Medição de volume de condensado formado para diferentes temperaturas no trocador de calor EGR

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LAUDO TÉCNICO DO DIMENSIONAMENTO - MEDIÇÃO DE VOLUME DE 
CONDENSADO FORMADO PARA DIFERENTES TEMPERATURAS NO TROCADOR 
DE CALOR EGR 
 
 
 
 Thiago Gomes 
 
 
ÍNDICE 
 
2. OBJETIVO .................................................................................................................................................. 3 
2.1 RESPONSÁVEIS TÉCNICOS ................................................................................................................... 3 
3. DESCRIÇÃO DOS SERVIÇOS ....................................................................................................................... 3 
3.1 CONDIÇÕES ESPECÍFICAS .................................................................................................................... 3 
3.1.1 LEGISLAÇÃO ............................................................................................................ 3 
4. DESCRIÇÃO DO SISTEMA .......................................................................................................................... 9 
5. PREMISSAS DE REGIME PERMANENTE ..................................................................................................... 9 
5.1 PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE CICLO TEÓRICO E REAL: ........................................................... 11 
6. EFICIÊNCIA DO MOTOR........................................................................................................................... 12 
7. PRODUÇÃO ............................................................................................................................................. 13 
8. EQUACIONAMENTO ............................................................................................................................... 15 
8.2 Perda por atrito: ................................................................................................................................... 16 
8.3 Perdas de pressão:................................................................................................................................ 17 
8.3 Transferência de calor: ......................................................................................................................... 17 
8.4 Simulação: ............................................................................................................................................ 18 
8.5 Material: ............................................................................................................................................... 19 
8.6 Resultados: ........................................................................................................................................... 21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. OBJETIVO 
 
Avaliar as consequências do aumento de volume de condensado no sistema de 
Recirculação dos Gases de Exaustão EGR sobre as emissões. 
 
2.1 RESPONSÁVEIS TÉCNICOS 
 
Filipe Andrade de Lima – RGM: 17809665 
Letícia Maria Costa Aranha – RGM: 17315077 
Lilian Aguiar – RGM: 18365418 
Rafaela Nair D’ A. R. Barcelo – RGM: 17411416 
Vicente Pereira Da Silva Neto – RGM: 17994969 
 
3. DESCRIÇÃO DOS SERVIÇOS 
3.1 CONDIÇÕES ESPECÍFICAS 
 
3.1.1 LEGISLAÇÃO 
 
PROCONVE 
Com o objetivo de reduzir e controlar a contaminação atmosférica e a emissão de 
ruído por fontes móveis (veículos automotores) o Conselho Nacional do Meio Ambiente 
- CONAMA criou os Programas de Controle da Poluição do Ar por Veículos 
Automotores: PROCONVE (automóveis, caminhões, ônibus e máquinas rodoviárias e 
agrícolas). 
Esta baseou-se na experiência internacional para adequar os índices à realidade 
brasileira e tem como principal meta a redução da contaminação atmosférica das 
fontes móveis, tais como veículos automotores, por meio da fixação dos limites 
máximos de emissão, induzindo o desenvolvimento tecnológico dos fabricantes e 
estabelecendo exigências tecnológicas para veículos, cuja comprovação é feita a partir 
de ensaios padronizados. A certificação de protótipo/projeto e o acompanhamento 
estatístico em veículos de produção também fazem parte da estratégia de controle. 
O Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve) foi 
criado em 1986 pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) como uma forma 
de controle da qualidade do ar nos centros urbanos. Ele é uma adaptação das 
metodologias internacionais às necessidades brasileiras, como o Euro V, que já está 
em vigor na Europa e representa a quinta etapa de diminuição progressiva de emissão 
de gases. 
 
