarico e segurar a outra, poderemos logo sentir o calor se manifestando próximas as mãos.
Esse fenômeno ocorre devido as molécula estarem perturbado e se movimentando de um lado para o outro conduzindo o calor até a outra ponta.
Convecção:
A convecção e um tipo de transferência que ocorre entre uma superfície e um fluido ou qualquer tipo de liquido.
É uma troca de calor que e feita entre a placa e o fluido, quando a parte que está mais próxima da placa aquecida ela acaba ficando menos densa e acaba trocando de lugar com a parte mais fria do fluido, e esse processo ocorre varias vezes.
Radiação
A radiação é a transfere o calor em forma de ondas eletromagnéticas, não e necessário que aja contato entre um corpo e outro devido ela se multiplicar em um espaço circunscrito.
Temos um exemplo que seria a fogueira quanto maior a labareda maior vai ser a irradiação, podendo sentir de certa distancia, não necessariamente teria que esta em contato com o fogo, para sentir o calor de suas chamas.
Sistema de arrefecimento
O sistema de arrefecimento do motor que é composto por um radiador, válvula termostática, ventilador, vaso de expansão, mangueiras, bomba, tanque expansão e os aquecedores. Por sua vez, foi projetado para retirar esse calor do sistema e liberar no ar atmosférico. Tem como objetivo manter os componentes do motor em temperaturas media que devem ser igual ou o mais próximo possível com as características dos materiais que estar constituído no motor.
Os arrefecedores mais usados são: ar, água e óleo. O fluido mais frio, que pode ser um dos três, entre em contado com as parte aquecidas do motor, observe calor e transfere para o meio ambiente. 
Radiadores 
O acontece uma transferência de calor quando o fluido de arrefecimento entra em contato com a interface. Mas também dependem da velocidade do fluido, das propriedades físicas de construção do radiador, dos materiais construtivo, a espessura da parede do tubo do trocador, alturas, formato e etc.
O α é o coeficiente de calor, que dependem de dois números adimensionais Nu: Nº de NUsselt; e Re:Reynolds
Número de Nusselt:
 È uma razão entre o calor que trocado por convecção pelo e o tocador por condução. Quanto maior o a troca de calor por condução, maior é o número de Nusselt.
Numero de Reynolds
Quando um fluido escoar duas forças, a força viscosa e a força inerciais. Numero de Reynalds é a razão entre essa duas forças.
Válvula termostática 
Encontra na saída de água do motor no cabeçote e no radiador. Devido o fluxo de água que circula pelo o radiador e também pela parte do motor, necessita da válvula termastática.
Bomba de águaA bomba-d´ água faz com que a circulação da água aconteça no interior do morto.
Essa bomba é um centrifuga de rotor aberto.
O acionamento da bomba é por uma correia ou engrenagem.
Ventiladores 
Existem três de ventiladores: 
Mecânico.
Elétrico.
Viscoso.
Mangueiras 
as mangueiras são projetadas para a pressão e a alta temperatura do sistema de arrefecimento.
Existem duas mangueiras:
Mangueira do radiador superior.
Mangueira do radiador inferior.

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