conversão de aparelhos a gás

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA

DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E MECÂNICA

CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA

RODRIGO RIBEIRO DE SOUZA

ANÁLISE DA CONVERSÃO DE APARELHOS DE COCÇÃO A GÁS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

SALVADOR

2015



Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Engenharia Industrial Mecânica , do Departamento de Materiais e Mecânica, do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Bahia - IFBA, como requisito para obtenção do título de Engenheiro.Orientador: Prof. Me. Luiz Carlos Pereira Vargas

SALVADOR

2015

TERMO DE APROVAÇÃO



Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia XX de Abril de 2015, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Industrial Mecânico, outorgado pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia. O aluno foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________Prof. Tit. Nome do Professor

Coordenador de CursoDepartamento Acadêmico de Mecânica

BANCA EXAMINADORA

_____________________________ __________________________Prof. Tit. Nome do Professor Prof. Tit. Nome do Professor

IFBA IFBA

___________________________Prof. Me Luiz Carlos Pereira Vargas

Orientador - IFBA

A frase abaixo não deve aparecer no documento assinado, mas é obrigatório no documento eletrônico.“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”

À dedicatória. Elemento opcional para tese, dissertação, monografia e TCC. Sem título e sem indicativo numérico. Folha que contém texto em que o autor presta homenagem ou dedica seu trabalho.

AGRADECIMENTO(S)

Epígrafe: Elemento opcional para TCC. Sem título e sem indicativo numérico. Nesta folha, o autor usa uma citação, seguida de indicação de autoria e ano, que deve fazer parte das referências do TCC, relacionada com a matéria tratada no corpo do trabalho.

RESUMO

Palavras chave: 3 a 5 Palavras

ABSTRACT

Keywords:

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Jazidas de gás natural associado ou não ao petróleo....................16

Figura 2 - Botijão de gás GLP.........................................................................18

Figura 3 - Abastecimento de GLP a granel.....................................................19

Figura 4 – Peças do Fogão: Registro do Fogão..............................................31

Figura 5 – Peças do fogão: Injetor: Diferentes geometrias.............................32

Figura 6 - Efeito de contração no orifício........................................................33

Figura 7 – Peças do fogão: Trempe................................................................34

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição do gás natural na região nordeste.............................16

Tabela 2 - Composição do Gás Natural comercializado em Salvador e RMS.

...................................................................................................................................17

Tabela 3 - Propriedades físicas do gás natural...............................................17

Tabela 4 - Composição do GLP comercializado através da RLAM................19

Tabela 5 - Propriedades físicas do gás LP.....................................................20

Tabela 6 - Classificação dos gases.................................................................21

Tabela 7 - Relação oxigênio teórico e combustível.........................................22

Tabela 8 - Composição do ar atmosférico......................................................22

Tabela 9 – Relação entre Volume de O2 e Volume de Ar...............................22

Tabela 10 – Tabela Resumo dos estudos exemplos......................................25

Tabela 11 – Tipo de escoamento x nº de Reynolds........................................26

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS

(Este campo é opcional, devemos mantê-lo?)

ANP

ABNT

GN

GLP

CONPET

ABEGAS

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO..........................................................................................11

1.1 TEMA.....................................................................................................11

1.2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO................................................................12

1.3 PROBLEMA...........................................................................................12

1.4 OBJETIVOS...........................................................................................12

1.4.1 Geral...................................................................................................121.4.2 Objetivos Específicos..........................................................................131.5 JUSTIFICATIVA.....................................................................................13

1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS..............................................14

1.7 EMBASAMENTO TEÓRICO..................................................................14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................15

2.1 GASES COMBUSTIVEIS E A SUA COMBUSTÃO...............................15

2.1.1 Gás Natural.........................................................................................162.1.2 GLP.....................................................................................................182.1.3 Família dos Gases Combustíveis.......................................................202.1.4 Reações de Combustão dos gases combustíveis..............................212.1.5 Demanda volumétrica de combustível e de Ar...................................222.2 DINÂMICA DOS FLUIDOS APLICADA..................................................25

2.2.1 Comportamento de fluidos compressíveis..........................................272.2.2 Fluxo através de um orifício................................................................302.3 APARELHOS DOMESTICOS DE COCÇÃO A GÁS.............................30

2.3.1 Registro..............................................................................................312.3.2 Tubulação interna...............................................................................322.3.3 Injetor..................................................................................................322.3.4 Misturadores.......................................................................................342.3.5 Espalhadores......................................................................................342.3.6 Trempe...............................................................................................342.3.7 Características higiênicas da chama..................................................352.3.8 Conversão dos aparelhos de cocção a gás........................................352.3.9 Principais problemas pós conversão..................................................363 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS..............................37

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................38

5 Referências..............................................................................................39

11

1 INTRODUÇÃO

Atualmente o gás natural, segundo informações da ABEGÁS, é utilizado por

mais de 2 milhões de clientes, sendo estimado um crescimento de 67,3% até o ano

de 2020, atingindo o número de 3,2 milhões de consumidores. Esse aumento reflete

o crescente uso do gás natural nas residências.

Mesmo com esse aumento, o uso desse energético ainda é muito pequeno

em comparação ao seu principal concorrente, o gás liquefeito de petróleo (GLP ou

Gás LP), representando X % do mercado.

