Radiador (resfriamento do motor) - Radiator (engine cooling)

Um radiador refrigerante de motor típico usado em um automóvel

Os radiadores são trocadores de calor usados ​​para resfriar motores de combustão interna , principalmente em automóveis, mas também em aeronaves com motor a pistão , locomotivas ferroviárias , motocicletas , usinas geradoras estacionárias ou qualquer uso semelhante de tal motor.

Os motores de combustão interna costumam ser resfriados pela circulação de um líquido chamado refrigerante do motor através do bloco do motor , onde é aquecido, por meio de um radiador, onde perde calor para a atmosfera e depois retorna ao motor. O líquido de arrefecimento do motor geralmente é à base de água, mas também pode ser óleo. É comum empregar uma bomba d'água para forçar a circulação do refrigerante do motor e também um ventilador axial para forçar o ar através do radiador.

Automóveis e motocicletas

Refrigerante sendo derramado no radiador de um automóvel

Em automóveis e motocicletas com motor de combustão interna refrigerado a líquido , um radiador é conectado a canais que passam pelo motor e pela cabeça do cilindro , através dos quais um líquido (refrigerante) é bombeado . Este líquido pode ser água (em climas onde é improvável que a água congele), mas é mais comumente uma mistura de água e anticongelante em proporções adequadas ao clima. O anticongelante em si é geralmente etilenoglicol ou propilenoglicol (com uma pequena quantidade de inibidor de corrosão ).

Um sistema de refrigeração automotivo típico compreende:

  • uma série de galerias lançadas no bloco do motor e na cabeça do cilindro, circundando as câmaras de combustão com líquido circulante para dissipar o calor;
  • um radiador, composto por muitos pequenos tubos equipados com uma colmeia de aletas para dissipar o calor rapidamente, que recebe e resfria o líquido quente do motor;
  • uma bomba de água , geralmente do tipo centrífuga, para fazer circular o refrigerante pelo sistema;
  • um termostato para controlar a temperatura variando a quantidade de refrigerante que vai para o radiador;
  • um ventilador para puxar o ar frio através do radiador.

O radiador transfere o calor do fluido interno para o ar externo, resfriando o fluido, que por sua vez resfria o motor. Os radiadores também são freqüentemente usados ​​para resfriar fluidos de transmissão automática , refrigerante de ar condicionado , ar de admissão e, às vezes, para resfriar óleo de motor ou fluido de direção hidráulica . Os radiadores são normalmente montados em uma posição onde recebem o fluxo de ar do movimento para a frente do veículo, como atrás de uma grade frontal. Quando os motores são montados no meio ou na traseira, é comum montar o radiador atrás de uma grade frontal para obter fluxo de ar suficiente, mesmo que isso requeira tubos de refrigeração longos. Em alternativa, o radiador pode retirar o ar do fluxo por cima do veículo ou de uma grelha lateral. Para veículos longos, como ônibus, o fluxo de ar lateral é mais comum para o resfriamento do motor e da transmissão e o fluxo de ar superior é mais comum para o resfriamento do ar condicionado.

Construção do radiador

Os radiadores de automóveis são construídos com um par de tanques coletores de metal ou plástico, ligados por um núcleo com muitas passagens estreitas, proporcionando uma grande área de superfície em relação ao volume. Este núcleo é geralmente feito de camadas empilhadas de folha de metal, pressionadas para formar canais e soldadas ou brasadas juntas. Por muitos anos, os radiadores foram feitos de núcleos de latão ou cobre soldados a coletores de latão. Os radiadores modernos têm núcleos de alumínio e, muitas vezes, economizam dinheiro e peso usando cabeçotes de plástico com gaxetas. Esta construção está mais sujeita a falhas e menos facilmente reparada do que os materiais tradicionais.

Tubos do radiador do favo de mel

Um método de construção anterior era o radiador em favo de mel. Tubos redondos foram moldados em hexágonos em suas extremidades, depois empilhados e soldados. Como eles apenas tocavam nas pontas, isso formou o que se tornou um tanque de água sólido com muitos tubos de ar através dele.

