MCI-9

Prévia do material em texto

UNIDADE 9
SISTEMA DE RESFRIAMENTO
9.1 – INTRODUÇÃO 
9.2 – NECESSIDADE DO RESFRIAMENTO DOS MOTORES 
9.3 – PRINCIPAIS AGENTES ARREFECEDORES 
9.4 – TIPOS DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO 
9.5 – O RESFRIAMENTO DOS ÊMBOLOS 
9.6 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS
�
�
UNIDADE 9
SISTEMA DE RESFRIAMENTO
9.1 – INTRODUÇÃO
Quando um motor funciona, o combustível queimado na sua câmara de combustão desprende uma grande quantidade de calor. De todo esse calor, entretanto, apenas cerca de 40 a 45 % é convertido em trabalho mecânico no eixo de manivelas. E olhe que estamos tratando de um motor moderno. Como você é um aluno interessado e preocupado em saber o porquê das coisas, é possível que a seguinte pergunta possa surgir: o que é feito do restante do calor da combustão?
Esse calor, infelizmente, é perdido. Existe uma coisa relacionada com as máquinas térmicas denominada “balanço térmico”. De uma maneira bem simples, o balanço térmico do motor mostra o percentual da energia do combustível transformada em trabalho mecânico no eixo de manivelas e os percentuais restantes perdidos nos gases de descarga, na água de resfriamento, por irradiação, etc. 
9.2 – NECESSIDADE DO RESFRIAMENTO DOS MOTORES
O sistema de resfriamento do motor Diesel tem duas funções principais: a primeira é remover o excesso de calor das peças (cerca de 30 % do calor do motor), e a segunda é resfriar o óleo lubrificante que, para desempenhar sua função principal, acaba absorvendo muito calor. Se o excesso desse calor não fosse removido do sistema, o lubrificante perderia as suas propriedades e não conseguiria cumprir com a sua finalidade.
Inicialmente, gostaríamos que você entendesse que o ideal seria que o motor não precisasse ser resfriado. Infelizmente isso não é possível. Você deve saber que a temperatura dos gases no interior da câmara de combustão de um motor moderno aproxima-se dos 2000 oC. Esta temperatura é superior à de fusão da maioria dos metais e ligas que você conhece. Esse fato, por si só, já explica claramente a necessidade do resfriamento dos motores.
Apesar de todas as dificuldades na luta pelo melhor aproveitamento do calor da combustão no interior dos cilindros, os engenheiros vêm conseguindo aumentar consideravelmente o rendimento dos motores Diesel, principalmente em face dos avanços tecnológicos obtidos na área metalúrgica, os quais têm permitido significativas modificações nos projetos dos motores, no sentido de aumentar o seu rendimento e, conseqüentemente, a sua potência. A sobrealimentação, e mais recentemente o desenvolvimento dos motores de curso longo (long stroke), foram dois grandes avanços tecnológicos que permitiram o aumento significativo da potência dos motores, à custa do desenvolvimento de pressões de combustão no interior dos cilindros, e que hoje alcançam valores que giram em torno dos 140 bar.
A remoção do excesso de calor das paredes dos cilindros, cabeçotes, êmbolos, injetores e do próprio óleo lubrificante continua sendo indispensável para a continuidade do funcionamento do motor. Entretanto, o resfriamento não deve ser excessivo pois, quanto mais resfriamos um motor, mais diminuímos o seu rendimento térmico.
9.3 – PRINCIPAIS AGENTES RESFRIADORES
Os sistemas de resfriamento dos motores de pequeno porte utilizam normalmente somente ar, ou ar e água doce como agentes arrefecedores. Nos motores marítimos de médio e de grande porte, o usual é utilizar a água doce circulando no motor, sendo esta resfriada posteriormente por água do mar ou do rio, conforme a região em que o navio se encontra. Nos grandes motores marítimos de propulsão, não apenas a água, mas também o próprio óleo lubrificante do motor podem ser utilizados como agente arrefecedor dos êmbolos. Assim, podemos encontrar diferentes arranjos de sistemas de resfriamento, sendo dos quais os mais comuns serão descritos a partir de agora.