I - Estratégia 
 
A - Homologação de Protótipo 
É a comprovação de que os fabricantes/importadores aplicam conceitos de projeto 
que asseguram um baixo potencial poluidor aos veículos novos e uma baixa taxa de 
deterioração das emissões ao longo da sua vida útil. Tal comprovação se dá por meio 
da análise técnica das especificações de engenharia e dos resultados de ensaio. 
B- Controle de Produção/Importação 
É o acompanhamento estatístico das linhas de produção/importação, com vistas a 
assegurar uma baixa dispersão dos índices de emissão atmosférica dos veículos 
C- Responsabilidade do Fabricante/Importador 
O fabricante/importador se responsabiliza pela fabricação/importação e 
comercialização de veículos, rigorosamente de acordo com as especificações por ele 
apresentadas e homologadas pelo IBAMA, re-homologando os projetos modificados. 
D - Requisitos de Manutenção 
O fabricante/importador deve recomendar ao usuário e ao serviço de assistência 
técnica todas as ações e procedimentos de manutenção e regulagem necessários ao 
atendimento e à conservação dos limites máximos de emissão atmosférica de 
poluentes fixados pelo PROCONVE/PROMOT, bem como deve prover o fornecimento 
de peças de reposição. 
E - Controle Pós-Venda 
É um mecanismo que permite a intervenção do órgão ambiental na comercialização 
e no uso de veículos de forma a pressionar os fabricantes e usuários a seguirem 
rigorosamente as medidas necessárias ao controle de poluição nos veículos. 
O PROCONVE baseia-se nos dados de homologação para, posteriormente e de 
forma descentralizada, fiscalizar o estado de manutenção de veículos em uso. O 
CONAMA estabeleceu as diretrizes gerais, após concluído o 1º Inventário Nacional de 
Emissões Atmosféricas por Veículos Automotores Rodoviários em 2011, para os 
órgãos ambientais dos Estados e do Distrito Federal elaborarem, aprovarem e 
publicarem os Planos de Controle de Poluição Veicular (PCPV). 
F - Programas de Inspeção e Manutenção – I/M 
Desde a Resolução CONAMA 18/86, o PROCONVE prevê o desenvolvimento de 
Programas de Inspeção anual dos veículos para assegurar que a população os 
mantenha em conformidade com as suas especificações originais e coíba as 
adulterações e modificações de projeto dos sistemas que interfiram nas emissões de 
poluentes. Estes programas também tem o objetivo de verificar se as características 
homologadas pelos fabricantes se mantêm por toda a vida útil dos veículos mediante o 
plano de manutenção preventiva por eles recomendados, bem como levantar 
informações estatísticas da frota circulante para dar "feed-back" ao IBAMA quanto à 
eficiência do PROCONVE e eventuais aprimoramentos. 
 
II - Caracterização 
O controle é executado a partir da classificação de veículos automotores: 
• Veículo Leve de Passageiros (Automóveis); 
• Veículo Leve Comercial (Utilitários); 
• Veículo Pesado (Ônibus e Caminhão); 
• Veículo de Duas Rodas e Assemelhados (Motocicletas e Ciclomotores); 
• Máquinas Agrícolas e Rodoviárias Novas. 
 
Veículo Pesado (Ônibus e Caminhão) 
É o veículo automotor para o transporte de passageiros e/ou carga, com massa 
total máxima maior que 3.856 kg ou massa do veículo em ordem de marcha maior que 
2.720 kg, projetado parao transporte de passageiros e/ou carga. O controle de fumaça 
ou, indiretamente de materia partculado, teve seu início em 1987 com o 
estabelecimento do limite de opacidade “k > 2,5” ao longo de toda a curva de máximo 
toque dos motores a diesel. O controle das emissões gasosas pelo escapamento de 
veículos pesados teve seu início 1993, com a introdução gradativa dos limites da Fase 
P-3, em 1994, da Fase P-4, em 1998, da Fase P-5, em 2004, da Fase P-6, adiada para 
a Fase P7, prevista em 2012. Em 1994, deu-se o controle de ruído. 
 
III - Resultados 
 Desde a sua instituição, os resultados alcançados até então mostram que a 
estratégia para a implantação no Brasil de um programa de controle de emissão de 
poluentes por veículos automotores foi montada acertadamente. O êxito do programa 
se deve a um cronograma bem elaborado, com etapas cada vez mais restritivas, e 
sempre em sintonia com a realidade brasileira. 
Alguns dos resultados mais expressivos alcançados pelo PROCONVE são: 
1. modernização do parque industrial automotivo brasileiro; 
2. adoção, atualização e desenvolvimento de novas tecnologias; 
3. melhoria da qualidade dos combustíveis automotivos; 
• formação de mão de obra técnica altamente especializada; 
• aporte no Brasil de novos investimentos, de novas indústrias, de laboratórios de 
emissão; 
4. geração de empregos; 
5. diversificação do parque industrial; 
6. redução, na fonte, de até 97% da emissão de poluentes. 
Antes do programa, a emissão média de monóxido de carbono de um veículo 
era de 54 g/km, hoje essa emissão é 0,375 g/km. Mesmo com o significativo aumento 
da frota brasileira de veículos automotores, esses resultados fizeram com que se 
tivesse condições de exercer um melhor controle sobre a poluição atmosférica, 
garantindo a qualidade do ar nas grandes cidades brasileiras. 
 
