aqui estamos nos de novo  2017  primeiro papo do ano  na verdade este post deveria ter ficado pronto no ano passado  mas e realmente dificil simplificar a transferencia de calor  essa area especifica da termodinamica  do meu ponto de vista e uma das que mais impactam o nosso dia a dia  pois se o modelamento de calculo nao for preciso teremos problemas que podem ir desde uma simples sala que nao e refrigerada corretamente ate um acidente de aviao  lembrem se  o acidente do air france 447 iniciou se por uma falha dos tubos pitot que permitiam a formaçao de cristais de gelo em seu interior    para fechar a sequencia de sobrealimentaçao vamos falar sobre um item importante para qualquer projeto que possua induçao forçada  os intercoolers ou mais corretamente trocadores de calor da carga de ar existem ate mesmo na natureza  exemplo disso sao as orelhas dos elefantes e nossos testiculos      que possuem uma malha de veias especificamente para resfriar o sangue que retorna para a parte interna do corpo  como eles funcionam  os intercoolers  claro   quais tipos  os efeitos colaterais  e claro  como fazer a melhor escolha  esses serao os nossos topicos nos proximos paragrafos     por que ficar frio e bom    se voces leram esse texto e este aqui  perceberam que sempre que o ar e comprimido parte da energia transferida para ele se torna calor  a quantidade de calor transferida determina a eficiencia de compressao de cada equipamento  quanto menos eficiente for o compressor  mais calor sera transferido para a massa de ar   e esse calor nos leva a dois pontos chave     segurança  imagine o ar saindo do compressor a 120°c  entao ele segue para ser admitido pelo cilindro perdendo pouco calor nesse caminho  vamos supor que ele entre a 100°c no cilindro   ele sera novamente comprimido  nessas condiçoes a temperatura pode facilmente ultrapassar os 450°c  a temperatura de autoigniçao da gasolina fica em torno dos 250°  ou seja  quanto maior a temperatura maior sera a tendencia a pre detonaçao ate chegarmos ao ponto da autoigniçao como num motor diesel  mas diferentemente deste tipo do motor a igniçao acontece sem controle algum e a tendencia e que ela gere grandes danos ao motor     desempenho  primeiramente o ar mais quente e menos denso que o ar mais frio  entao quando o cilindro e preenchido a quantidade de oxigenio ali sera menor que a encontrada num ar admitido a 30°c por exemplo  isso acontece por conta da agitaçao dos atomos que acabam se afastando cada vez mais uns dos outros com o aumento de temperatura  entao com menos oxigenio no cilindro  menos combustivel pode ser queimado e menos potencia gerada  alem disso com o crescimento da tendencia a pre detonaçao o ponto de igniçao deve ser atrasado cada vez mais para afastar o risco  com isso o ponto de igniçao se afasta ponto de vantagem mecanica do conjunto biela/arvore de manivelas  sobre esse assunto aguardem o proximo post  e menos potencia pode ser gerada nessa condiçao     por isso e de essencial usar um trocador no caminho entre o compressor e os cilindros do motor  agora que sabemos o porque  vamos ao como  quando o ar quente sai do compressor  na verdade antes mesmo disso  ele passa a transferir calor para o ambiente atraves das paredes dos dutos  porem os tubos tem uma area relativamente pequena para que ocorra uma boa transferencia do calor   o que os trocadores fazem e aumentar essa area significativamente atraves de um numero maior de dutos  de menor area individual  e aletas  alem de aumentar a turbulencia do fluido para permitir uma melhor interaçao entre as moleculas aumentando a troca termica  quanto maior for a diferença entre as temperaturas de entrada e saida do trocador maior e a eficiencia deste     definiçoes para a melhor escolha   como na maioria dos equipamentos que compoem um projeto a escolha de um trocador e norteada pelo compromisso entre duas caracteristicas  no caso dos intercoolers o compromisso fica entre a capacidade de resfriamento da massa de ar e a perda de carga do fluxo que passa pelo intercooler  um intercooler escolhido devidamente  ou mesmo desenhado