9.4 – TIPOS DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO
Os sistemas de resfriamento utilizados nos motores Diesel e de explosão podem ser divididos em diretos e indiretos. Dentre os sistemas de resfriamento do tipo direto encontramos: o resfriamento por ar, que por sua vez pode utilizar a ventilação natural ou a ventilação forçada, e o resfriamento por água, que utiliza apenas a água do mar ou do rio. Portanto, você pode observar, desde agora que, para os motores alternativos de combustão interna, todo e qualquer sistema de resfriamento do tipo direto utiliza apenas um fluido arrefecedor.
Resfriamento direto por ar
Trata-se de um sistema pouco utilizado nos dias de hoje. Costuma aparecer em motores de motocicletas ou de pequenos veículos. O sistema pode apresentar-se de duas formas: com ventilação natural ou com ventilação forçada. Em qualquer das formas, os cilindros do motor são dotados de aletas para aumentar a superfície de contato com o ar. No sistema de resfriamento com ventilação natural, utilizado em alguns tipos de motocicletas, a eficiência do resfriamento depende fundamentalmente do deslocamento do veículo. No sistema de resfriamento por ar com ventilação forçada, uma ventoinha é instalada na extremidade do eixo de manivelas, forçando o ar por um conduto em direção às aletas dos cilindros. As figuras 9.1 A e 9.2 B mostram os arranjos que acabamos de descrever.
Resfriamento direto por água
Na sua forma mais comum, o resfriamento direto por água é obtido da maneira mostrada na figura 9.2.
Através da válvula de fundo e do ralo uma bomba, acionada pelo próprio motor, aspira a água do mar ou do rio e descarrega-a para o resfriador de óleo, de onde vai para as câmaras de resfriamento apropriadas em volta dos cilindros e cabeçote do motor, sendo em seguida descarregada para o mar ou rio. Como você pode perceber, um sistema desses é extremamente simples e necessita apenas de uma válvula, um ralo, uma bomba centrífuga ou alternativa, e de pequenas seções de tubos para a admissão e descarga da água. É bastante empregado em embarcações miúdas.
�
c) Resfriamento indireto, combinado por ar e água
A característica de todos os sistemas de resfriamento do tipo indireto é que nele são utilizados dois fluidos arrefecedores. O resfriamento indireto combinado pode ser feito por água doce e ar ou por água doce e água salgada. 
O resfriamento indireto combinado por água e ar é muito aplicado, não apenas nos motores automotivos, mas também nos estacionários terrestres e em alguns marítimos de pequeno porte. Nesse sistema, uma bomba faz a água doce circular em volta das camisas dos cilindros e nas câmara de água existentes no cabeçote do motor, absorvendo o excesso de calor dos mesmos e conduzindo-o para um reservatório multitubular denominado radiador, onde o ar forçado sobre as aletas desses tubos remove da água de circulação do sistema o excesso de calor absorvido no motor. 	
A bomba, o radiador e a válvula termostática são os principais componentes do sistema. A bomba é normalmente do tipo centrífuga, sendo acionada pelo próprio motor, como mostra a figura 9.3.
O radiador é um tanque constituído de um reservatório superior e um inferior ligados entre si por vários tubos aletados, como mostrado na figura 9.4. Como não poderia deixar de ser, a água trabalha no interior dos mesmos e o ar envolve os tubos e as suas aletas. Estas servem para aumentar a superfície de contato com o ar, aumentando dessa feita a eficiência do sistema de resfriamento.
O conjunto formado pelos tubos de água e as aletas é chamado de colméia. 
�
A válvula termostática, por sua vez, tem por finalidade controlar o fluxo da água de resfriamento por dentro e por fora do radiador, quando a sua temperatura é muito alta ou muito baixa para o sistema. Assim, ela deve manter a temperatura da água de circulação dentro das condições desejadas.