Devido a esse fato a grande maioria dos aparelhos de uso residencial são

fabricados e importados para funcionarem com GLP. E para queimarem gás natural

é necessário a realização de um procedimento, denominado conversão. Essa

operação consiste na troca de algumas peças do aparelho, permitindo, dessa forma,

o funcionamento com outro tipo de gás.

Encontrar a comercialização de um aparelho de cocção a gás natural é uma

tarefa árdua, e muitos desses aparelhos foram projetados para GLP e através de

pequenas alterações no projeto, em geral troca das mesmas peças necessárias para

conversão, funcionam com gás natural ou seja, o equipamento também sofreu uma

conversão.

Paragrafo falando sobre alguns equipamentos serem classificados de maneira

diferente eno programa de etiquetagem, porém o site do CONPET continua fora do

ar

A atividade de conversão desses equipamentos ainda é uma tarefa pouco

compreendida por quem executa essa atividade, sendo realizadas algumas práticas

diferente das especificadas pelo fabricante do aparelho, sem que os resultados

sejam mensurados, impossibilitando a avaliação da qualidade e eficiência da

conversão desses equipamentos.

1.1 TEMA

Na busca pela produtividade imposta pelo mercado, torna-se necessário a

utilização de técnicas de conversão de aparelhos a gás mais simples, permitindo o

atendimento às expectativas da parte interessada.

12

Atender a essa produtividade, pode estar comprometendo a qualidade e

eficiência desse procedimento, portanto uma análise desses processos deve ser

realizada.

1.2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO

Esse trabalho trata de temas inerente aos aparelhos de uso residencial que

utilizam a combustão de gases para a cocção dos alimentos, limitados a uma

potência de XX kW. Porém os assuntos tratados, bem como os resultados obtidos,

após uma análise especifica do caso, podem ser aplicados a aparelhos de cocção

mais potentes, bem como demais aparelhos a gás, como motores, fornos industriais,

caldeiras, entre outros.

1.3 PROBLEMA

Este trabalho aplica-se às atividades de conversão de aparelhos, atividade

necessária para permitir que gases de famílias diferentes possam ser queimados no

mesmo aparelho. Atualmente, devido ao aumento do consumo de gás natural, o

número de conversões vem crescendo bastante. A situação será analisada na

Companhia de Gás da Bahia – Bahiagás.

Durante as atividades de conversão de aparelhos de cocção a gás, alguns

consumidores questionaram a eficiência da operação, mostrando um grau de

insatisfação, principalmente em relação a um superior tempo de cozimento, ruídos

elevados, demora no acendimento da chama e ainda, nos fornos, cocção não

uniforme dos alimentos.

Neste contexto buscaremos analisar se a eficiência da conversão de

aparelhos a gás realizados pela Bahiagás está dentro dos limites aceitáveis, ou seja,

muito próxima a eficiência original, de modo que a diferença seja imperceptível para

o consumidor, propondo, em caso negativo, uma ação adicional para resolução do

problema.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Geral

13

O escopo desse projeto, em linhas gerais, é revisar a bibliografia do tema em

questão e fazer uma análise teórica e pratica dos métodos de conversão de

aparelhos a gás praticados no mercado.

1.4.2 Objetivos Específicos

Detalhar os procedimentos de conversão dos aparelhos de cocção a gás;

Levantar a possível causa dos problemas recorrentes encontrados nas

conversões de aparelhos a gás;

Analisar teórica e pratica da eficiência de cada procedimento, elencando

vantagens e desvantagens;

Propor melhoria na realização do procedimento

1.5 JUSTIFICATIVA

Com o grande crescimento do uso do gás natural no segmento residencial e

levando em conta que a maior parte dos equipamentos de cocção são fabricados

para operar com o Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), houve um aumento no número

de equipamentos que necessitam de conversão. Em geral, a recomendação dos

fabricantes consiste na troca de diversas peças, denominadas kits de conversão,

fazendo com que esse procedimento necessite de muitas intervenções nos

aparelhos, demandando, dessa forma, um grande tempo dos profissionais

convertedores de aparelhos a gás.

Através da experiência adquirida por esses profissionais, aliada com os

resultados obtidos durante os anos de execução, algumas concessionárias de gás

natural não realizam a troca completa do kit de conversão. Alegando, sem

fundamentos teóricos e empíricos que a troca incompleta do kit de conversão não

prejudica o correto funcionamento do aparelho, de forma que não é necessária.

Portanto é de suma importância uma avaliação teórica e experimental para

determinar a eficiência da conversão, avaliando os benefícios e prejuízos da troca

incompleta do kit de conversão. Buscando, além disso, uma forma de otimizar esse

procedimento atendendo a todos os requisitos de segurança e eficiência.

Entender e avaliar a conversão dos aparelhos é de fundamental importância

para as concessionárias de gás natural, assistências técnicas e profissionais liberais,

14

pois impacta diretamente em uma melhor prestação de serviço ao cliente, de modo

que esse trabalho é necessário para uma melhoria no serviço prestado e maior

satisfação da parte interessada.

1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

A condução desse trabalho se dará através da revisão bibliográfica que será

realizada com base em artigos, teses, livros e demais fontes. Permitindo uma

avaliação teórica, qualitativa e descritiva, do tema proposto, além de fornecer

embasamento para elaboração e avaliação dos experimentos que serão realizamos,

e que são essenciais para o desenvolvimento do trabalho.