IV - PROCONVE 7 
A nova etapa Proconve P7 estabelece limites de emissões mais rígidos para 
veículos pesados a diesel. Para ser atendida, a fase exige veículos com novas 
tecnologias e diesel com teor reduzido de enxofre. 
A nova fase do Proconve P7 entrou em vigor em janeiro de 2012. É uma 
legislação similar à europeia Euro 5. Para serem atendidos, os novos limites de 
emissões da P7 exigem, além de modificações nos motores, novos sistemas de pós-
tratamento dos gases de escapamento e diesel com reduzido teor de enxofre. 
A nova legislação P7 traz redução de 60% de óxido de nitrogênio (NOx) e de 
80% das emissões de material particulado (MP) em relação à fase atual (P5, 
equivalente à Euro 3, válida para veículos produzidos até dezembro de 2011). Se 
comparada com o início do Proconve, em 1986, a redução de material particulado da 
nova fase é de 96,3% e a de NOx, de 87,3%. 
 
 
V - PROVONVE 8 
Em 16 de novembro de 2018, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) 
estabeleceu a norma PROCONVE P-8 de emissões para veículos automotores 
pesados novos de uso rodoviário no Brasil. A norma aplica-se a todos os 
veículos novos de passageiros e de carga equipados com motores de ignição por 
compressão ou por centelha e com peso mínimo de 3,856 toneladas. 
A norma P-8 vai entrar em vigor para as homologações de novos modelos de 
veículos em 1º de janeiro de 2022 e para todas as vendas de novos veículos e 
registros em 1º de janeiro de 2023, sendo facultada a certificação voluntária 
antecipada. A norma P-8 especifica limites máximos de emissão para gases de 
escapamento, partículas e ruído, bem como requisitos de durabilidade, sistemas de 
diagnóstico de bordo (OBD) e testes em uso, entre outras disposições. Ela equivale à 
norma Euro VI e vai alinhar a regulamentação para veículos pesados do Brasil à da 
União Europeia. 
 Após a implementação de cada uma dessas normas, entre 2020 e 2023, estima-se 
que 70% dos novos veículos pesados a diesel em todo o mundo atenderão a padrões 
equivalentes aos da Euro VI, em comparação com 40% dos novos veículos 
pesados em 2018. 
A norma adotada atualmente no Brasil, PROCONVE P-7, é equivalente à Euro V e 
está em vigor desde 2012. A introdução da P-8 vai fortalecer significativamente o 
programa regulatório do país. É de especial importância o enrijecimento dos limites de 
emissão em massa de material particulado (MP) e o estabelecimento de um limite de 
número de partículas (NP) para os veículos pesados com motores de ignição por 
compressão (a diesel). Como se observou com a introdução de disposições 
equivalentes na Europa, espera-se que esses limites levem à aplicação universal de 
filtros de particulados de diesel (DPF), que reduzem as emissões de MP em 90% em 
comparação com a norma P-7 e em 99% em comparação com níveis não controlados. 
A introdução da norma P-8 no Brasil vai trazer extensos benefícios para o controle 
de emissões prejudiciais por veículos pesados e a redução dos impactos associados 
na qualidade do ar e na saúde pública. 
 
Figura 1. Cronograma de implementação das normas do PROCONVE para veículos pesados. 
 
A - Requisitos de durabilidade 
Os requisitos de durabilidade da P-8 são equivalentes aos da Euro VI. Os 
fabricantes ou importadores de veículos devem demonstrar conformidade com os 
limites de emissão até uma quilometragem ou duração de operação mínimas, o que 
ocorrer primeiro. Esses requisitos são diferenciados por uso do veículo (de passageiro 
ou de carga) e peso bruto total em toneladas: 
• 160.000 km ou cinco anos para veículos de passageiro com menos de 5 
toneladas; 
• 300.000 km ou seis anos para veículos de carga entre 3,856 toneladas e 16 
toneladas e para veículos de passageiro entre 5 toneladas e 7,5 toneladas; 
• 700.000 km ou sete anos para veículos de carga com mais de 16 toneladas e 
para veículos de passageiro acima de 7,5 toneladas. 
 