especificamente para o seu projeto  deve gerar uma perda menor que 3 psi  0 2 bar  e ainda sim retirar o maximo de calor possivel do ar que passa por ele     um bom intercooler começa pela parte de uma boa distribuiçao do fluxo entre todos os seus canais  para isso os difusores e coletores devem ser corretamente projetados  de modo que nao haja caminho preferencial   observem a imagem acima  ela e uma demonstraçao da dinamica do ar dentro de um trocador com um difusor deficiente   observe como o fluxo passa prioritariamente pela porçao inferior da colmeia  alem disso podemos ver o turbilhonamento do fluxo dentro do difusor  isso gera uma perda de carga significativa  por conta dessas falhas o trocador acaba sendo menos eficiente  pois nao utiliza efetivamente toda a sua area  agora observe a foto abaixo     essa e a ligier js23 do campeonato de 1984  com o famoso renault v6 ef15  esses motores chegavam aos 1000 hps no modo qualify  operando com 4 5 bar  mas voltando ao nosso foco  vejam como o coletor tem sua area ampliada a medida que o fluxo vindo da colmeia tambem aumenta  esse tipo de construçao faz o fluxo se distribuir por toda a extensao da colmeia  alem de manter uma alta velocidade de deslocamento   entao  senhores  o aumento ou diminuiçao gradativa da area e o ideal para a construçao dos difusores e coletores  pois cada passagem da colmeia se comporta como um duto que extrai parte do fluxo no difusor e adiciona parte dele no coletor  outro ponto a ser observado e o sentido de deslocamento do fluxo em relaçao a colmeia  observem que o deslocamento e perpendicular  isto e essencial para evitar o turbilhonamento do fluxo e reduzir as possibilidades da formaçao de um caminho preferencial     apos isso e importante levar em conta a razao entre capacidade termica necessaria e o volume pretendido  esse dado e importante para estimarmos o delay que o trocador integrara ao sistema  um trocador com capacidade termica maior que a necessaria fara pouca diferença na temperatura de saida  quando esta ja esta proxima da temperatura ambiente  mas o volume necessario para que a maior capacidade termica exista causa uma grande diferença no tempo de resposta do sistema de admissao  isso acontece pela compressibilidade dos gases  para entendermos melhor esse evento  precisamos enxergar o que acontece dentro do compressor   no instante em que a borboleta se fecha o fluxo que seguia em direçao aos cilindros e bruscamente reduzido  mas o compressor continua a girar enviando mais ar em direçao a borboleta  isso faz com que a pressao apos a descarga se eleve  com a maior pressao ha o aumento de densidade  ou seja  ha mais massa num mesmo volume  essa maior massa criar uma maior resistencia ao movimento do rotor e aumenta a carga sobre o eixo  pois a turbina continua a enviar energia para compressor   a borboleta de admissao se abre novamente uma onda depressiva  sim  a depressao nao e somente um estado emocional  segue em direçao ao compressor  esta onda e responsavel por aliviar a carga aplicada sobre o compressor  permitindo que ele acelere novamente  porem antes que isso aconteça a massa de ar extra gerada pelo grande volume do intercooler precisa ser aliviada  e isso demanda tempo  quando a carga e aliviada e o compressor volta a acelerar  uma onda inversa a anterior se desloca em direçao a borboleta comprimindo o ar  e mais uma vez o volume do intercooler interfere no tempo desse evento   sao apenas milissegundos  que se somarmos o tempo de descarga  carga  a resposta ao atrito dos mancais de deslizamento do eixo e um conjunto de compressor e turbina superdimensionados  encontraremos um lag de segundos  e esses segundos entre o momento que voce afunda o pedal da direita e a resposta do turbo tornam se seculos  pode acreditar     entao para que tenhamos um intercooler adequado ao nosso projeto  devemos começar o calculo da capacidade de fluxo dos canais internos  com isso evitamos que um trocador restritivo gere uma perda de carga significativa  se fossemos seguir a linha de pensamento mais simplista  quanto mais largos os canais  