As figuras 9.5 A e 9.5 B mostram o sistema de resfriamento com a válvula termostática nas condições de fechada e aberta. 
Com a válvula fechada ( como mostra a figura 9.5 A ), a água não passa no radiador, voltando, portanto, ao motor sem sofrero resfriamento do ar. Com a válvula aberta ( figura 9.5 B ), a água de circulação sai do motor e entra no radiador onde é resfriada pelo ar induzido na colméia. Do radiador a água é aspirada novamente pela bomba que a envia ao bloco do motor para circular nas jaquetas em torno dos cilindros, passar pelos espaços ocos do cabeçote e seguir novamente para o interior do radiador.
OBSERVAÇÃO IMPORTANTE:
ATENÇÃO ! NÃO É CORRETA A ATITUDE DE UM MECÂNICO QUE ELIMINA A VÁLVULA TERMOSTÁTICA DO SISTEMA QUANDO ELA APRESENTA DEFEITO. CERTO MESMO É SUBSTITUÍ-LA, POIS ELA DESEMPENHA UM PAPEL MUITO IMPORTANTE, PRINCIPALMENTE NO MOMENTO DO ARRANQUE OU QUANDO O MOTOR OPERA EM REGIÕES DE CLIMA FRIO. 
 No caso dos motores estacionários, a ventoinha do radiador funciona direto e serve para aumentar o fluxo de ar através da colmeia. No caso dos motores automotivos modernos, o funcionamento da ventoinha (que é acionada por motor elétrico) é controlado por um sensor de temperatura da água do motor. Com o veículo em movimento, o próprio deslocamento permite uma boa corrente de ar através da colmeia. Assim, a ventoinha pode entrar e sair automaticamente de funcionamento, de acordo com a necessidade do sistema. Com o veículo parado e o motor funcionando, a corrente de ar é insuficiente, e nesse caso o sistema automático deve ligar e manter a ventoinha funcionando até que a temperatura da água atinja o valor desejado.
Resfriamento indireto combinado por água doce e água do mar (ou do rio)
Este é, sem dúvida alguma, o sistema mais empregado nos navios mercantes de médio e de grande porte. Nele, uma bomba centrífuga, acionada por motor elétrico ou pelo próprio motor de combustão, é utilizada para circular água doce pelos espaços apropriados no interior do motor. Essa água passa por dentro de um aparelho denominado resfriador de água doce, onde troca calor com a água do mar ou do rio que passa pelo interior dos tubos ou das placas do mesmo. Essa água é aspirada do mar ou rio por uma bomba centrífuga dependente ou independente do motor, e descarregada para o resfriador, de onde retorna novamente ao mar ou rio. A figura 9.6. mostra um sistema de resfriamento simplificado utilizado em navios de médio e de grande porte. 
O funcionamento do sistema é o seguinte: a bomba de água doce envia a água para a parte inferior do bloco do motor. Passando pelos espaços apropriados, ela sai aquecida pela parte superior do mesmo. Então ela entra no resfriador para trocar calor com a água do mar proveniente da bomba de água salgada. Do resfriador a água doce é novamente aspirada pela bomba que a envia para o motor. Um tanque elevado, denominado tanque de expansão e/ou compensação é comunicado com o sistema, e, como o próprio nome sugere, tem duas finalidades:
absorver o aumento do volume da água aquecida sem danos para o sistema, daí o nome de tanque de expansão; e
compensar possíveis perdas de água pelos engaxetamentos de válvulas, juntas, selos mecânicos deficientes, perdas por evaporação etc., justificando também a denominação de tanque de compensação.
A válvula termostática de três vias que aparece no sistema permite controlar a temperatura adequada da água doce. Observe que o sensor da referida válvula está posicionado na linha de saída da água do motor, e permite controlar automaticamente a quantidade de água doce que deve passar pelo resfriador para que o sistema opere com a temperatura desejada. 