Alguns carros antigos usam núcleos de radiador feitos de tubo em espiral, uma construção menos eficiente, mas mais simples.

Bomba de refrigeração

Uma vista seccionada do bloco de cilindros, radiador e mangueiras de conexão.  As mangueiras ligam as partes superior e inferior de cada um, sem qualquer bomba, mas com um ventilador de resfriamento acionado pelo motor
Sistema de resfriamento termossifão de 1937, sem bomba circulante

Os radiadores primeiro usaram o fluxo vertical descendente, impulsionado exclusivamente por um efeito termossifão . O refrigerante é aquecido no motor, torna-se menos denso e sobe. Conforme o radiador resfria o fluido, o refrigerante se torna mais denso e diminui. Este efeito é suficiente para motores estacionários de baixa potência , mas inadequado para todos, exceto os primeiros automóveis. Todos os automóveis, por muitos anos, têm usado bombas centrífugas para circular o líquido de arrefecimento do motor porque a circulação natural tem taxas de fluxo muito baixas.

Aquecedor

Um sistema de válvulas ou defletores, ou ambos, geralmente é incorporado para operar simultaneamente um pequeno radiador dentro do veículo. Esse pequeno radiador e o ventilador associado são chamados de núcleo do aquecedor e servem para aquecer o interior da cabine. Como o radiador, o núcleo do aquecedor atua removendo o calor do motor. Por esta razão, técnicos automotivos muitas vezes aconselham os operadores de transformar no aquecedor e configurá-lo para alto se o motor está superaquecendo , para ajudar o radiador principal.

Controle de temperatura

Controle de fluxo de água

Termostato do motor do carro

A temperatura do motor em carros modernos é controlada principalmente por um termostato do tipo pellet de cera , uma válvula que se abre assim que o motor atinge sua temperatura operacional ideal .

Quando o motor está frio, o termostato é fechado, exceto por um pequeno fluxo de desvio para que o termostato experimente alterações na temperatura do líquido de arrefecimento à medida que o motor esquenta. O líquido de arrefecimento do motor é direcionado pelo termostato para a entrada da bomba de circulação e retorna diretamente para o motor, desviando do radiador. Direcionar a água para circular apenas pelo motor permite que ele alcance a temperatura operacional ideal o mais rápido possível, evitando "pontos quentes" localizados. Quando o refrigerante atinge a temperatura de ativação do termostato, ele se abre, permitindo que a água flua pelo radiador para evitar que a temperatura aumente.

Uma vez na temperatura ideal, o termostato controla o fluxo do líquido de arrefecimento do motor para o radiador para que o motor continue a operar na temperatura ideal. Em condições de pico de carga, como dirigir lentamente em uma colina íngreme com muita carga em um dia quente, o termostato estará se aproximando totalmente aberto porque o motor estará produzindo perto da potência máxima enquanto a velocidade do fluxo de ar através do radiador é baixa. (A velocidade do fluxo de ar através do radiador tem um grande efeito em sua capacidade de dissipar calor.) Por outro lado, ao fazer uma descida rápida em uma estrada em uma noite fria com um acelerador leve, o termostato estará quase fechado porque o motor está produzindo pouca potência, e o radiador é capaz de dissipar muito mais calor do que o motor está produzindo. Permitir um fluxo excessivo de refrigerante para o radiador resultaria no motor super resfriado e operando a uma temperatura inferior à ideal, resultando em menor eficiência de combustível e aumento das emissões de escapamento. Além disso, a durabilidade, confiabilidade e longevidade do motor são às vezes comprometidas, se qualquer componente (como os rolamentos do virabrequim ) for projetado para levar em conta a expansão térmica para se encaixar nas folgas corretas. Outro efeito colateral do resfriamento excessivo é o desempenho reduzido do aquecedor da cabine, embora em casos típicos ele ainda sopre ar a uma temperatura consideravelmente mais alta do que a ambiente.