A coleta e levantamento dos dados e informações será realizada em um

laboratório de gases combustiveis e permitirão o desenvolvimento de resultados,

que são fundamentais para a análise das metodologias de conversão dos aparelhos

a gás.

A análise das informações colhidas no estudo de caso será baseada nos

métodos e conceitos apresentados e discutidos no referencial teórico.

1.7 EMBASAMENTO TEÓRICO

Em relação a teoria dos gases combustíveis, que engloba as características

desses energéticos e a sua combustão, serão utilizados como referencial teórico a

bibliográfica clássica sobre o tema, além de textos normativos da Associação

Brasileiras de Normas Técnicas (ABNT) e Agência Nacional do Petróleo (ANP).

Como complemento desse conhecimento serão utilizados os trabalhos de

PINHEIRO (2010), SERFATY (XXXX), ORREGO (XXXX), entre outros.

Quanto ao entendimento dos aparelhos de cocção a gás e o comportamento

dos gases no seu interior, será necessário recorrer aos manuais dos fabricantes,

bem como materiais didáticos elaborados pela Associação Brasileira das Empresas

de Gás Natural (ABEGÁS) e bibliográfica complementar FULFORD (1996), GATTEI

(2008), entre outros.

15

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 GASES COMBUSTIVEIS E A SUA COMBUSTÃO

A combustão é um processo decorrente da reação entre elementos químicos

com uma grande liberação de energia na forma de calor. Os elementos químicos

são denominados comburentes e combustíveis e para a reação é necessária uma

fonte de energia. Os primeiros são os elementos oxidantes da reação, o comburente

predominante nas reações cotidianas é o oxigênio, e, portanto, nesse trabalho a

será considerado o comburente de qualquer reação descrita e a sua fonte será o ar

atmosférico.

Segundo (VIEIRA e GARCIA, 2005, p. 80) “combustíveis são todas as

substâncias ou misturas que reagem com o oxigênio presente no ar atmosférico,

produzindo calor.”. E de acordo com a sua natureza física são denominados

combustíveis sólidos, líquidos e gasosos, esse último também denominado gases

combustíveis.

Existem diversos gases combustíveis, como o metano, etano, gás natural,

biogás, GLP, acetileno, entre outros. Porém, nesse trabalho o foco será no gás

natural e GLP.

O processo de combustão perfeita tem como produto, além do fornecimento

de energia na forma de calor, a formação de dióxido de carbono (CO2) e água na

forma de vapor. A combustão também pode ser imperfeita, também denominada de

parcial, tendo como resultado dos produtos de combustão, além dos três

mencionados anteriormente, o monóxido de carbono (CO). Abaixo temos

respectivamente um exemplo da reação de combustão completa e combustão

parcial.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O(Vapor) + Energia

CH4 + 1,5 O2 CO + 2 H2O(Vapor) + Energia

16

2.1.1 Gás Natural

Segundo a Lei número 9.478/97, conhecida como lei do petróleo, o gás

natural é definido como “todo hidrocarboneto que permaneça em estado gasoso nas

condições atmosféricas normais, extraídos a partir de reservatórios petrolíferos ou

gaseífero, incluído gases úmidos, secos, residuais e gases raros.”

Em outras palavras o gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos

encontrado em jazidas, associado ou não ao petróleo, conforme Figura 1.

Figura 1 - Jazidas de gás natural associado ou não ao petróleo

Fonte: Site da Bahiagás

“A composição do gás natural pode variar de campo para campo, de acordo

com o tipo de matéria orgânica que lhe deu origem, os processos naturais a que foi

submetido e o processamento em unidades industriais, dentre outros

fatores.”(VIEIRA e GARCIA, 2005, p. 21)

Devido a essa variação de composições a ANP (Agência Nacional do

Petróleo), através da resolução Nº 16 regulamentou a composição do gás natural de

acordo com a região do Brasil, na Tabela 1 temos a composição do gás natural na

região nordeste do País.

Tabela 1 - Composição do gás natural na região nordeste

Característica Unidade Limite

Poder Calorífico Superior kJ/m³

kWh/m³

35.000 a 43.000

9,72 a 11,94

Índice de Wobbe1 kJ/m³ 46.500 a 53.500

17

Metano, mín % mol 85

Etano, máx. % mol 12

Propano, máx. % mol 6

Butanos e mais pesados,

máx.

% mol 3

Oxigênio, máx. % mol 0,5

Inertes (N2 + CO2), máx. % mol 8

CO2, máx. % mol 3

Enxofre total, máx. mg/m³ 70

Gás Sulfídrico (H2S), máx. mg/m³ 13

Fonte: Resolução Nº 16 da ANP

O gás natural que abastece Salvador e a região metropolitana tem origem no

campo gaseífero de Manati, localizado na bacia de Camamu, e é distribuído pela

Bahiagás através de tubulações. Possuindo a composição média, segundo

informações dessa companhia, conforme Tabela 2.

Tabela 2 - Composição do Gás Natural comercializado em Salvador e RMS.

Composição Unidade Valor

Metano % mol 90

Etano % mol 5

Inertes (N2 + CO2) % mol 5

Fonte: Bahiagás

As propriedades físicas do gás natural distribuído em Salvador e região

metropolitana, segundo informações da Bahiagás, são conforme a Tabela 3.

