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Sobre os radiadores de carro enquanto categoria especial (e influente) de permutadores de calor, e o impacto destes no presente e futuro dos automóveis

Em engenharia química, como qualquer estudante rapidamente se apercebe, a operação unitária transferência de calor tem como equipamento primordial um permutador de calor. Industrialmente, esta peça compreende uma interface onde uma corrente fria e uma corrente quente contactam sem se misturar (ao contrário da torre de refrigeração, por exemplo) a fim de que a manutenção de uma dada temperatura-objetivo (que se considere estratégica ou recomendável para um dado sistema) seja garantida através da dissipação de calor.

Se tratada no contexto industrial,  o estudo e projeto de permutadores é em si mesmo um mundo de possibilidades e nuances. Porém, num sentido mais lato, a transferência de calor por intermédio de permutadores de calor é uma realidade que se aplica igualmente a sistemas vivos (e.g. temperatura corporal) e também a objetos do quotidiano, de que o carro é excelente exemplo.

Radiador (permutador de calor) de um veículo 
automóvel, e sua localização habitual. Fonte


Embora ninguém escolha um carro pelo seu radiador (i.e. pelo seu sistema de arrefecimento do motor), a verdade é que este permutador de calor dos automóveis tem um grande impacto na própria estética dos mesmos, já que a entrada de ar de arrefecimento se faz necessariamente pela região frontal destes, o que impõe a existência de uma grelha frontal. A este respeito é curioso notar como os diferentes fabricantes de automóveis fizeram dessas grelhas frontais elementos de afirmação da sua marca. Veja-se o caso da BMW, com a sua grelha característica ao longo das várias gerações de veículos, lançados ao longo das décadas.

Evolução temporal das grelhas frontais 
dos veículos da marca BMW. Fonte


Para um engenheiro químico mais habituado a ouvir falar de (e/ou lidar com) permutadores de calor industriais, o radiador de um carro apresenta, enquanto sistema, caraterísticas únicas. Desde logo porque não está imóvel, instalado num chão de fábrica. Pelo facto de estar instalado no próprio veículo (de outro modo não poderia ser!) o radiador de carro é um permutador de calor móvel, e é concebido para tirar partido dessa mobilidade. Como? Quanto mais o condutor do veículo o acelera  mais contribui para o aumento de caudal de ar que entra pela grelha frontal, levando a que maiores quantidades de ar contactem com a interface metálica do radiador (alhetas) para dissipar o calor do motor. Veja-se abaixo como pode evoluir o aumento de velocidade do ar de entrada pela grelha frontal (ou seja: o caudal de ar que chega ao radiador) à medida que o veículo aumenta a sua velocidade.



É extraordinário imaginar que sempre que um condutor pressiona o seu acelerador do carro, ele está a contribuir simultaneamente para o que motor aqueça mais, mas também para que o ar de arrefecimento aumente de caudal (sempre à temperatura ambiente) e favoreça o arrecimento do motor. Por outro lado, na ausência de movimento o caudal de ar para o arrefecimento é zero (salvo se estiver vento na envolvência), e o veículo passa a depender da dissipação por conveção natural, o que se sabe ser insuficiente. É por esse motivo que a ventoinha é uma presença habitual em radiadores de automóveis. Por esse e pelo facto de que o aumento de caudal de ar de arrefecimento devido com  o aumento velocidade do veículo poder não ser suficiente para dissipar o calor adicional gerado pelo motor para garantir essa velocidade.

Para terminar, importa também imaginar o futuro dos radiadores (e da estética frontal dos veículos) à luz do paradigma de mudança para veículos elétricos. O possível abandono dos motores a combustão interna por troca com sistemas de bateria elétrica (ou de pilha de combustível), fazem com que o calor que é necessário dissipar em cada veículo seja diferente, desde logo porque a combustão interna permite um aproveitamento de apenas 20 % da energia (produzida para trabalho mecânico). O resto é perda térmica, que se espera que o radiador do veículo possa dissipar. A este respeito, sabe-se que veículos elétricos têm taxas de aproveitamento da energia de 50 a 85%, dependendo da tecnologia instalada. 

Por outro lado, os sistemas elétricos (e.g. baterias de lítio) requerem temperaturas máximas de operação bastante abaixo daquelas suportadas por motores de combustão interna, o que levanta novos desafios aos radiadores e à capacidade de dissipação de calor dos radiadores de carro. De onde se conclui que os radiadores e as grelhas frontais dificilmente deixarão de existir com o advento do veículo elétrico, continuando a contribuir como uma classe muito especial de permutadores de calor, sobretudo para o engenheiro químico habituado ao aspeto e funcionamento clássico (industrial) dos mesmos.
Taxas de aproveitamento da energia (a azul) de diferentes 
tecnologias de motorização automóvel. Fonte


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