menor seria a restriçao causada por estes  tudo resolvido  mas aqui temos um jogo de ganha e perde  com dutos largos temos menor velocidade de fluxo e esta tem relaçao direta com a capacidade de transferencia de calor  entao se a velocidade cai  o intercooler resfria menos     calculando o fluxo no core   para que tenhamos a maior eficiencia possivel o fluxo dentro do core deve partir do regime transitorio  assim garantimos que no momento onde houver a maior carga termica a interaçao das moleculas sera grande o suficiente  mas aqui temos um compromisso tambem  se a velocidade for baixa demais nao teremos uma boa eficiencia  porem se ela for alta demais a turbulencia gera grande perda de carga e ate mesmo erosao  por isso a velocidade recomendada para os gases  que nao possuam solidos em suspensao  deve estar entre 10 e 30 metros por segundo  ja a perda de carga deve ficar entre 2 e 5 psi  com essas informaçoes em mente vamos calcular o diametro teorico para uma tubulaçao que servira de referencia para determinarmos a area da secçao transversal do trocador     usando como base os dados que criamos nesse post  vamos encontrar o diametro ideal para a vazao maxima de 8 9 kg/min  0 1483 kg/s   a densidade do ar e de 1 3165 kg/m³     encontramos o diametro ideal  mas quando tivermos a vazao minima da faixa que definimos previamente sera que o fluxo tera turbulencia o bastante para que a troca termica aconteça de modo satisfatorio   para determinar se a velocidade do fluxo e adequada  nos utilizamos o numero de reynolds  re   que e uma grandeza admensional usado para determinar o estado de deslocamento do fluxo  ou mais corretamente o regime de escoamento de um fluido  existem basicamente dois regimes de escoamento     laminar  o fluido divide se em camadas bem definidas e nao ha interaçao entre estas camadas  e estas deslocam se em velocidades diferentes  sendo que a velocidade maxima e encontrada no centro do fluxo  em tubulaçoes o fluxo e considerado laminar ate o valor de 2300 para o numero de reynolds     turbulento  o fluido nao possui camadas definidas  havendo movimento aleatorio das moleculas  assim a interaçao entre as particulas e intensa  a velocidade de deslocamento do fluido tende a ser igual em qualquer ponto  em tubulaçoes o fluxo turbulento normalmente e encontrado com valores do numero de reynolds acima de 2300   para os nossos calculos a vazao minima considerada e de 2 5 kg/min  0 04167 kg/s  e a viscosidade dinamica de 0 00002094 m²/s  entao       assim vemos que o fluxo continua turbulento  mesmo em velocidades mais baixas  entao o duto com diametro ideal de 0 0756 m  aproximadamente 3 polegadas  possui uma area de 0 004489 m²  essa seria a mesma area aplicada ao intercooler entao  nao amigos  se voces observarem a foto acima  e possivel perceber que ha barras que fazem parte da estrutura do plano cruzado dos outros dutos  como nao ha fluxo atraves destas barras devemos considerar uma area 45% maior que a ideal  entao     agora devemos selecionar o core mais adequado para o espaço de instalaçao disponivel  cores para trocadores do tipo ar / ar preferencialmente nao devem ter largura maior que 127 mm  cinco polegadas   pois valores acima disso causam restriçao ao fluxo externo  sendo necessaria uma maior velocidade de deslocamento do veiculo para que o trocador se torne mais eficiente   alguns fornecedores e fabricantes de intercoolers usam regras de aproximaçao para determinar a area interna de fluxo  segundo essa regra para cada cavalo de potencia desejado sao necessarios 4 5 cm² de area  por esse motivo vemos anuncios falando  intercooler para xyz cavalos   mas essa e uma aproximaçao grosseira  pois nao leva em conta fatores como a densidade do ar que flui pelos dutos e a viscosidade  fatores que causam uma grande diferença na precisao do calculo  alem disso  a area frontal e de imensa importancia pois e ela em conjunto com a area da secçao transversal que determinam o delta de temperatura entre a entrada e a saida  e se voce deseja uma temperatura de admissao especifica e necessaria muito mais informaçao para