Tabela 3 - Propriedades físicas do gás natural

Propriedade2 Unidade Valor

PCS kJ/m³

kcal/m³

36.687

8765

Peso Especifico kg/m³ 0,739575

1 O conceito do índice de Wobbe será abordado no tópico 2.1.3 desse trabalho.2 As propriedades apresentadas nessa tabela, referem-se as condições normais de

temperatura e pressão 20oC e 1 atm.

18

Densidade - 0,61

Fonte: Bahiagás

2.1.2 GLP

O Gás liquefeito de Petróleo, conhecido como GLP ou gás LP e popularmente

“gás de cozinha”, é um gás combustível formado principalmente por propano e

butano, que é extraído do processamento do petróleo e do gás natural.

A resolução Nº 18 da ANP em seu art. 2º classifica os Gases Liquefeitos de

Petróleo (GLP) em: Propano Comercial, Butano Comercial, Propano / Butano,

Propano Especial.

O GLP utilizado na nossa área de estudo, uso doméstico, enquadra-se na

classificação Propano / Butano, que ainda segundo o art. 2º “é uma mistura de

hidrocarbonetos contendo predominantemente, em percentuais variáveis, propano

e/ou propeno e butano e/ou buteno.”.

Diferentemente do gás natural, o GLP é comercializado em sua forma liquida,

através de recipientes, denominado botijão, quando se refere ao utilizado na

comercialização de recipientes, ver Figura 2, e vasos estacionários quando utilizado

a comercialização a granel, com abastecimento através de caminhões-tanques,

conforme Figura 3.

Figura 2 - Botijão de gás GLP

Fonte: (LIQUIGÁS DISTRIBUIDORA S.A, 2008)

19

Figura 3 - Abastecimento de GLP a granel

Fonte: (NACIONAL GÁS BUTANO DISTRIBUIDODA LTDA, 2015)

A ANP não regula os percentuais de propano e butano, portanto, esse gás

pode ser encontrado sob diversas composições, a depender da região, empresa

distribuidora, origem e outros fatores.

Um dos principais distribuidores de GLP na Bahia é a Brasilgás, empresa do

grupo Ultragaz, e segundo informações dessa distribuidora, o gás liquefeito

comercializado em Salvador e região metropolitana é obtido através do refino do

petróleo da RLAM (Refinaria Landulpho Alves de Mataripe), o que confere ao GLP

uma densidade mais alta do que a obtida do gás obtido do tratamento do gás

natural.

O GLP distribuído possui a composição química média conforme Tabela 4 e

propriedades físicas conforme Tabela 5.

Tabela 4 - Composição do GLP comercializado através da RLAM


Metano % vol <0,01

Etano % vol 1,08

Propano % vol 20,21

Propeno % vol 15,23

Butano % vol 63,17

> Pentanos % vol 0,31

Fonte: Petrobrás

Tabela 5 - Propriedades físicas do gás LP

Propriedade3 Unidade Valor

3 Propriedades calculadas a partir de (THE ENGINEERING TOOLBOX, 2015) e (AUSETUTE,2015)

20

PCS kJ/m³

kcal/m³

converter

26844

Peso Especifico kg/m³ 2,242674

Densidade - 1,86

Fonte: Cálculos realizados nesse trabalho.

2.1.3 Família dos Gases Combustíveis

A classificação, em famílias, dos gases combustíveis utilizam como principal

critério a razão entre o poder calorifico de um gás, por unidade de volume, e a raiz

quadrada da densidade relativa do próprio gás em relação ao ar. A essa razão

denomina-se número de Wobbe, ou índice de Wobbe, dado pela equação ( 1 ).

Wobbe=PCS

√d( 1 )

Onde d é a densidade relativa do gás em relação ao ar e PCS é o poder

calorifico superior.

“O índice de Wobbe representa a taxa de fluxo de calor em um injetor e é amplamente aceito como um índice padrão de intercambiabilidade entre os gases. Ele é utilizado para comparar a produção térmica de um equipamento utilizando combustíveis gasosos de diferentes composições.” (PINHEIRO e CIMBLERIS, 2010, p. 1).

Existem correntes acadêmicas que criticam a utilização do índice de Wobbe,

pois o mesmo compara duas propriedades de um gás, não considerando fatores

como a pressão e a velocidade da combustão. Apesar disso, o número de Wobbe é

uma referência consolidada e utilizada, inclusive, em diversas normas mundiais para

a classificação dos gases combustíveis.

Seguindo a tendência das normas europeias a ABNT NBR 13723-1:2003

classifica os gases em primeira, segunda e terceira família de acordo com os seus

números de Wobbe, conforme Tabela 6.

Tabela 6 - Classificação dos gases

Classificação Exemplo Nº de Wobbe (MJ/m³)

Primeira família Gases manufaturados 21,0 a 23,7

21

Segunda família Gás Natural 51,1 a 56,5

Terceira família GLP 77,0 a 87,6

Fonte: ABNT NBR 13723-1:2003

Em geral os aparelhos utilizados no Brasil, são fabricados para os gases de

terceira família, podendo operar com gases da segunda ou terceira família através

da conversão do aparelho.