B - Disposições de conformidade 
A norma P-8 adota a mesma definição de estratégia auxiliar de controle de 
emissões (auxiliary emission strategy, AES) estabelecida na Euro VI. Todos os 
parâmetros que modificam a estratégia de controle de emissões devem ser revisados e 
aprovados pelo IBAMA antes da certificação. Esses parâmetros devem ser 
subsequentemente disponibilizados para rastreamento durante o funcionamento do 
veículo em qualquer condição. 
 
C - Impactos da regulação 
A introdução da norma P-8 no Brasil vai trazer extensos benefícios para o controle 
de emissões prejudiciais por veículos pesados e a redução dos impactos associados 
na qualidade do ar e na saúde pública. Em uma análise publicada em 2016 sobre os 
custos e benefícios da P-8 no Brasil, constatamos que a introdução dessa norma 
renderia 11 dólares americanos em benefícios à saúde para cada dólar investido em 
tecnologias mais avançadas de controle de emissões veiculares.17 Após 30 anos da 
implementação da P-8, as emissões acumuladas de veículos pesados podem ser 
reduzidas em 130.000 toneladas de MP2,5, 110.000 toneladas de carbono negro, 12 
milhões de toneladas de NOx, 2,7 milhões de toneladas de monóxido de carbono e 
24.000 toneladas de hidrocarbonetos. 
 
4. DESCRIÇÃO DO SISTEMA 
 
Com a nova política de redução de emissões poluentes geradas por motores de 
ciclo diesel, relacionadas no Proconve 7 no Brasil, fazem com que os fabricantes 
incluam e desenvolvam novas tecnologias ao motor e aos dispositivos de pós 
tratamento. A recirculação dos gases de escape EGR para o coletor de admissão é 
uma tecnologia muito utilizada entre as estratégias de redução de produção de Nox, 
apresenta ainda significativo potencial de aplicação, apesar de, via de regra, aumentar 
as emissões de MP (material particulado) e, devido à formação excessiva de 
condensado no sistema, acelerar a degradação dos componentes do motor. 
O sistema consiste em reutilizar parte dos gases de escape que são 
redirecionados para serem readmitidos juntamente com o ar de admissão. Os gases de 
descarga são inertes e ajudam a reduzir a temperatura da combustão diminuindo as 
emissões deNox. 
 
5. PREMISSAS DE REGIME PERMANENTE 
 
Uma característica dos gases de escape dos motores Diesel são os altos índices 
alcançados pela temperatura do fluído e pela pressão na câmara de combustão, as 
transformações Termodinâmicas, podem ser representadas segundo os seguintes 
diagramas PV e TS, a seguir (Brunetti, 1992): 
 
 
Figura 2. Diagrama Pressão x Volume deslocado para o ciclo Diesel. 
 
Figura 3. Diagrama Temperatura x Entropia para o ciclo Diesel 
 
 
 
Ponto 4 ao Ponto 1: Aspiração do Ar - O pistão desloca do PMS ao PMI aspirando o 
ar; 
Ponto 1 ao Ponto 2: Compressão adiabática - Sem troca de calor com o meio 
ambiente. O pistão se desloca do PMI descrevendo a área (v1-1-2-v2), equivalente o 
trabalho absorvido; 
Ponto 2 ao Ponto 3: Fornecimento gradual de calor a pressão constante - O pistão ao 
passar do ponto 2 a 3, variando o volume do fluido produzirá trabalho equivalente à 
área (v2-2-3-v3), que também é equivalente à área (s1-2-3-s2) no diagrama TS. 
Ponto 3 ao Ponto 4: Expansão adiabática - O pistão se desloca retornando ao PMI 
descrevendo a área (v1-4-3-v3), equivalente à mais um trabalho realizado. Isto ocorre 
sem troca de calor com o meio ambiente. 
Ponto 4 ao Ponto 1: Rejeição instantânea de calor a volume constante - É 
representado pela área (s1-1-4-s2), equivalente à mais uma parcela de calor absorvido. 
O trabalho útil realizado pelo sistema é igual à diferença entre o trabalho fornecido 
pelo sistema e o trabalho absorvido. Este trabalho é equivalente a área (1 - 2 - 3 - 4). 
 