O termostato está, portanto, se movendo constantemente em toda a sua faixa, respondendo às mudanças na carga operacional do veículo, velocidade e temperatura externa, para manter o motor em sua temperatura operacional ideal.

Em carros antigos, você pode encontrar um termostato do tipo fole, que tem um fole corrugado contendo um líquido volátil, como álcool ou acetona. Esses tipos de termostatos não funcionam bem em pressões do sistema de resfriamento acima de cerca de 7 psi. Os veículos motorizados modernos normalmente funcionam a cerca de 15 psi, o que impede o uso do termostato do tipo fole. Em motores refrigerados a ar direto, isso não é uma preocupação para o termostato de fole que controla uma válvula de flap nas passagens de ar.

Controle de fluxo de ar

Outros fatores influenciam a temperatura do motor, incluindo o tamanho do radiador e o tipo de ventoinha do radiador. O tamanho do radiador (e, portanto, sua capacidade de resfriamento ) é escolhido de forma que possa manter o motor na temperatura projetada sob as condições mais extremas que um veículo pode encontrar (como escalar uma montanha enquanto totalmente carregado em um dia quente) .

A velocidade do fluxo de ar através de um radiador é uma grande influência no calor que ele dissipa. A velocidade do veículo afeta isso, em proporção aproximada ao esforço do motor, dando assim um feedback autorregulatório bruto. Onde um ventilador de resfriamento adicional é acionado pelo motor, ele também rastreia a rotação do motor de forma semelhante.

Os ventiladores acionados pelo motor são frequentemente regulados por uma embreagem do ventilador da correia de transmissão, que desliza e reduz a velocidade do ventilador em baixas temperaturas. Isso melhora a eficiência do combustível por não desperdiçar energia ao dirigir o ventilador desnecessariamente. Em veículos modernos, a regulação adicional da taxa de resfriamento é fornecida por ventiladores de radiador de velocidade variável ou cíclicos. Os ventiladores elétricos são controlados por um interruptor termostático ou pela unidade de controle do motor . Os ventiladores elétricos também têm a vantagem de fornecer um bom fluxo de ar e resfriamento em baixas rotações do motor ou quando parados, como em tráfego lento.

Antes do desenvolvimento dos ventiladores elétricos e de transmissão viscosa, os motores eram equipados com ventiladores fixos simples que puxavam o ar pelo radiador o tempo todo. Veículos cujo projeto exigia a instalação de um grande radiador para lidar com trabalhos pesados ​​em altas temperaturas, como veículos comerciais e tratores , muitas vezes funcionavam frios em climas frios sob cargas leves, mesmo com a presença de um termostato , como o grande radiador e fixo o ventilador causou uma queda rápida e significativa na temperatura do refrigerante assim que o termostato abriu. Este problema pode ser resolvido ajustando-se um cego radiador (ou mortalha radiador ) para o radiador que pode ser ajustado para bloquear parcialmente ou totalmente o fluxo de ar através do radiador. Na sua forma mais simples, a cortina é um rolo de material como lona ou borracha que é desenrolado ao longo do comprimento do radiador para cobrir a parte desejada. Alguns veículos mais antigos, como os caças monomotores da era da Primeira Guerra Mundial SE5 e SPAD S.XIII , têm uma série de venezianas que podem ser ajustadas no assento do motorista ou do piloto para fornecer um certo grau de controle. Alguns carros modernos têm uma série de venezianas que são abertas e fechadas automaticamente pela unidade de controle do motor para fornecer um equilíbrio entre refrigeração e aerodinâmica, conforme necessário.

Ventilador de resfriamento do radiador para o motor principal de uma locomotiva VIA Rail GE P42DC .
Esses barramentos AEC Regent III RT são equipados com cortinas de radiador, vistas aqui cobrindo a metade inferior dos radiadores.

