engenharia mecânica para o uso eficiente de...

PRH-37Engenharia Mecânica para o Engenharia Mecânica para o

Uso Eficiente de Biocombustíveis

Professor Osmano Valente

PRH-37UFRJ

Novembro2012

“ÓLEOS VEGETAIS E DE FRITURA TRANSESTERIFICADOS E O BIODIESEL: TRANSESTERIFICADOS E O BIODIESEL:

INFLUÊNCIA DE SUAS CARACTERÍSTICAS NO CONSUMO E EMISSÕES DE MOTOR DIESEL E PROPOSTA DE ETANOL COMO SOLVENTE.“


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� Análise e projeto de sistemas de armazenamento e transporte;

O PRH-37: "Engenharia Mecânica para o uso Eficiente de Biocombustíveis", visa fornecer ao aluno um conjunto de conhecimentos fundamentais necessários à formação de engenheiros mecânicos que desejem

atuar como especialistas em equipamentos e sistemas para transporte, armazenamento e uso de biocombustíveis. Essencialmente os alunos formados desenvolverão ter capacidade para atuar nos seguintes temas voltados para o uso eficiente de biocombustíveis:

�Análise de desempenho e durabilidade de máquinas térmicas;


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�Análise de emissão e dispersão de poluentes;

�Otimização de sistemas de co-geração de energia;

� Modelagem e simulação computacional.

Desta forma, o PRH-37 visa aglutinar a recente demanda de conhecimento nas áreas de Biocombustíveis eEficiência Energéticas, já existente na EM/UFRJ, associada à uma demanda mundial pelo melhor

aproveitamento das fontes fósseis de energia e do recente uso de biocombustíveis, no sentido de

uma otimização dos equipamentos atualmente existentes para seu uso e na minimizaçãodos efeitos ao meio ambiente.

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� Análise e projeto de sistemas de armazenamento e transporte;

�Análise de desempenho e durabilidade de máquinas térmicas;

�Análise de emissão e dispersão de poluentes ;


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�Análise de emissão e dispersão de poluentes ;

�Otimização de sistemas de co-geração de energia ;

� Modelagem e simulação computacional.

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ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MÁQUINAS TÉRMICAS


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COMBUSTÍVEL DIESEL – COMPOSIÇÃO


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COMBUSTÍVEL DIESEL

Cetano: C16H34


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Tabela IV - Especificação –Mistura de óleo dieselcom 6% a 20% de biodiesel (1)


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RESOLUÇÃO ANP Nº 2, DE 12 DE JANEIRO DE 2011 - DOU 13.1.2011 – RETIFICADA DOU 3.2.2011Novembro

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COMPOSIÇÃO DOS ÓLEOS VEGETAIS

�Ácidos graxos livres

�Glicerol

�Mono, di e triglicerídeos

�Fosfolipídios


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�Fosfolipídios

�Lipoproteínas

�Glicolipídios

�Cera

�Terpenos (C10H603 e C8H1204)

�Outros compostosNovembro

2012

Os óleos vegetais e as gorduras de origem animal são triglicerídeos,isto é, ésteres neutros de glicerol e ácidos graxos de cadeia longa.

Esquerda: Glicerol ou GlicerinaDireita: Ácido Palmítico, Ácido Oléico e Ácido Linolênico.

O processo de transesterificação separa os ésteres da glicerina

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Glicerina é um subproduto com aplicações no campo da farmácia e outras indústrias


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Fonte: CETEC-MGNovembro

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Fonte: CETEC-MGNovembro2012

MASSA MOLAR

DIESEL – 230,09 g/mol


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MAMONA – 292,85 g/mol SOJA – 268,67 g/mol

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ÓLEO VEGETAL Ricinoléico Óleo de Mamona

MAMONA g/mol


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Ricinoléico 85,00% 298,46 253,69

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ÓLEO VEGETAL


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ÓLEO VEGETAL

SOJA


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SOJA

SOJA (g/mol)Linoléico 51,20% 280,45 143,5904

Óleico 23,50% 282,42 66,3687

Palmítico 11,00% 256,42 28,206285,70% 238,1653

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ÓLEO VEGETAL

MAMONA – 253,7 g/mol


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85% óleo

SOJA – 238,17 g/mol

Tabela I: Especificação do Biodiesel


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RESOLUÇÃO ANP Nº 14, DE 11.5.2012 - DOU 18.5.2012