se obter um resultado solido  e isso nos leva ao proximo topico     transferencia de calor   esse e o ponto onde a conversa se complica mais um pouco  a partir daqui falaremos realmente de calor  condutividade  rejeiçao termica e outros conceitos que sao realmente complicados  procurei explicar da forma mais simples que o assunto permite  entao tenham paciencia e vamos la   como falamos aqui  quando o ar sai do compressor ele absorveu uma grande quantidade de energia em forma de calor e para saber o qual o tamanho correto do trocador  precisamos definir a quantidade exata de calor que foi absorvido na condiçao de maior carga  pois este valor sera a nossa meta de energia a ser retirada do sistema  mas para sabermos a quantidade de calor absorvido  precisamos determinar a temperatura de descarga do compressor  entao       conhecemos a temperatura de entrada no intercooler  entao vamos considerar a temperatura de entrada do ar frio a mesma utilizada para a admissao do compressor mais acima  313 15 k  40°c   pois temos temperaturas mais altas conforme no aproximamos mais do asfalto  voce pode definir a temperatura ambiente buscando a media anual de temperatura da sua cidade e regiao e adicionar aproximadamente 10°c para termos uma melhor aproximaçao da temperatura do ar proximo ao asfalto   como temos apenas os valores de temperatura de entrada definidos  a nossa alternativa e utilizar o metodo de efetividade para analisarmos a transferencia de calor entre o ar que vem do compressor  fluido quente  e o ar do ambiente que percorre o trocador externamente  fluido frio   nesse metodo as temperaturas de entrada sao definidas  mas as de saida nao sao conhecidas  ao menos a vazao de um dos fluidos e especificada  bem como o coeficiente global de transferencia de calor  u    esse coeficiente  como o proprio nome ja indica  leva em consideraçao a condutividade termica de todo o conjunto  e uma media entre a condutividade do fluido quente  do fluido frio e do metal que compoe a colmeia do trocador  vou deixar aqui os valores e condiçoes de cada um dos elementos     o processo a ser analisado nao possui ponto de operaçao constante  processo dinamico   temos que considerar a pior condiçao de operaçao  para que em todos os outros pontos estejamos acima do minimo definido  entao vamos analisar e definir os parametros que precisamos     sabendo que a capacidade termica especifica para a condiçao de entrada do fluido quente e 1 013 devemos calcular a capacitancia deste     agora vamos encontrar a troca de calor maxima e a troca real  para com isso determinarmos a efetividade do trocador  a troca de maxima acontece quanto temos o minimo de calor retido pelo meio  menor capacitancia entre os dois fluidos  e a maxima diferença de temperatura entre eles  e onde podemos encontrar essa maior diferença  no momento em que os dois fluidos estao entrando no trocador  como determinamos que a capacitancia do fluido quente sempre sera menor que a do fluido frio  a cq sempre sera usada como referencia de minimo  entao       com a efetividade do nosso trocador definida podemos entao calcular o numero de unidades de transferencia  considerando que o nosso trocador seja do tipo placa aletada  o fluido quente se separe em correntes e que o fluido frio se mantenha misturado em corrente unica quando entra no trocador  o modelo de calculo que usaremos e     estamos perto de definir as dimensoes da colmeia do nosso intercooler  agora precisamos descobrir qual a area necessaria para a troca termica  para isso vamos utilizar outra equaçao do numero de unidades de transferencia e converte la para a equaçao de area     finalmente temos as duas areas  0 065 m²  65 cm²  para a area da face interna da colmeia e 0 042 m²  42 cm²  para a area de topo  o mercado disponibiliza varias dimensoes para a os cores  entao vamos basear a nossa escolha nos cores com 1 25 polegadas  3 175 cm   assim calculamos as dimensoes a partir da area de um retangulo     com esses valores vejamos na lista abaixo qual deles mais se adequa     assim encontramos um core de 1 25  x 6 60  x 6 00   3 175 