Análise e seleção de um sistema de arrefecimento aplicado a veículo de Fórmula SAE

Abstract

Motores de combustão interna convertem energia química em energia mecânica por meio de um processo exotérmico de combustão.Parte da energia liberada durante a combustão é rejeitada na forma de calor para os componentes do motor e para o ambiente. O controle dessa temperatura é fundamental, evitando falhas associadas à expansão térmica excessiva e à redução da capacidade dos materiais de suportar tensões mecânicas. Para manter o motor dentro da faixa adequada de operação, utiliza-se um sistema de arrefecimento líquido, cujo principal elemento para a remoção de calor é o radiador. Esse trocador de calor tem a função de rejeitar calor para o ambiente externo, reduzindo a temperatura do fluido de arrefecimento antes de seu retorno ao motor. A análise do desempenho de trocadores de calor pode ser realizada por diferentes metodologias. Entre as mais utilizadas destacam-se o Método da Diferença de Temperatura Média Logarítmica (LMTD), que requer informações experimentais de temperatura, e o método da Efetividade – NUT, que permite estimar o desempenho térmico a partir de parâmetros geométricos e operacionais. Este trabalho tem como objetivo avaliar diferentes trocadores de calor em função das exigências térmicas de um prótotipo de Fórmula SAE. Para isto, foi desenvolvido um modelo computacional em Python que apresenta três modos de análise baseados em dados experimentais ou geométricos. O radiador atualmente utilizado pela equipe Fórmula CEM e o radiador original do motor Yamaha XT 660R foram avaliados por meio dos métodos LMTD e Efetividade - NUT. Além disso, foram empregadas correlações específicas para aletas persianadas, buscando aumentar a precisão das previsões teóricas em relação aos resultados experimentais. Através das análises, foram obtidos os coeficientes globais de transferência de calor, além das capacidades de remoção de calor pelos radiadores através dos diferentes modos. Foi constatado que o Modo 2 subestima a taxa de rejeição térmica do trocador de calor analisado em relação ao método LMTD, em cerca de 46%. Já o Modo 3 que considera correlações de aletas persianadas diminuiu esta diferença para 21%. Com auxílio destas análises, foi possível selecionar com maior segurança o radiador que será empregado pela equipe.

Internal combustion engines convert chemical energy into mechanical energy through an exothermic combustion process. Part of the energy released during combustion is rejected as heat to the engine components and to the surrounding environment. Controlling this temperature is essential to prevent failures associated with excessive thermal expansion and the reduced ability of materials to withstand mechanical stresses. To keep the engine within its appropriate operating temperature range, a liquid cooling system is employed, whose primary heat removal component is the radiator. This heat exchanger is responsible for rejecting heat to the external environment, reducing the temperature of the coolant before it returns to the engine.The performance of heat exchangers can be analyzed using different methodologies. Among the most widely used are the Log Mean Temperature Difference (LMTD) method, which requires experimental temperature data, and the Effectiveness–NTU method, which allows thermal performance to be estimated from geometric and operating parameters. The objective of this study is to evaluate different heat exchangers according to the thermal requirements of a Formula SAE prototype. To achieve this, a computational model was developed in Python featuring three analysis modes based on either experimental or geometric data. The radiator currently used by the Formula CEM team and the original radiator of the Yamaha XT 660R engine were evaluated using both the LMTD and the Effectiveness–NTU methods. In addition, specific correlations for louvered fins were employed to improve the accuracy of the theoretical predictions relative to the experimental results.From these analyses, the overall heat transfer coefficients were determined, as well as the heat rejection capacities of the radiators using the different analysis modes. It was found that Mode 2 underestimates the heat rejection rate of the analyzed heat exchanger by approximately 46% compared with the LMTD method. In contrast, Mode 3, which incorporates louvered fin correlations, reduced this discrepancy to 21%. Based on these analyses, it was possible to select with greater confidence the radiator that will be used by the team.