5.1 PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE CICLO TEÓRICO E REAL: 
 
• Perdas por bombeamento: No ciclo teórico, a sucção e a exaustão são 
realizadas com pressão constante, mas isso não acontece no ciclo real; 
 
• Perdas pela combustão incompleta: No ciclo teórico, o calor é introduzido 
imediatamente e a pressão é constante, o que não é o caso no real; 
 
• Perdas pela dissociação do combustível: No ciclo teórico, não há dissociação 
do combustível, mas no ciclo real ele se dissocia em elementos como CO2, H2, 
O, CO e outros compostos, absorvendo calor; 
 
• Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga: Na teoria a 
abertura da válvula de descarga é considerada instantânea, enquanto que no 
real ela se abre antes do pistão atingir o PMI; 
 
• Perdas de calor: Em teoria a perda de calor é nula devido à necessidade de 
resfriar o cilindro, mas na realidade é muito sensível; 
 
• Perdas devido à variação dos calores específicos do fluido: Os calores 
específicos, a pressão constante, Cp, e a volume constante, Cv, de um gás ideal 
aumentam com a temperatura, mas a sua diferença é sempre constante, isto é, 
CpCv=R., Porém a relação K=Cp/Cv diminui com o aumento da temperatura. 
Portanto o valor da pressão e temperatura máxima obtida no ciclo é inferior à 
obtida quando os calores específicos são constantes com a variação da 
temperatura. 
6. EFICIÊNCIA DO MOTOR 
 
 Os motores a diesel produzem em sua combustão partículas que poluem o 
meio ambiente, sendo elas algumas delas mais expressivas como o Óxido de 
Nitrogênio (NOx), Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2) e material 
particulado dos motores a diesel (MP). O sistema EGR vem para suprir a necessidade 
de um equipamento que atue na redução de particulados produzidos pelo motor. 
(Squaiella,2010) 
 Devido a reintrodução de gases, o processo de admissão do motor tem 
uma perda da quantidade de massa de oxigênio no cilindro, que vai impactar no 
processo de combustão. Com menos oxigênio disponível para queima, o processo tem 
um atraso em seu ciclo, que vai afetar diretamente redução da temperatura de chama, 
que proporcionalmente irá produzir menos NOx durante o processo. (Hawley e 
Mellow,1998 e 1999) 
 Em uma pesquisa demonstrada por Zhao (2000), é possível visualizar 
uma relação entre a temperatura e produção de NOx, quando reduzido o percentual de 
oxigênio e acréscimo de gases não reagentes na admissão. 
 
Figura 4. Diagrama Máx. Temperatura de Combustão x Massa de O2 
 
 Devido a reintrodução de gases de exaustão, há um aumento na 
temperatura do ar de admissão causada pelos gases. Tendo como consequência além 
da redução de massa de oxigênio, a criação de ilhas de calor no cilindro, que faz com 
que o ponto de autoignição do combustível seja antecipado, piorando o rendimento do 
motor. Uma solução é a utilização de um resfriador de gases, antes da readmissão no 
motor, que irá suprir a perda de rendimento no sistema. 
7. PRODUÇÃO 
 
Para atender as normas de regularização de motores de combustão diesel e 
normas ambientais, várias empresas estão se adequando a instalação de componentes 
controladores de emissão de poluentes. Um exemplo é o MAN D-08 EGR, que equipa 
os veículos automotores pesados da Volkswagen. (Souza,2018) 
 O MAN D08 EGR é um motor que possuí duas versões, sendo a primeira 
de 04 cilindros, e a segunda de 06 cilindros. Na figura 05 e 06 podemos ver como o 
EGR é acoplado no motor, em ambas versões. 
 
 
Figura 5. Desenho técnico MAN D08 EGR – 4 Cilindros 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Desenho técnico MAN D08 EGR – 6 Cilindros 
Ao contrário do SCR (Redução Catalítica Seletiva), que consiste em injetar 
solução aquosa à base de ureia (Arla 32) no sistema de exaustão do véiculo que 
promove uma reação química no catalisador, o EGR possuí um sensor no Turbo 
primário, que é chamado de lambda, controla eletrônicamente e mecânicamente no 
motor, para garantir que está dentro das normas de emissão. 
O sensor lambda manda um sinal para a unidade eletrônica do motor, que 
controla a válvula EGR, que possuí uma borboleta que permite ou não a passagem dos 
gases para o motor, tendo uma capacidade máxima de reintrodução 30%. Sensor não 
permite que seja readmitido os gases na temperatura de saída da câmara de 
combustão, tendo que passar por um sistema de resfriamento dos gases. Nas figuras 
07 e 08 podemos visualizar o gráfico de Torque e potência das duas versões. 
Figura 7. Gráfico Torque/rpm e Potência/rpm MAN D08 EGR – 4 Cilindros 
 