Pressão do refrigerante

Como a eficiência térmica dos motores de combustão interna aumenta com a temperatura interna, o refrigerante é mantido em uma pressão superior à atmosférica para aumentar seu ponto de ebulição . Uma válvula de alívio de pressão calibrada geralmente é incorporada na tampa de enchimento do radiador. Essa pressão varia entre os modelos, mas normalmente varia de 4 a 30 psi (30 a 200 kPa).

Conforme a pressão do sistema de refrigeração aumenta com o aumento da temperatura, ela alcançará o ponto onde a válvula de alívio de pressão permite que o excesso de pressão escape. Isso irá parar quando a temperatura do sistema parar de subir. No caso de um radiador cheio demais (ou tanque coletor), a pressão é ventilada permitindo que um pouco de líquido escape. Isso pode simplesmente escorrer para o solo ou ser recolhido em um recipiente ventilado que permanece à pressão atmosférica. Quando o motor é desligado, o sistema de refrigeração esfria e o nível do líquido cai. Em alguns casos em que o excesso de líquido foi coletado em uma garrafa, ele pode ser "sugado" de volta para o circuito principal de refrigeração. Em outros casos, não é.

Refrigerante do motor

Antes da Segunda Guerra Mundial, o refrigerante do motor era geralmente água pura. O anticongelante era usado exclusivamente para controlar o congelamento, e isso geralmente era feito apenas em climas frios.

O desenvolvimento de motores de aeronaves de alto desempenho exigiu refrigerantes aprimorados com pontos de ebulição mais altos, levando à adoção de misturas de glicol ou água-glicol. Isso levou à adoção de glicóis por suas propriedades anticongelantes.

Desde o desenvolvimento dos motores de alumínio ou metal misto, a inibição da corrosão tornou-se ainda mais importante do que o anticongelante e em todas as regiões e estações do ano.

Fervendo ou superaquecendo

Um tanque de transbordamento que seca pode resultar na vaporização do refrigerante, o que pode causar superaquecimento localizado ou geral do motor. Podem ocorrer danos graves, como juntas do cabeçote estouradas e cabeçotes de cilindro ou blocos de cilindro empenados ou rachados . Às vezes, não haverá nenhum aviso, porque o sensor de temperatura que fornece dados para o medidor de temperatura (seja mecânico ou elétrico) é exposto ao vapor de água, não ao líquido refrigerante, fornecendo uma leitura falsa e prejudicial.

Abrir um radiador quente diminui a pressão do sistema, o que pode fazer com que ele ferva e ejete líquido e vapor perigosamente quentes. Portanto, as tampas dos radiadores geralmente contêm um mecanismo que tenta aliviar a pressão interna antes que a tampa possa ser totalmente aberta.

História

A invenção do radiador de água para automóveis é atribuída a Karl Benz . Wilhelm Maybach projetou o primeiro radiador de favo de mel para o Mercedes 35hp .

Radiadores suplementares

Às vezes, é necessário que um carro seja equipado com um segundo radiador, ou auxiliar, para aumentar a capacidade de refrigeração, quando o tamanho do radiador original não pode ser aumentado. O segundo radiador é conectado em série com o radiador principal do circuito. Este foi o caso quando o Audi 100 foi turbinado pela primeira vez criando o 200. Estes não devem ser confundidos com intercoolers .

Alguns motores têm um resfriador de óleo, um pequeno radiador separado para resfriar o óleo do motor . Carros com transmissão automática geralmente têm conexões extras com o radiador, permitindo que o fluido da transmissão transfira seu calor para o refrigerante no radiador. Eles podem ser radiadores a óleo-ar, como para uma versão menor do radiador principal. Mais simplesmente, eles podem ser refrigeradores de óleo-água, onde um tubo de óleo é inserido dentro do radiador de água. Embora a água seja mais quente do que o ar ambiente, sua maior condutividade térmica oferece resfriamento comparável (dentro dos limites) de um resfriador de óleo menos complexo e, portanto, mais barato e confiável. Menos comumente, fluido de direção hidráulica, fluido de freio e outros fluidos hidráulicos podem ser resfriados por um radiador auxiliar em um veículo.