x 16 764 x 15 24 cm  que vai alem do que precisamos  mas e a medida comercial disponivel     trocadores ar/agua   e se ao inves de usarmos um trocador do tipo ar / ar optassemos por um do tipo ar / agua  bom o procedimento de calculo seria o mesmo visto acima  mas alguns fatores mudam veja abaixo     o coeficiente global de transferencia de calor sera maior  pois a agua passa a ser o fluido frio    a capacitancia termica do fluido frio pode ser determinada facilmente  pois esta dependera da quantidade de agua que a bomba do sistema de refrigeraçao move   mas quais as vantagens em utilizar esse tipo de trocador  a primeira e mais evidente vantagem e a utilizaçao de um trocador mais compacto  pois com um maior coeficiente de transferencia  precisamos de menos area para transferir a mesma quantidade de calor  esse sistema mais compacto nos leva a segunda vantagem  menor lag  pois se temos um menor volume acumulado entre o compressor e a admissao  menor sera o tempo de deslocamento da onda de depressao e consequentemente da resposta do turbo  a terceira grande vantagem e um sistema mais estavel  que sofre menos com a variaçao da temperatura ambiente  porem ha desvantagens tambem  como o maior custo  pois sao necessarias mangueiras  bomba d’agua e outro trocador  radiador  dedicado ao sistema  alem disso  ha uma maior necessidade de manutençao quando comparamos com um intercooler convencional  pois ha agua no sistema  e os riscos de vazamento aumentam     injeçao de agua   outro metodo bastante empregado para resfriar uma corrente de ar e a refrigeraçao por contato direto  sabe aquelas torres verdes com enormes ventiladores no topo  que vemos em shoppings  predios comerciais e ate mesmo usinas nucleares   elas usam o mesmo principio de resfriamento  a absorçao de calor por vaporizaçao  sempre que a materia muda de estado fisico ela absorve calor para que tal fenomeno ocorra  exemplo disso e uma panela de agua fervente  a temperatura se mantem estavel a 100°c ate que toda a agua ali existente evapore  ou seja  mesmo adicionando mais calor atraves da chama a temperatura nao se altera  entao se tivermos um processo onde a quantidade de calor e constante  quando a vaporizaçao se iniciar a temperatura do processo ira cair   eu sei que e um pouco complicado com essas palavras  entao se imagine saindo de uma piscina num dia quente  assim que voce poe os pes fora d’agua a sensaçao de menor temperatura começa  isso e resultado da vaporizaçao da agua que esta sobre a sua pele  que leva o calor embora  o suor tambem tem esse objetivo  evaporar agua para reduzir a temperatura do corpo     mas a agua possui um calor latente de vaporizaçao bastante alto  2256 kj/kg  e em determinadas situaçao a sua vaporizaçao e mais dificil  por isso e adicionado um alcool  etanol ou metanol  formando uma mistura que se vaporiza mais facilmente  vamos supor que nossa mistura tenha a proporçao 50/50 e o etanol  846 kj/kg  foi o alcool escolhido  entao 1 kg de mistura tera um calor latente de vaporizaçao de 1551 kj/kg  a proporçao maxima de agua recomendada para essa mistura e de 80% de agua e 20% de etanol  dai e so calcular para descobrir o novo calor latente   esse tipo de sistema normalmente e usado de forma suplementar  quando ja temos um intercooler  mas por razoes de espaço fisico ou lag nao se pode utilizar um trocador ainda maior para refrigeraçao  entao a injeçao de agua fica responsavel pela refrigeraçao extra numa faixa de maior carga termica   [youtube id= hh670pwbai8  width= 620  height= 350 ]  observem o video acima  logo no inicio o autor informa a proporçao utilizada  70/30 para metanol e agua respectivamente  no centro do video a coluna a no melhor estilo v&f traz uma serie de indicadores  iniciando por baixo temos um manometro  que indica a pressao de admissao  acima dele um termometro  que indica a temperatura de descarga do compressor e a temperatura de admissao do motor  apos o intercooler   e finalmente mais acima o indicador de operaçao do sistema de injeçao de agua   vejam que na maior parte do tempo esse  relogio   sinceramente nao gosto