ÓLEO TRANSESTERIFICADOS


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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR

Índice de Cetano

Um método de determinação do IC é regulamentado pela norma ASTM D4737(ASTM International, 2004) e utiliza três pontos da curva de destilação. A equaçãopara cálculo utilizando três pontos é mostrada a seguir (Owen and Coley, 1995).Esta equação mostra-se inadequada para determinação do IC de combustíveis


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Esta equação mostra-se inadequada para determinação do IC de combustíveistratados com aditivos oxigenados para aumentar o número de cetano.



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Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL


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BOMBA INJETORA (VOLUMÉTRICA)

INJETOR


Desempenho do Motor

Características do Combustível

Partida Número de Cetano – maior


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Número de Cetano – maior Ruído

Atrito (Lubricidade ) Viscosidade Cinemática - maior

Potência •Viscosidade Cinemática - menor•Poder Calorífico – maior•Estabilidade químicaConsumo

Operação em baixa Temperatura Teor menor de ceras e de Parafina

Emissões de NOx e Particulados Viscosidade Cinemática - menor


Fd=Τ

Torque

O torque (N.m) é dado pelo produto daforça (N) produzida pelo motor paravencer a carga resistiva imposta pelodinamômetro, mantendo a velocidade de

Fd=Τ

Potência

Potência de frenagem (W) é apotência disponível no eixo de ummotor de combustão interna. Édada pelo produto do torque de


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dinamômetro, mantendo a velocidade derotação do eixo, e a distância (m) doponto de aplicação desta força à linha decentro do eixo :

Fd=Τ

dada pelo produto do torque defrenagem e a velocidade derotação do eixo do motor:

ωΤ=bP

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Fd=Τ

Pressão Média Efetiva

A pressão média efetiva relacionao trabalho desenvolvido por ciclo eo volume deslocado peloscilindros do motor ; é calculada

Fd=Τωdcil

bR

dcil

R

N

Pn

N

nBMEP

∀=

∀Τ=

dt

d

dt

dmm F

FF

F

∀== ρ&

Consumo Específico de Combustível

Medida mais representativa dodesempenho do motor; relaciona aquantidade de combustível


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cilindros do motor ; é calculadaconsiderando no torque defrenagem ou na potênciadisponível no eixo de motor:

ωωωωNNNNPPPPnnnn

NNNNΤΤΤΤnnnn

BMEP

BMEP

BMEP

BMEP

ddddcil

cil

cil

cil

bbbbRRRR

ddddcil

cil

cil

cil

RRRR∀∀∀∀

====∀∀∀∀

====

BMPE – pressão média efetiva de frenagem (Pa)ηR – número de revoluções por cicloNCil – número de cilindros

Vd – volume deslocado por um cilindro (m 3)

quantidade de combustívelconsumido por unidade depotência produzida pelo motor:

bbbb

FFFFPPPPmmmm

SFC

SFC

SFC

SFC

&

====


Fd=Τ

Eficiência de Conversão do Combustível

A eficiência de conversão docombustível relaciona o trabalhoproduzido pelo motor por ciclo e a

Fd=Τωdcil

bR

dcil

R

N

Pn

N

nBMEP

∀=

∀Τ=

dt

d

dt

dmm F

FF

F

∀== ρ&

b

F

P

mSFC

&= •Eficiência Mecânica

Eficiência mecânica

mηrelaciona a potência disponível no eixo do motor e a e a potência indicada:

Eficiência Mecânica

Eficiência mecânica relaciona a potência disponível no eixo do

motor e a e a potência indicada:


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produzido pelo motor por ciclo e aenergia disponibilizada pelocombustível, representada pelasua entalpia de reação ou calor decombustão:

ηF – eficiência de conversão do combustível (adimensional)QLHV – poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)Pi – potência indicada do motor (W)mF – escoamento de massa de combustível para o motor (kg/s)

LHV

LHV

LHV

LHV

FFFF

iiiiFFFF QQQQmmmm

PPPPηηηη

&====

FFFF

tttt

iiii

bbbbmmmm ηηηη

ηηηηPPPPPPPP

ηηηη ========

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Fd=Τ

Eficiência Volumétrica

A eficiência volumétrica relacionaa massa de ar real admitida porciclo do motor e a massa queocuparia o volume deslocado em