Turbo ou sobrealimentado motores podem ter um permutador de calor , que é um aparelho de ar-ar ou radiador de ar-água utilizada para arrefecer o ar que entra a carga não-arrefecer o motor.

Aeronave

Aeronaves com motores a pistão refrigerados a líquido (geralmente motores em linha em vez de radiais) também requerem radiadores. Como a velocidade no ar é maior do que a dos carros, eles são resfriados com eficiência durante o vôo e, portanto, não requerem grandes áreas ou ventiladores de resfriamento. Muitas aeronaves de alto desempenho, no entanto, sofrem problemas extremos de superaquecimento quando em marcha lenta no solo - meros sete minutos para um Spitfire . Isso é semelhante aos carros de Fórmula 1 de hoje, quando parados no grid com os motores funcionando, eles precisam de ar canalizado forçado para dentro de seus radiadores para evitar o superaquecimento.

Radiadores de superfície

A redução do arrasto é uma meta importante no projeto de aeronaves, incluindo o projeto de sistemas de resfriamento. Uma técnica inicial era aproveitar o fluxo de ar abundante de uma aeronave para substituir o núcleo do favo de mel (muitas superfícies, com uma alta proporção de superfície para volume) por um radiador montado na superfície. Isso usa uma única superfície mesclada com a fuselagem ou pele da asa, com o refrigerante fluindo através de tubos na parte de trás dessa superfície. Esses projetos foram vistos principalmente em aeronaves da Primeira Guerra Mundial .

Como são tão dependentes da velocidade do ar, os radiadores de superfície são ainda mais propensos a superaquecimento durante o funcionamento em solo. Aeronaves de corrida como o Supermarine S.6B , um hidroavião de corrida com radiadores embutidos nas superfícies superiores de seus flutuadores, foram descritas como "voando no medidor de temperatura" como o principal limite em seu desempenho.

Os radiadores de superfície também foram usados ​​por alguns carros de corrida de alta velocidade, como o Blue Bird de 1928 , de Malcolm Campbell .

Sistemas de refrigeração pressurizados

Tampas de radiador para sistemas de refrigeração automotivos pressurizados. Das duas válvulas, uma impede a criação de vácuo, a outra limita a pressão.

Geralmente, é uma limitação da maioria dos sistemas de resfriamento que o fluido de resfriamento não pode ferver, pois a necessidade de manusear o gás no fluxo complica muito o projeto. Para um sistema refrigerado a água, isso significa que a quantidade máxima de transferência de calor é limitada pela capacidade de calor específica da água e a diferença de temperatura entre ambiente e 100 ° C. Isso fornece um resfriamento mais eficaz no inverno ou em altitudes mais elevadas, onde as temperaturas são baixas.

Outro efeito que é especialmente importante no resfriamento de aeronaves é que a capacidade de calor específico muda e o ponto de ebulição reduz com a pressão, e essa pressão muda mais rapidamente com a altitude do que a queda na temperatura. Assim, geralmente, os sistemas de refrigeração líquida perdem capacidade conforme a aeronave sobe. Este foi o principal limite de desempenho durante a década de 1930, quando a introdução dos turbosupercompressores permitiu viagens convenientes em altitudes acima de 15.000 pés, e o projeto de resfriamento se tornou uma área importante de pesquisa.

A solução mais óbvia e comum para esse problema era operar todo o sistema de resfriamento sob pressão. Isso manteve a capacidade de calor específica em um valor constante, enquanto a temperatura do ar externo continuou a cair. Esses sistemas, portanto, melhoraram a capacidade de resfriamento à medida que subiam. Para a maioria dos usos, isso resolveu o problema de resfriamento de motores a pistão de alto desempenho, e quase todos os motores de aeronaves com refrigeração líquida do período da Segunda Guerra Mundial usavam essa solução.

No entanto, os sistemas pressurizados também eram mais complexos e muito mais suscetíveis a danos - como o fluido de resfriamento estava sob pressão, mesmo pequenos danos no sistema de resfriamento, como um único buraco de bala de calibre de rifle, faria com que o líquido espirrasse rapidamente para fora do orifício. Falhas nos sistemas de refrigeração foram, de longe, a principal causa de falhas no motor.