2.1.4 Reações de Combustão dos gases combustíveis

Como sabemos o gás natural é composto porcentagens de metano, etano e

inertes. Calculando a reação química separadamente de cada composto temos.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O(Vapor)

C2H6 + 3,5 O2 2 CO2 + 3 H2O(Vapor)

O gás liquefeito de petróleo é composto por propano e/ou propeno e butano

e/ou buteno. Calculando a reação química de cada composto temos:

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O(Vapor)

C4H10 + 3,5 O2 2 CO2 + 3 H2O(Vapor)

C3H6 + 4,5 O2 3 CO2 + 3 H2O(Vapor)

C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O(Vapor)

C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O(Vapor)

Como o gás natural tem composição conforme Tabela 2 e o GLP conforme

Tabela 4, podemos calcular o oxigênio teórico necessário para a combustão de um

mol e um m³ de gás combustível.

Tabela 7 - Relação oxigênio teórico e combustível

Combustível Unidade Oxigênio (O2) teórico

1 mol de GN

1 m³ de GN

% mol

% Vol

1,975

2,514

1 mol de GLP % mol 5,870

22

1 m³ de GLP % Vol 7,631


2.1.5 Demanda volumétrica de combustível e de Ar

Segundo (SERFATY, 20__, p. 20) “Cada combustível necessita de uma

quantidade exata de ar para queimar completamente. Essa quantidade depende dos

teores de C e H [Carbono e Hidrogênio] que o combustível contém, e é definida pela

relação ar-combustível.”.

A composição do ar atmosférico é apresentada na Tabela 8

Tabela 8 - Composição do ar atmosférico


Nitrogênio (N2) % Vol

% Massa

[%mol]

79,1

76,8

[79,1]

Oxigênio (O2) % Vol

% Massa

[%mol]

20,9

23,2

[20,9]

Fonte: (MONTEIRO e SILVA, 2010, p. 62)

Analisando a Tabela 8 podemos concluir que para cada mol de oxigênio (O2)

envolvido na reação de combustão teremos aproximadamente 3,76 mols de

nitrogênio (N2). De modo que podemos montar a Tabela 9 que relaciona o volume

requerido de oxigênio com o volume ar.

Tabela 9 – Relação entre Volume de O2 e Volume de Ar

m³ de O2 m³ de Ar

1 3,76

Fonte: Cálculos realizados no trabalho.

A condição onde utilizamos a quantidade exata de ar para a queima completa

do combustível denomina-se ar estequiométrico ou teórico. Segundo (VIEIRA e

GARCIA, 2005, p. 85) essa condição “[...] é difícil de acontecer [...] porque as

23

moléculas de combustível e as moléculas de oxigênio precisam entrar em contato

físico para haver reação.”.

Esse contato entre as moléculas do combustível com o comburente, é

dificultada, pois como citado, existem mais moléculas de nitrogênio no ar do que de

oxigênio, o que requer que a mistura ar-combustível seja muito bem realizada.

Segundo (SERFATY, 20__, p. 18) “Devido a ineficiência na fase da mistura

do combustível com o ar, nem todo o ar estequiométrico vai participar da reação de

combustão [...] Desta forma haverá falta de ar e a combustão será incompleta.”

Essa combustão incompleta, como vimos anteriormente, leva a formação de

monóxido de carbono (CO) e fuligem. Portanto, para evitar a formação desses

compostos, costuma-se operar com excesso de ar.

Nos aparelhos domésticos o excesso de ar segundo (FULFORD, 1996, p. 5) é

de 50 %.

Como vimos no tópico 2.1.4 cada reação gera uma quantidade de energia,

denominada PCS (poder calorifico superior), podemos relacionar a potência

requerida por um queimador através da equação ( 2 )

Q= Potn . PCS

( 2 )

Onde Q é a vazão em m³/h de gás, Pot é a potência nominal do queimador

em kcal/h, n é a eficiência do queimador e é adimensional e o PCS é o poder

calorifico superior em kcal/m³.

Com o resultado da equação ( 2 ), relacionado com a Tabela 7, temos a

vazão de oxigênio teórico, relacionando esse valor com a Tabela 9 temos a vazão

do ar teórico, que após aplicarmos o excesso de ar teremos a vazão de ar real. A

seguir, exemplificamos esse cálculo através dos exemplos estudos 1 e 2.

Por exemplo, temos o estudo 14, um queimador de gás natural com potência

de 1,16 kW (1000 kcal/h) com eficiência de 0,6, operando com 50% de excesso de

ar, temos:

Vazão necessária de combustível dada pela equação ( 2 ):

4 Esses estudos estão referenciados pois serão utilizados no desenvolvimento do trabalho.

24

Q= Potn . PCS

= 10000,6 .8765

=0,19m3/h

Através da Tabela 7 temos a quantidade de oxigênio necessária:

1 m --------- 2,514 m³ ³0,19 m / h------------ Q³ O2QO2 = 0,4779m /h³

Através da Tabela 9 podemos calcular a vazão de Ar teórico (QAr.t):

1 m de O³ 2 --------- 3,76 m de ar³0,4738 m / h de O³ 2 ------------ QAr.tQAr.t = 1,7970 m /h³

Aplicando o excesso de Ar, temos a vazão real de Ar (QAr):

QAr=1,5QAr .t=1,5 .1,7815

QAr=2,6956m ³/h

Como estudo 2, temos um queimador nas mesmas condições do estudo 1,

porém operando com GLP.