Com relação à qualidade do agente arrefecedor, o ideal é encher o sistema com água destilada produzida a bordo por um grupo destilatório, analisá-la periodicamente e dosar os produtos químicos recomendados pelo fabricante, principalmente para proteger as partes internas do motor contra a corrosão. Pelo lado da água salgada, os cuidados principais referem-se à limpeza dos ralos, dos tubos ou placas do resfriador de água doce, verificação dos anodos de sacrifício, etc. Como não poderia deixar de ser, as bombas do sistema também devem ser cobertas pelo programa de manutenção planejada do navio.
Resfriamento indireto sob quilha 
O resfriamento indireto sob quilha é também um sistema de resfriamento combinado porque utiliza as ações arrefecedoras da água doce e da água do mar ou do rio. Embora rapidamente, ele será estudado aqui por causa da sua larga aplicação em barcos de pesca que navegam em águas lamacentas ou arenosas. 
Nesse sistema, que é mostrado na figura 9.7, vários tubos de resfriamento são dispostos longitudinalmente e fixados na parte exterior do fundo da embarcação. 
Por dentro desses tubos passa a água doce de circulação do motor que, como você já sabe, é forçada por meio de uma bomba. Dessa maneira, os tubos do resfriador trabalham mergulhados na água do mar ou do rio onde o navio navega. A principal vantagem desse sistema é a sua simplicidade. As suas principais desvantagens são:
PAUSA PARA A REFLEXÃO ...
PENSE UM POUCO E RESPONDA: QUAIS SÃO AS DESVANTAGENS DESSE SISTEMA?
Estas desvantagens estão relacionadas, por exemplo:
à velocidade do barco;
àquilo que poderia acontecer se o casco arrastasse no fundo;
àquilo que seria preciso fazer para soldar ou trocar um tubo.
9. 5 - O RESFRIAMENTO DOS ÊMBOLOS
A transferência de calor através de uma substância varia com o coeficiente de condutibilidade térmica dessa substância, com a sua natureza, com a sua área de contato, com o tempo de contato, etc. Como a transferência de calor é feita em tempo inversamente proporcional à espessura da peça, pode-se dizer que o tamanho do cilindro do motor é limitado porque, logicamente, quanto mais se aumenta o seu tamanho, mais se aumenta a espessura das suas paredes, acarretando temperaturas de funcionamento mais elevadas, uma vez que o calor não pode ser absorvido de maneira tão rápida quanto seria desejável pelo agente arrefecedor do motor. 
Nos motores de pequeno e em alguns de médio porte, o resfriamento do êmbolo pode ser feito por borrifo ou esguicho, como mostrado na figura 9.8, no qual o lubrificante, subindo pela conectora, lubrifica o pino do êmbolo e, em seguida, é borrifado ou esguichado nas paredes internas do êmbolo.
Nos motores de grande porte, a quantidade de calor a ser transferida do êmbolo para as paredes dos cilindros exige um resfriamento adicional. Nesse caso, a água doce ou o próprio óleo lubrificante do motor podem ser utilizados como agentes arrefecedores. Em qualquer dos casos, entretanto, utilizam-se os chamados “tubos telescópicos”, que, como o próprio nome sugere, são dois tubos que trabalham um dentro do outro.
O resfriamento dos êmbolos feito com óleo por meio de tubos telescópicos é conseguido de maneira semelhante à utilizada no resfriamento com água. A grande vantagem é poder utilizar o mesmo óleo do sistema de lubrificação principal do motor. Assim, uma possível avaria no sistema de tubos telescópicos não contamina o lubrificante, coisa que pode acontecer facilmente quando se utiliza a água como agente arrefecedor dos êmbolos.