Fd=Τωdcil

bR

dcil

R

N

Pn

N

nBMEP

∀=

∀Τ=

dt

d

dt

dmm F

FF

F

∀== ρ&

b

F

P

mSFC

&= •Eficiência Mecânica

Eficiência mecânica

mηrelaciona a potência disponível no eixo do motor e a e a potência indicada:

Eficiência Térmica

A eficiência térmica do ciclorelaciona a potência disponível noeixo do motor e a energia liberadana combustão :


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ocuparia o volume deslocado emum estado padrão de referência:

ma – massa de ar admitido por ciclo (kg)ρ a,0 – escoamento de massa de combustível para o motor (kg/s)

na combustão :

ddddcil

cil

cil

cil

a,0

a,0

a,0

a,0

aaaavvvv NNNNρρρρ

mmmmηηηη

∀∀∀∀==== L

HV

LHV

LHV

LHV

FFFF

bbbbtttt QQQQmmmm

PPPPηηηη

&====

O PROCESSO DE COMBUSTÃO

COMPONENTE

CONCENTRAÇÃO

(ppm/Volume)

MASSA

MOLECULAR

(kg/kmol)

FRAÇÃO

MOLAR

RAZÃO

MOLAR

Nitrogênio 780.900 28,012 0,7905 1,000

Principais componentes do ar seco.


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Oxigênio 209.500 31,998 0,2095 3,773

Argônio 9.300 38,948 -

Dióxido de Carbono 300 40,009 -

AR 1.000.000 28,962 1,0000 4,377

Fonte: Heywood, 1988

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A razão ar/combustível É a razão entre a massa de ar e a massa de combustíveladmitida pelo motor por ciclo.

FFFF

aaaa

FFFF

aaaa1111

mmmmmmmm

mmmmmmmm

AAAAFFFF

FFFFAAAA

&

&

========

====

−−−−


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Razão estequiométrica é a relação entre a massa de ar e massa de combustível queproporciona uma reação de combustão completa, ou seja,resulta únicamente dióxido de carbono (CO2), vapor d’água(H2O) e nitrogênio (N2) como produtos da combustão.

(((( )))) 222224 5467277332 N,OHCON,OCH ++++++++→→→→++++++++


Razão de equivalência da mistura É a relação entre a razão ar/combustível admitida pelomotor e a razão ar/combustível estequiométrica para omesmo combustível.


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( )( )sFA

FA=λ

O PROCESSO DE COMBUSTÃOFORMAÇÃO E EMISSÕES DE POLUENTES

�Depende, fundamentalmente, da proporção entre ocombustível e o ar que alimentam o motor, bem como, daintegralidade da combustão.�Os motores a combustão interna com ignição por compressãooperam com uma razão combustível/ar extremamente pobre.�A queima do combustível é quase completa – cerca de 98%


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�A queima do combustível é quase completa – cerca de 98%de eficiência.�A equação da combustão, considerados os dez elementosmais significativos em concentração:

(((( ))))

OOOOHHHHnnnnOHOHOHOH

nnnnNONONONO

nnnnNNNNnnnnHHHHnnnn

HHHHnnnnOOOOnnnnOOOOnnnnCOCOCOCO

nnnnCOCOCOCO

nnnn3,76N

3,76N

3,76N

3,76N

OOOO4444nnnn

nnnnφφφφ1111OOOOHHHHCCCC

222210101010

999988882222777722226666

555544442222333322222222111122222222HHHH

ccccrrrrnnnnnnnn HHHHcccc

++++++++++++++++

++++++++++++++++++++→→→→++++

++++++++

O PROCESSO DE COMBUSTÃOFORMAÇÃO E EMISSÕES DE POLUENTES

� Hidrocarbonetos Não Queimados (causas)1. O combustível misturado entre o início da sua injeção e o

início da combustão é mais pobre que o limite de misturapobre adequado para o motor.

2. Mistura do combustível com o ar insuficiente, devido à baixavelocidade do combustível ao sair dos furos do bico injetor.


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velocidade do combustível ao sair dos furos do bico injetor.