Vazão necessária de combustível dada pela equação ( 2 ):

Q= Potn . PCS

= 10000,6 .26844

=0,062m3/h

Através da Tabela 7 temos a quantidade de oxigênio necessária:

1 m de GLP --------- 7,631 m de O³ ³ 20,19 m / h de GLP ------------ Q³ O2QO2 = 0,4738 m /h³

Através da Tabela 9 podemos calcular a vazão de Ar teórico (QAr.t):

25

1 m de O³ 2 --------- 3,76 m de ar³0,4738 m / h de O³ 2 ------------ QAr.tQAr.t = 1,7815 m /h³

Aplicando o excesso de Ar, temos a vazão real de Ar (QAr):

QAr=1,5QAr .t=1,5 .1,7815

QAr=2,6722m ³ /h

Através dos cálculos realizados podemos montar a Tabela 10, que resume os

valores obtidos nesses exemplos de estudos.

Tabela 10 – Tabela Resumo dos estudos exemplos

Combustível Vazão de Gás (m³/h) Vazão de Ar (m³/h)

GN 0,19 2,6956

GLP 0,062 2,6722


2.2 DINÂMICA DOS FLUIDOS APLICADA

O principal pilar da dinâmica dos fluidos newtonianos é o princípio da

conservação da massa. Segundo esse princípio em um escoamento de fluido

uniforme o fluxo de massa é constante independente da secção transversal. De

maneira simplificada, podemos descrever esse fenômeno através da equação ( 3 ).

V 1 A1ρ1=V 2 A2ρ2 ( 3 )

Onde V é a velocidade, A é a área da secção e ρ é a massa especifica.

Nos escoamentos tidos como ideais, ou seja sem perdas de energia, outro

pilar importante da teoria da dinâmica dos fluidos é a conservação de energia.

Através desse princípio que Bernoulli desenvolveu uma equação que descreve a

conservação de energia em fluidos incompressíveis, atualmente denominada

equação de Bernoulli, e demostrada na equação X

26

Equação de Bernoulli

Em um escoamento real existem forças resistivas ao movimento do fluido,

como o atrito com a parede do tubo. Para manter o princípio de conservação da

massa há uma diminuição na densidade de energia de pressão, conhecido como

perda de carga (hf) que é aplicado a equação de Bernoulli para descrever um fluxo

real, a equação X é a equação corrigida para o fluxo real.

Equação de Bernoulli corrigida

Para calcularmos a perda de carga, primeiro temos que conhecer o

comportamento do escoamento do fluido. Existe um número adimensional que pode

ser relacionado com o tipo de escoamento, laminar ou turbulento, esse número é

conhecido como número de Reynolds e é descrito pela equação X

Equação n° de Reynolds

A Tabela 11 relaciona o tipo de escoamento com o número de Reynolds.

Tabela 11 – Tipo de escoamento x nº de Reynolds

Escoamento Nº de Reynolds (Re)

Laminar Re < 2400

Indeterminado 2400 < Re < 4800

Turbulento Re > 4800

Fonte: XXXXXX

Com o número de Reynolds podemos calcular o fator de fricção, no caso de

escoamento laminar, conhecido também como fator de atrito de Darcy, através da

equação X.

Atrito de Darcy

Para o escoamento turbulento é necessário conhecer o a rugosidade relativa

da parede do tubo para consulta ao diagrama de Moody, demonstrado na figura x.

27

Diagrama de Moody

Com essas informações a perda de carga pode ser calculada através da

equação de Darcy.

Equação de Darcy

Essa equação descreve a perda de carga em tubulações, nos acidentes das

tubulações é usual utilizarmos o método do comprimento equivalente, que somado

ao comprimento da linha nos fornece um comprimento total que pode ser utilizado

na equação de Darcy.

2.2.1 Comportamento de fluidos compressíveis

Como vimos no tópico anterior a equação de Bernoulli foi deduzida para

modelos de fluidos incompressíveis. Em se tratando de gases compressíveis a

massa especifica ρ e peso especifico γ varia de acordo com o estado termodinâmico

em cada seção. De modo que deve ser introduzido um coeficiente que leve em

conta este fenômeno.

Através da equação de energia temos que o aumento da energia total,

quando uma unidade de massa passa da seção A1 para a seção A2, é igual ao

trabalho efetuado mais o calor acrescentado. De modo que tempos:

ut 2−ut1= (P1V 1−P2V 2 )+(h1−h2 ) g+qh

Onde ut é a energia total por unidade de massa, P é a pressão, V é o volume,

h a altura, g a gravidade e qh o calor acrescentado.

Considerando h1=h2 e qh=0, podemos simplificar a equação x. Sabendo que

ut=uc−u i, onde uc é a energia cinética por unidade de massa e ui é a energia interna

por unidade de massa. Considerando que a mudança de estado entre a Seção A1

para a seção A2 é uma transformação adiabática, temos:

28

PV k=Constante

Reescrevendo a equação da energia temos:

P1ρ1

+V 12

2+ui1=

P2ρ2

+V 22

2+u i2

Sabendo que por definição a entalpia H é dada por:

H= Pρ+ui

Temos,

V 22

2−V 12

2=H 1−H 2

Considerando o fluido como gás perfeito:

∆ H=∫p1

p2

ϑ (dp )

Integrando temos:

∆ H=c' P1

(k−1)k

.k

k−1 [1−(P2P1 )(k−1)k ]

Substituído a equação x em Y temos a formula de Wantzel.