A primeira versão de 4 cilindros possuí 225 CV (cavalos de potência) a 2.400 
RPM (rotações por minuto), com torque de 850Nm a 1.100 – 1.600 RPM. 
Figura 8. Gráfico Torque/rpm e Potência/rpm MAN D08 EGR – 6 Cilindros 
 
 A segunda versão possuí 06 cilindros, com 275 CV a 2.300 RPM e torque de 
1050Nm de torque a 1.100 – 1.800 RPM. 
 Em ambos os gráficos visualizamos que as duas versões do motor MAN D08 
EGR, possuem uma faixa plana de torque, que gera mais eficiência e economia, isso 
ocorre por ser um motor Biturbo, possuindo uma turbina de baixa rotação e outra de 
alta rotação, que evita um trabalho em excesso dos componentes para suprir a falta de 
força do motor em certas ocasioes, gerando menos emissão de gases nocivos. 
Com a substituição do P-7 pelo P-8, incluindo o EGR, houve algumas alterações 
de instrumentos já solicitados por norma, que podem ser desconsiderados, se incluso o 
EGR. 
 
8. EQUACIONAMENTO 
 
8.1 Trocador de calor EGR 
A função principal do resfriador EGR é reduzir a temperatura dos gases de escape que 
estão sendo direcionados para a admissão. 
 
 
 Figura 9: Esquema de resfriador EGR 
 
A efetividade do resfriador EGR é medida pela relação entre a transferência de calor 
real em todo o refrigerador pela transferência de calor máxima que seria 
potencialmente possível. Considerando a temperatura dos gases de escape e do 
liquido de arrefecimento, ou seja, quando a temperatura do gás de saída torna-se igual 
a temperatura de entrada do refrigerador. 
 
Onde: 
 
TEGR, e: temperatura de entrada dos gases de escape no resfriador EGR. 
TEGR, s: temperatura de saída dos gases de escape no resfriador EGR. 
TL, e: temperatura de entrada do liquido de arrefecimento no resfriador EGR. 
 
8.2 Perda por atrito:Perdas nos tubos devido a atritos ao longo das paredes são calculadas tendo em conta 
o número de Reynolds e a rugosidade da superfície das paredes. 
 
 
 
 
 
Quando a superfície da parede é espessa e o fluxo não é laminar, o valor do 
coeficiente de atrito é o maior entre o coeficiente descrito e o calculado usando a 
equação de Nikuradse. 
 
 
 
 
 
 
Onde: 
ReD: número de Reynolds baseado no diâmetro do tubo: 
 
D: diâmetro do tubo 
 
H: altura da rugosidade 
 
 
8.3 Perdas de pressão: 
 
 
O coeficiente de perda de pressão pode ser definido como: 
 
 
 
Onde: 
 
P2: pressão total na entrada 
P1: pressão total na saída 
: Densidade 
V1: velocidade na entrada 
 
 8.3 Transferência de calor: 
 
Usando o coeficiente de transferência de calor em cada estágio de tempo da 
velocidade do fluido, propriedades termo física e acabamento da superfície da parede, 
é possível calcular a transferência de calor do fluido no tubo. O coeficiente de 
transferência de calor no tubo liso é calculado usando o método de analogia de 
Colburn. 
 
 
 
Onde: 
 
Cf: coeficiente de fricção no tubo liso 
: Densidade 
Ueff: velocidade efetiva fora da camada limite 
Cp: calor específico 
Pr: número de Prandtl 
 
 8.4 Simulação: 
 
O método de pesquisa e avaliação será a simulação de fluídos devido ao 
custo de análise de motores em bancadas, também a interação por software é mais 
rápida e qualquer alteração, por menor que seja, pode ser detectada. As peças foram 
desenhadas em modelo 3D no software SolidWorks versão 2020, e passaram por 
testes no software ANSYS Workbench na versão de 2019 R2. Para calcular e emular 
os resultados foi utilizado um computador com as seguintes configurações: 
processador Ryzen 3 3200g 3.60Ghz, com 16 GB de memória RAM DDR4, uma placa 
de vídeo RX 5500 XT 8GB e um SSD. 
Ao considerar a capacidade de realização de cálculos e simulação dos 
resultados as peças serão analisadas individualmente para garantir maior precisão. 
Considerando que para mapear o comportamento do fluído dentro das peças 
selecionadas para teste, o tipo de simulação é o Fluid Flow (CFX), que de acordo com 
Silva (2019) o CFX tem como capacidade de empregar modelos de análises como 
escoamentos, transferências de calor, flutuações, combustões e reações químicas e 
particle tracking. 
 