Resfriamento evaporativo

Embora seja mais difícil construir um radiador de aeronave que seja capaz de lidar com o vapor, isso não é de forma alguma impossível. O principal requisito é fornecer um sistema que condense o vapor de volta ao líquido antes de devolvê-lo às bombas e completar o ciclo de resfriamento. Tal sistema pode aproveitar o calor específico de vaporização , que no caso da água é cinco vezes a capacidade de calor específico na forma líquida. Ganhos adicionais podem ser obtidos permitindo que o vapor fique superaquecido. Esses sistemas, conhecidos como resfriadores evaporativos , foram o tópico de pesquisas consideráveis ​​na década de 1930.

Considere dois sistemas de resfriamento semelhantes, operando em uma temperatura ambiente de 20 ° C. Um projeto totalmente líquido pode operar entre 30 ° C e 90 ° C, oferecendo 60 ° C de diferença de temperatura para dissipar o calor. Um sistema de resfriamento evaporativo pode operar entre 80 ° C e 110 ° C, o que à primeira vista parece ser muito menos diferença de temperatura, mas esta análise ignora a enorme quantidade de energia térmica absorvida durante a geração de vapor, equivalente a 500 ° C . Com efeito, a versão evaporativa está operando entre 80 ° C e 560 ° C, uma diferença de temperatura efetiva de 480 ° C. Esse sistema pode ser eficaz mesmo com quantidades muito menores de água.

A desvantagem do sistema de resfriamento evaporativo é a área dos condensadores necessária para resfriar o vapor abaixo do ponto de ebulição. Como o vapor é muito menos denso que a água, uma área de superfície correspondentemente maior é necessária para fornecer fluxo de ar suficiente para resfriar o vapor de volta. O projeto do Rolls-Royce Goshawk de 1933 usava condensadores convencionais do tipo radiador e esse projeto provou ser um sério problema para o arrasto. Na Alemanha, os irmãos Günter desenvolveram um projeto alternativo que combina resfriamento evaporativo e radiadores de superfície espalhados por todas as asas da aeronave, fuselagem e até mesmo o leme. Várias aeronaves foram construídas usando seu projeto e estabeleceram vários recordes de desempenho, notadamente o Heinkel He 119 e o Heinkel He 100 . No entanto, esses sistemas exigiam numerosas bombas para retornar o líquido dos radiadores espalhados e provaram ser extremamente difíceis de manter funcionando corretamente e eram muito mais suscetíveis aos danos da batalha. Os esforços para desenvolver esse sistema foram geralmente abandonados em 1940. A necessidade de resfriamento evaporativo logo foi negada pela ampla disponibilidade de refrigerantes à base de etilenoglicol , que tinham um calor específico mais baixo , mas um ponto de ebulição muito mais alto do que a água.

Impulso do radiador

Um radiador de aeronave contido em um duto aquece o ar que passa, fazendo com que o ar se expanda e ganhe velocidade. Isso é chamado de efeito Meredith , e aeronaves a pistão de alto desempenho com radiadores de baixo arrasto bem projetados (notadamente o P-51 Mustang ) derivam o empuxo dele. O empuxo foi significativo o suficiente para compensar o arrasto do duto em que o radiador estava fechado e permitiu que a aeronave conseguisse arrasto de resfriamento zero. A certa altura, havia até planos de equipar o Spitfire com pós - combustão , injetando combustível no duto de exaustão após o radiador e acendendo-o. A pós-combustão é obtida pela injeção de combustível adicional no motor a jusante do ciclo de combustão principal.

Planta estacionária

Os motores de instalações estacionárias são normalmente resfriados por radiadores da mesma forma que os motores de automóveis. No entanto, em alguns casos, o resfriamento evaporativo é usado por meio de uma torre de resfriamento .

Veja também

Referências

Origens

links externos