A maior desvantagem da utilização do óleo lubrificante é que seu calor específico é bem menor que o da água e, portanto, considerando a mesma quantidade de calor a ser removida, a quantidade de óleo necessária para o resfriamento é aproximadamente três vezes superior à quantidade de água. Além disso, o lubrificante em contato com uma superfície aquecida tende a formar uma capa ou crosta que reduz a troca de calor. Para minimizar esses problemas, torna-se necessário fazer com que o óleo circule com bastante velocidade no interior da coroa do êmbolo, diminuindo assim o tempo de contato com as paredes internas da mesma. 
A figura 9.8 mostra um êmbolo de um motor B&W resfriado por óleo. 
O sistema consta de dois tubos concêntricos, estando um deles sujeito a uma parte fixa do motor e o outro conectado à cruzeta, acompanhando, portanto, o seu movimento. O tubo interno (1), que é denominado telescópico, desliza dentro do outro tubo (2), que é fixo. Com o objetivo de evitar perdas de óleo e a conseqüenteperda de pressão, existe entre um e outro tubo uma peça (3) revestida com material antifricção que, além de servir como guia ao tubo interno, assegura a estanqueidade necessária com relação ao conduto fixo (2).
É importantíssimo que du​rante a montagem os tubos sejam devidamente alinhados, atentando-se para a concentricidade dos mesmos. 
Se isso não for observado, poderá haver roçamentos fortes e a conseqüente ruptura do telescópico. A ruptura de um tubo telescópico ou a falta de estanqueidade no sistema pode provocar uma considerável avaria no motor, já que faltaria ou diminuiria o fluxo de óleo na coroa do êmbolo, acarretando um superaquecimento capaz de provocar dilatações excessivas que, além de danificar o êmbolo, os anéis e a camisa, pode provocar a parada do motor, independentemente da ação do operador. Por isso, ressaltamos aqui a necessidade de uma vigilância constante durante o seu funcionamento.
O controle da temperatura do óleo de resfriamento dos êmbolos é facilitado pela existência de termômetros nas tubulações de retorno de cada cilindro, as quais passam normalmente por fora do motor. Essas tubulações, uma para cada êmbolo, costumam trazer visores para permitir a visualização do fluxo do óleo de resfriamento. Assim, tanto a elevação da temperatura, quanto a diminuição da quantidade de óleo observada num desses visores em relação aos outros, apresenta um forte indício de avaria em um telescópico, obrigando o operador a tomar providências imediatas a fim de evitar avarias consideráveis como aquelas já mencionadas. Além dos recursos já mencionados, o sistema de resfriamento é monitorado e controlado da sala de controle, dispondo inclusive de alarmes visuais e sonoros.
OBSERVAÇÃO IMPORTANTE:
VOCÊ JÁ ESTUDOU UM POUCO DE RESFRIAMENTO DE INJETORES, ÊMBOLOS, CILINDROS, CABEÇOTES E TURBOCOMPRESSORES. POR ISSO, PARA FINALIZAR ESTA UNIDADE DE ENSINO, APRESENTAMOS NA FIGURA 89 UM ARRANJO GERAL PARA UM MOTOR DE GRANDE PORTE, COM RESFRIAMENTO INDEPENDENTE DE CAMISAS, ÊMBOLOS E INJETORES DE COMBUSTÍVEL.. OBSERVE, ENTRETANTO, QUE O CIRCUITO DE ÁGUA SALGADA NÃO APARECE NA FIGURA. SIGA OS CIRCUITOS DE ÁGUA DOCE COM MUITA ATENÇÃO. QUALQUER DÚVIDA, RELEIA OS TEXTOS QUE TRATAM DO ASSUNTO. NÃO DEIXE AS DÚVIDAS CONTINUAREM A EXISTIR. VOCÊ VAI APRENDER !