V 22−V 1

2=2P1ρ1

.k

k−1 [1−( P2P1 )( k−1)k ]

Levando em conta a equação da continuidade de massa temos:

29

V 1 A1ρ1=V 2 A2ρ2

Fazendo β=A2A1

podemos escrever a velocidade V1 da seguinte maneira:

V 1=β2ρ2ρ1

V 2

A relação entre massas especificas é dada pela seguinte equação:

ρ2ρ1

=( P2P1 )1k

De modo que:

V 12=β4 (P2P1 )

2kV 2

2

Substituindo na equação de Wantzel temos:

V 2={ 2P1

ρ1[1−β4( P2P1 )2k ].

kk−1 [1−(P2P1 )

(k−1)k ]}

12

A vazão mássica é dada por:

Qm=V 2 A2 ρ2

Utilizando a equação y e z, temos

Qm=A2{ 2P1ρ1

[1−β4( P2P1 )2k ].

kk−1 [1−( P2P1 )

(k−1 )k ](( P2P1 )

2k )}

12

30

Multiplicando e dividindo a equação acima pelo valor:

C√2 (P1−P2 )√1−β4

Temos:

Qm=C A2√2 (P1−P2 ) ρ1 .1

√1−β4.{ P1P1−P2

.1−β4

1−β4(P2P1 )2k

.k

k−1 [1−( P2P1 )( k−1 )k ](P2P1 )

2k }12

Chamando todo o termo entre parênteses de ε temos e E= 1

√1−β4

Qm=CE. A2 . ε .√2 (P1−P2 ) ρ1∎ ( 3 )

2.2.2 Fluxo através de um orifício

Apresentar equações empíricas que descrevem o fluxo de gás através de

orifício discutindo

2.3 APARELHOS DOMESTICOS DE COCÇÃO A GÁS

A ABNT NBR 13723-1:2003 define aparelho doméstico de cocção, como

sendo o “Aparelho de cocção que é destinado a se2r usado em um ambiente

doméstico. Isto deve ser informado nas instruções de utilização, bem como nas

instruções de assistência técnica.”.

Nesse trabalho, estudaremos as peças internas e externas que compões o

fogão e que estão diretamente envolvidas no processo de combustão dos gases.

31

São elas o queimador, composto pelo injetor, corpo (tubo de mistura) e espalhador;

e trempe.

(Imagem com a vista explodida das partes)

2.3.1 Registro

O registro é uma válvula de bloqueio e controle do fluxo de gás, apesar de

não ser um nome convencionalmente aceito na engenharia a Norma ABNT NBR

13723-1:2003 oficializa o termo através da definição apresentada no trecho da

norma a seguir:

Figura 4 – Peças do Fogão: Registro do Fogão

Fonte: fotografada

“Registro (tap): Dispositivo destinado a isolar o fornecimento

de gás para um queimador e eventualmente ajustar a sua vazão de

gás durante o uso.”

O registro tem a função de introduzir uma perda de carga ao sistema, esse

controle de pressão a jusante dessa válvula tem a função de controlar o fluxo de gás

no queimador, veremos detalhadamente essa influência no tópico 2.3.3.

Essa perda de carga é resultante da variação da secção de passagem do

gás. Logo concluímos que o projeto de um registro para um gás que necessita de

menores vazões não pode ser o mesmo projeto de um registro de um gás que

necessita de maiores vazões.

... ... ...

2.3.2 Tubulação interna

32

A tubulação interna é o elemento responsável por conduzir o gás combustível

da saída do registro até a base do queimador, onde encontra-se injetor.

Para cálculo da perda de carga resultante do escoamento do gás nessa

tubulação será utilizado a versão empírica da equação de Bernoulli, dada pela

equação ( 4 ), para o gás natural e a equação X para GLP apresentada na

metodologia de dimensionamento de tubos de condução de gases combustíveis da

norma ABNT NBR 15526:2012.

Q0,9=2,22.10−2√ H . D4,8

S0,8 . L( 4 )

Pa−Pb=2273 . S .L .Q1,82

D4( 5 )

2.3.3 Injetor

O injetor, Figura 5, é um componente do queimador, que possui geometria

diferenciada de acordo com o seu projeto, sua função é regular a passagem do gás

para o interior do queimador.

Figura 5 – Peças do fogão: Injetor: Diferentes geometrias

Fonte: (FULFORD, 1996)

Devido a importância de sua função no aparelho Gattei (2008, pg.2) afirma

que “esse componente pode ser considerado o coração do fogão a gás.”.

Uma versão empírica do teorema de Bernoulli é apresentada em (FULFORD,

1996, p. 2), equação ( 5 ), que define a vazão de gás (Q), em função do coeficiente

33

de descarga (cd), Área do orifício (Ao), pressão do gás a montante do orifício (p) e o

peso especifico do gás combustível (ρ).

Q=0,0467Cd Ao√ pρ

( 5 )

Analisando a equação ( 5 ) notamos que a vazão de um gás através de um

injetor (orifício) é proporcional a dimensão do orifício e a raiz da pressão a montante

do mesmo, e inversamente proporcional a raiz do peso especifico do gás

combustível.

Por sua vez, o coeficiente de descarga é um número empírico que depende

da geometria do orifício, sendo um fator que minora a vazão de gás e é utilizado

para corrigir o efeito do fluxo de gás através de um orifício, como uma forma de

compensação, por exemplo, do efeito contração.