de chama lo assim  acho que pelo costume de industria  fica inativo  mas aos 2 10 o motorista afunda o pedal direito e o sistema passa a operar  baixando a temperatura de admissao de 272°f  133°c  para 93°f  34°c   notem que aos 2 08  quando somente o intercooler refrigerava o sistema  a temperatura de descarga era de 182°f  83°c  e a de admissao do motor era de 103°f  39 5°c    [youtube id= upseqfrgkx0  width= 620  height= 350 ]  este outro video mostra o mesmo sistema de injeçao de agua  agora instalado na admissao de um supercharger que alimenta um top diesel dragster  esse tipo de instalaçao e mais comum em motores de competiçao  assim como a injeçao na admissao dos turbos  nao e o tipo de configuraçao recomendada para o dia a dia devido a erosao que as goticulas de agua causam aos rotores  imagine o rotor de um turbo girando a 105 mil rpm e ele e atingido por gotas minusculas de agua  com essa velocidade angular  o impacto de qualquer material gera erosao  no caso de um supercharger  mesmo com menor velocidade ha erosao a camada ceramica que reveste os fusos  entao galera  para uso civil o melhor mesmo e instalar a injeçao apos o compressor e assim preservar o seu suado bolso   [youtube id= pcl3 wrgebi  width= 620  height= 350 ]  a bmw adotou a injeçao de agua em seus motores s55b30  o principal objetivo foi manter o conjunto de refrigeraçao do ar compacto  mesmo para uma potencia elevada  alem disso  os vapores de agua e metanol permitem uma queima mais controlada  entao o ponto de igniçao pode se aproximar ainda mais do valor ideal  permitindo maiores ganhos de potencia e menor consumo de combustivel     calculando a injeçao de mistura como saber a quantidade de mistura agua / etanol deve ser injetada no caso no nosso motor teorico  bom  vamos partir da temperatura de descarga do intercooler que haviamos determinado que na pior condiçao seria de 50°c  com a minha mistura eu quero levar a temperatura de admissao do motor para um patamar abaixo da temperatura de admissao do turbo  40°c   eu quero que o ar chegue ao motor com 35°c de temperatura  sim meu amigo  usando um sistema combinado voce pode ter uma temperatura final mais baixa que a temperatura de admissao  nao e feitiçaria  e pura engenharia     usaremos a formula de troca de calor para determinarmos a quantidade de calor que a mistura deve absorver para que a temperatura caia ao valor que determinamos  e a partir dessa quantidade de energia vamos poder descobrir a quantidade de massa que deve ser injetada na corrente de ar  entao     ok  temos 2 25 quilowatts  ou 2 25 kj/s  para vaporizarmos a mistura  se nossa proporçao 50/50 tem um calor latente de vaporizaçao de 1551 kj/kg basta dividirmos os valores para encontrarmos a massa que deve ser injetada     entao precisamos de apenas 1 45 gramas por segundo para que a temperatura chegue ao valor desejado  agora precisamos saber a vazao volumetrica para determinarmos qual bico injetor atendera a nossa demanda  para isso basta sabermos a densidade da nossa mistura  se a densidade da agua e 1000 kg/m³ e o etanol 789 kg/m³ entao a mistura tera densidade de 894 5 kg/m³  dividindo a vazao massica pela densidade temos 0 000001624 metros cubicos por segundo ou 97 mililitros por minuto  ha um bico comercial com vazao de aproximadamente 101 ml/min  so um pouco acima do que precisamos     e o mais legal da injeçao de agua e que ele tambem pode ser usado em motores naturalmente aspirados  para que a temperatura de admissao fique abaixo da temperatura ambiente  gerando mais ganhos  alem disso  a pressao de vapor dentro do cilindro ajuda a gerar um pentelhesimo a mais de torque  bom  chega de falar  vejam  ouçam e se deliciem com o v8 dessa m3 que usa standoff injectors para a injeçao de agua   [youtube id= eyprybbub3w  width= 620  height= 350 ]  bem amigos  terminamos por aqui esse papo  espero que ele possa ajudar voces em suas futuras escolhas  e no nosso proximo encontro vamos falar sobre o  miolo  dos motores  blocos  pistoes  bielas  configuraçoes  balanceamento harmonico  variaçoes de arranjo e muito mais  ate a proxima