� Óxidos de Nitrogênio1. A taxa de formação dos óxidos de nitrogênio depende da

temperatura atingida pelos gases durante a combustão,normalmente acima de 1600°C, e do tempo de permanênciados gases à alta temperatura.

2. Nos motores de combustão interna com ignição porcompressão o dióxido de nitrogênio pode atingir valoresentre 10 e 30% do total de óxidos de nitrogênio presentesnos gases da exaustão.

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pn

fn

120=


Conversão Eletromecânica de Energia

O princípio da conservação de energia, juntamente com as leis de campos elétricose magnéticos, de circuitos elétricos e a segunda lei de Newton, é um meioadequado para determinar as relações que caracterizam a conversão


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adequado para determinar as relações que caracterizam a conversãoeletromecânica de energia (Fitzgerald, 1975).

++++

++++

====

Calor

Calor

Calor

Calor

Convertida

Convertida

Convertida

Convertida

Energia

Energia

Energia

Energia

Magnético

Magnético

Magnético

Magnético

Campo

Campo

Campo

Campo

Armazenada

Armazenada

Armazenada

Armazenada

Energia

Energia

Energia

Energia

Elétrica

Elétrica

Elétrica

Elétrica

Energia

Energia

Energia

Energia

dededede

Saída

Saída

Saída

Saída

Mecânica

Mecânica

Mecânica

Mecânica

Energia

Energia

Energia

Energia

dededede

Entrada

Entrada

Entrada

Entrada


Conversão Eletromecânica de Energia

Os geradores elétricos são máquinas rotativas constituídas de uma parte fixa –estator – e uma parte móvel – rotor. Um grupo de bobinas, denominado armadura,interligadas de modo que as tensões nelas induzidas contribuam positivamente para


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interligadas de modo que as tensões nelas induzidas contribuam positivamente parao resultado final, são enroladas em um núcleo de ferro visando minimizar as perdasde energia devido ao fluxo magnético. O circuito magnético é completado pelo ferrode outra parte da máquina onde se localizam as bobinas de excitação, tambémchamadas bobinas de campo

( ) tVtV ωsinmax=

=

602

nnf p



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SIGLA COMPOSIÇÃO

B0 Óleo diesel mineral puro


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B5M Mistura de 5% de biodiesel de mamona e 95% de óleo diesel mineral

B5S Mistura de 5% de biodiesel de soja e 95% de óleo diesel mineral








CARGA ELÉTRICA (kW) TEMPO DE TESTE (min)

0 30


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0 30

10 20

20 15

30 10

37,5 5

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DIESEL

ENGINE Fuel Mass Meter • Electronic Scale

Humidity Meter • Thermohygrometer

Temperature Meters Thermocouples

GASEOUS FUELS

INJECTION CONTROL


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GENERATOR Three-phase 220V– 60 Hz

LOAD

CONTROL

Load Control • Load Control Module`s

circuit

Air flow meter

• Orifice Plate

Temperature Meters

Resistance

Thermometer

• Cooling System`s

inlet and outlet

• Fuel Tank

Electrical Parameters

Meter • UPD-200 Transducer

• Admission

• Exhaust

• Ambient

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ETANOL


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MASSA MOLAR

MAMONA – 292,85 g/mol DIESEL – 230,09 g/mol


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SOJA – 268,67 g/mol

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ETANOL – 46,06 g/mol


Tabela III - Especificações do etanolanidro combustível (EAC) e o etanolhidratado combustível (EHC) (1)


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RESOLUÇÃO ANP Nº 7, DE 9.2.2011 - DOU 10.2.2011 – RETIFICADA DOU 14.4.2011Novembro

2012

MASSA ESPECÍFICA (kg/m 3 a 20°C)

BIODIESEL – 850 a 900DIESEL (S50) – 850,0 a 860,0

DIESEL (S500) – 820,0 a 872,0


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EAC – 751,5 máx.EHC – 807,6 a 811,0

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GRUPO MOTOR DIESEL E GERADORDBE

6

8

10

/h)

D5BFit 1: D5BD5B5EFit 2: D5B5ED5B10EFit 3: D5B10ED5B15EFit 4: D5B15E


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0 10 20 30 40POTÊNCIA (kW)

0

2

4CO

NS

UM

O (

kg/

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GRUPO MOTOR DIESEL E GERADORDBE


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