Figura 6 - Efeito de contração no orifício

Fonte: (FULFORD, 1996)

Esse efeito é explicado por (SIMÕES, 20__, p. 2) “Na seção contraída a

velocidade é elevada e a pressão bastante baixa, chegando a ser menor do que a

pressão atmosférica local.”. Nessas condições o fluxo na extremidade do orifício cria

zonas de turbulências que são responsáveis por esse efeito.

2.3.4 Misturadores

34

2.3.5 Espalhadores

2.3.6 Trempe

Trempe é o suporte colocado acima do queimador descoberto5, que suporta

os recipientes a serem aquecidos e os mantém a uma determinada distância do

queimador.

Figura 7 – Peças do fogão: Trempe

Fonte: fotografada

Segundo (FULFORD, 1996, p. 16) “O correto posicionamento do objeto a

ser aquecido [...] é importante. [Pois] se o objeto estiver muito perto da

chama [...] a combustão é incompleta e a eficiência é reduzida. Se o objeto

estiver muito longe da chama, o calor é perdido para a atmosfera e o fogão

torna-se menos eficiente.”.

Sendo assim, podemos concluir que a posição correta que o recipiente deve

estar em relação a chama é no topo da mesma.

A altura da chama, por sua vez, depende de uma série de variáveis como

velocidade da mistura ar-combustível, pressão do gás, quantidade de ar primário,

entre outros.

2.3.7 Características higiênicas da chama

5 Queimadores descobertos são os queimadores da mesa do fogão no qual os recipientes a serem aquecidos encontram-se em contato direto com a chama.

35

Nesse tópico será apresentado todas as características de uma chama ideal

2.3.8 Conversão dos aparelhos de cocção a gás

A conversão de aparelhos a gás é definida na (ABNT, 2003, p. 3) como

“Operação realizada por um especialista em um aparelho no momento da mudança

de gás.”.

Em outro tópico, especificamente em (ABNT, 2003, p. 6, grifo nosso), a

Norma deixa em aberto qual o procedimento de conversão adequado, pois indica

que para se converter um aparelho “[...] recomenda-se conforme seja necessário:

substituição de injetores, injetores pilotos [...] [e demais peças do fogão que

interfiram na combustão].”

Sem uma referência normativa a conversão dos aparelhos a gás é realizada

com base nas informações dos fabricantes, práticas consolidadas de mercado, ou

novas práticas de mercado, e ainda métodos grosseiros de ajuste. A seguir listamos

Método 1: Consiste na troca do registro e do injetor, é o método

recomendado pelo fabricante do aparelho e consolidado através das

práticas de mercado;

Método 2: Consiste na troca somente do injetor, é o método que está

sendo utilizado por companhias de gás e algumas empresas

instaladoras;

Método 3: Consiste na usinagem manual do orifício do injetor, técnica

conhecida como “calibragem” do injetor, esse método é utilizado

quando da falta de peças adequadas para a realização da conversão,

é uma pratica adotada por algumas empresas instaladoras e não é

recomendada pelo fabricante e nem pelas companhias de gás.

Elencar os métodos de conversão utilizados no mercado. Proposta de um

novo método

(Dúvida se essa proposta entraria aqui)

2.3.9 Principais problemas pós conversão

36

Listar os principais problemas decorrente da conversão dos aparelhos a gás.

Analisando as suas causas.

Velocidade d epropagação de chama definida em serfaty pg 9

37

3 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

(Tenho o procedimento do experimento, bem como a folha de coleta dos

dados, já elaborada, isso entraria aqui ou como anexo?)

Cada método de conversão será avaliado teoricamente e experimentalmente

após a análise dos resultados obtidos nos experimentos.

38

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

39

REFERÊNCIAS

5 Referências

ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Aparelhos domésticos

de cocção a gás Parte 1: Desempenho e segurança, Rio de Janeiro, 2003.

COELHO, P. M.; PINHO, C. Considerations About Equations for Steady

State Flow in Natural Gas Pipelines, Porto, September 2007.

DELMÉE, G. J. Manual de Medição de Vazão. 2ª. ed. São Paulo: Edgard

Blucher Ltda., 1982.

FULFORD, D. Biogas Stove Design, 1996.

LIQUIGÁS DISTRIBUIDORA S.A. Site da Liquigás Distribuidora S.A, 2008.

Disponivel em: <https://www.liquigas.com.br>. Acesso em: 22 mar. 2015.

NACIONAL GÁS BUTANO DISTRIBUIDODA LTDA. Site da Nacional Gás

Butano Distribuidoda Ltda, 2015. Disponivel em:

<http://http://www.nacionalgas.com.br>. Acesso em: 22 mar. 2015.

PINHEIRO, P. C. D. C.; CIMBLERIS, B. Novo Número Adimensional

Característico dos Fenômenos da Combustão, Campina Grande, 18 - 21 Agosto

2010.

SERFATY, R. Combustao e Queimadores, Rio de Janeiro, 20__.

SIMÕES, J. G. F. Foronomia: Bocais, 20__.

VIEIRA, P. L.; GARCIA, C. B. Gás Natural: benefícios ambientais no estado

da Bahia. Salvador: Solisluna Design e Editora, 2005.

41

ANEXO(S)

42

GLOSSÁRIO


43

ÍNDICE(S)


conversão de aparelhos a gás

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