 
 
Após selecionada a peça, o processo seguinte é o de geração das malhas 
ao redor do objeto escolhido, o que dependendo do formato pode aumentar ou reduzir 
o tempo de criação das malhas, para o projeto será definido o formato de tetraedros, 
que por ter uma geometria maior vai reduzir o tempo de cálculo e o poder 
computacional necessário para realizar a operação sem que demande altas horas de 
trabalho. A próxima etapa é a configuração das condições de contorno a serem 
introduzidas na análise, no qual foi inserido as opções de entrada e saída do fluído, e 
as temperaturas de 1800K, 2100K e 2500K, a pressão de trabalho será constante, foi 
definido que o fluído é combustível com as opções de resíduos de combustão 
selecionadas na simulação. 
Com o processo de configuração concluído a análise vai para a parte de 
cálculo pelo software, que irá demonstrar em forma de conjunções de dados gráficos. 
O último item é a demonstração desses dados através de projeção gráfica. 
 
8.5 Material: 
 
 O material escolhido para confecção do trocador de calor em sua fase de 
testes por simulação foi o AISI 304L no qual possuí uma densidade de 8 g/cm³. As 
dimensões escolhidas para o projeto foram: 
 
1. Corpo trocador de calor: 
I. Comprimento: 110m 
II. Altura: 110m 
III. Largura: 500mm 
 
2. Tubos interno do trocador de calor: 
IV. Raio Externo: 9mm 
V. Raio Interno: 8mm 
 
3. Tubos externos do trocador de calor 
VI. Raio Externo: 32mm 
VII. Raio Interno: 30mm 
 
O corpo do material possuí espessura por todo o corpo de 3mm, no qual a 
intenção primordial é realizar os testes de troca de calor entre o fluído refrigerante e o 
fluído de trabalho. Abaixo segue imagens do trocador de calor montado e também com 
vistas que excluem as paredes laterais para melhor visualização. 
 
 
 
 
 
 
 8.6 Resultados: 
 
Para simulação foi utilizado os seguintes parâmetros, pressão de entrada do 
fluído refrigerante foi de 101 kPa (Pressão atmosférica de entrada do fluído Ar frio no 
sistema), com a temperatura ambiente de 298,15K (Kelvin) que é a temperatura de 
entrada do ar no motor. 
Fluído de trabalho, foi considerado uma temperatura bem alta, que é a 
temperatura de produção do NOx, 1.900K, para análise do comportamento interno. A 
pressão do sistema é de 250 KPa, que é a pressão de entrada no sistema, nas opções 
foi considerado a opção de turbulência dos fluídos, nas imagens a seguir consta os 
resultados da simulação. 
Ambos os gases possuem turbulência na entrada, onde tem o impacto da 
velocidade em combinação com a pressão de entrada, possuindo a velocidade média 
em alguns pontos de 2,8 ms¹, tendo uma queda ao longo do comprimento do trocador 
para 2,7ms¹. 
 
 
 
 
Ao analisar ambas imagens a abaixo, temos o fluxo de calor do trocador de 
calor e como se comporta internamente, podemos visualizar que a maior temperatura 
se concentra no centro da estrutura, com temperatura máxima de 1.900K nos tubos 
que sofrem a troca de calor, na imagem seguinte vemos que o volume do ar em vários 
pontos sofreu uma queda de temperatura, na qual nas extremidades tem o valor de 
298k. 
 
 
 
 
Após a simulação podemos tirar a conclusão durante a troca de calor entre os 
fluídos, há um acumulo de gases de escape nas extremidades da peça que também 
pela perde de velocidade na trajetória e por conta da geometria que colabora, gera um 
acúmulo. Ao considerar que temos gotículas de água na composição do fluído de 
trabalho, e que se resfriado poderá prejudicar e criar pontos de falha na estrutura por 
conta da ferrugem que pode se desenvolver ao longo do tempo, além de que pode ser 
reintroduzida no motor e prejudicar seu pleno funcionamento.