�
ATENÇÃO! NÃO ESTRANHE A PRESENÇA DO AQUECEDOR E DAS RESISTÊNCIAS DE AQUECIMENTO NO INTERIOR DOS TANQUES DO SISTEMA DA FIGURA, POIS COM O MOTOR PARADO ELE PRECISA FICAR EM REGIME DE AQUECIMENTO. ESSA EXIGÊNCIA TORNA-SE MAIOR AINDA, QUANDO O NAVIO SE ENCONTRA EM REGIÕES DE CLIMA FRIO.
NÃO ESQUEÇA ! EMBORA NEM SEMPRE SEJA POSSÍVEL, O IDEAL SERIA QUE O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA FOSSE SEMPRE PRÉ-AQUECIDO E PRÉ-LUBRIFICADO ANTES DE SER COLOCADO EM FUNCIONAMENTO. ESSE PROCEDIMENTO PRESERVA A SUA VIDA ÚTIL .
AGORA, VOCÊ PODERÁ VERIFICAR A SUA APRENDIZAGEM. APROVEITE ESSE MOMENTO DE ESTUDO.
�
9.6 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS
I) Escreva certo ou errado de acordo com as afirmativas:
(_____________) A finalidade do sistema de resfriamento é remover o máximo possível de calor do motor.
2) 	(_____________) 	De um modo geral, os sistemas de resfriamento dos motores podem ser divididos em diretos e indiretos.
(_____________) Os sistemas de resfriamento direto utilizam apenas um agente arrefecedor.
(_____________) Nem todos os motores resfriados por ar necessitam de uma ventoinha no eixo de manivelas.
(_____________) 	A água doce de resfriamento deve entrar no motor pelo cabeçote e sair pelo bloco de cilindros.
6) 	(_____________) No motor Diesel, cerca de 70 % do calor da combustão é transformado em trabalho mecânico no eixo de manivelas.
(_____________) 	Os tubos telescópicos servem para permitir ao operador observar qualquer problema no interior do motor.
(_____________) 	A colmeia é o conjunto de tubos e aletas do radiador.
(_____________) 	A válvula termostática só deixa o agente arrefecedor passar em uma direção.
(_____________) Ar ou água do mar são agentes arrefecedores utilizados nos sistemas diretos de resfriamento para motores.
II) Assinale a única alternativa correta em cada item:
Se resfriarmos excessivamente um motor Diesel ou de explosão, estaremos:
aumentando a sua potência.
aumentando o cruzamento de válvulas.
diminuindo o seu consumo de combustível.
diminuindo o seu rendimento térmico.
alterando o avanço à injeção.
Dos componentes abaixo, o que pertence ao sistema de resfriamento indireto combinado de água doce e água do mar (ou do rio) é o tanque:
de expansão.
de sobras.
de borras.
de destilado.
de alimentação da caldeira.
Os cilindros dos motores resfriados por ar devem possuir:
 
ejetores de ar.
válvulas de dreno.
aletas.
camisas de cobre.
camisas ovalizadas.
São todos agentes arrefecedores utilizados nos motores de propulsão dos navios de grande porte: 
 
água doce – ar – óleo lubrificante.
água doce – água do mar – óleo lubrificante.
água do mar – ar – óleo lubrificante.
ar – água do mar – óleo combustível.
água destilada – ar – óleo Diesel.
No resfriamento indireto sob quilha, o resfriador de água doce é instalado:
no interior da casa do leme.
na praça de máquinas.
ao lado do tanque de expansão.
embaixo do casco do navio.
no passadiço.
�
Fig. 9.2 – Sistema de resfriamento por água
Fig. 9.1 – Sistema de resfriamento por ar
Fig. 9.3 – Sistema de resfriamento por ar e água
�
Fig. 9.4 - Radiador
Fig. 9.5 – Sistema de resfriamento com válvula fechada e aberta
Fig. 9.6
�
�
Fig. 9.7 – Sistema de resfriamento indireto sob quilha
Fig. 9.8 – Resfriamento do êmbolo
Fig. 9.9 – Motor B e W resfriado por óleo
Fig. 9.10
�PAGE �1�
�PAGE �158