UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ANE CLARISSE CANUTO ALVES DE LIMA

CARLOS HENRIQUE DA SILVA

LEANDRO VANDERLEY DOS PASSOS ALVES

SANDINO LAMARCA SANTOS SOUZA

RELATÓRIO DA VISITA AO LABORATÓRIO

OBTENÇÃO DO PODER CALORÍFICO

RECIFE

2015

Sumário 1 Introdução .......................................................................................................................... 2

2 Objetivos ............................................................................................................................. 2

2.1 Objetivos Gerais ....................................................................................................... 2

2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................. 2

3 Metodologia ....................................................................................................................... 3

3.1 Bomba Calorimétrica ............................................................................................... 3

3.2 Combustíveis ............................................................................................................. 6

4 Análise dos Resultados e Cálculo da Incerteza ....................................................... 7

4.1 Resultado do Experimento .................................................................................... 7

4.2 Análise do bagaço de Cana ................................................................................... 9

4.3 Análise do B10 ........................................................................................................ 10

4.4 Cálculo das Incertezas .......................................................................................... 12

4.5 Incerteza do Bagaço de Cana ............................................................................. 12

4.6 Incerteza do B10 ..................................................................................................... 13

5 Conclusão ........................................................................................................................ 14

6 Referência Bibliográficas ............................................................................................. 15

2

1 Introdução

O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade

de energia interna contida no combustível, sendo que quanto mais alto for o

poder calorífico, maior será a energia contida [1]. Há dois tipos de poder

calorífico, o superior e o inferior.

O Poder Calorífico Superior é a quantidade de calor produzida por 1

kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os

gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja

condensado. O Poder Calorífico Inferior difere do superior porque os gases de

descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a

água contida na combustão seja condensada. [1]

Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nos

motores endotérmicos, a água contida neles se encontra sempre no estado de

vapor, portanto, o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o

superior. [1]

O conhecimento do poder calorífico é de fundamental importância

para escolher adequadamente a otimização de um processo combustão.

Também é de grande importância para a escolha correta de qual motor ou ciclo

utilizar.

2 Objetivos

2.1 Objetivos Gerais

Será realizado um procedimento na Bomba Calorimétrica para a obtenção

do poder calorífico superior e em seguida será feita uma avaliação da incerteza

dos valores obtidos de cada um dos combustíveis utilizados.

2.2 Objetivos Específicos

O objetivo da atividade realizada no laboratório foi obter o poder

calorífico de dois combustíveis, um sólido e um líquido. O combustível líquido a

ser analisado por esta equipe foi o Biodiesel (B10), mistura de diesel com o

3

biodiesel, em que o biodiesel é um combustível renovável, e o 10, de B10,

significa a porcentagem de biodiesel no diesel. O combustível sólido a ser

analisado é bagaço de cana.

Após a realização do experimento na bomba calorimétrica, obtém o

poder calorífico superior e a partir dele calcula-se o inferior, e consulta na

literatura os valores encontrados. Por fim, deve-se calcular a incerteza do valor

obtido com o valor tabelado.

3 Metodologia

3.1 Bomba Calorimétrica

A bomba calorimétrica a qual o experimento foi realizado é a IKA® -

WERKE C2000 Basic, figura 1. A bomba é constituída por um vaso de pressão,

de aço inoxidável. A amostra do combustível é colocada em um cadinho que fica

suspenso dentro da bomba.

4

Figura 1 - Bomba Calorimétrica IKA® - WERKE C2000 Basic.

Um mecanismo de ignição elétrica é preparado para operar a queima

de uma resistência, um fio de algodão de propriedades conhecidas, ver figura 2,

que provoca a combustão do combustível.

5

Figura 2 - Fio de algodão.

A bomba é resistente a altas temperaturas, tem uma válvula de

entrada por onde são adicionados oxigênio e contatos elétricos para dar início a

combustão. Após a colocação da amostra na bomba, ela é fechada e

pressurizada com oxigênio. Em seguida é colocado no calorímetro, que é isolado

e coberto com água. Um agitador é usado para homogeneizar a temperatura dos

componentes dentro do calorímetro. Quando todos estão a uma mesma

temperatura, inicia-se a reação de combustão com a passagem de corrente

elétrica no fio de algodão em contato com a amostra. Quando o fio esquenta o

suficiente, a amostra entra em combustão e o calor liberado provocará o

aumento da temperatura no sistema calorimétrico. As reações dão realizadas

sob volume constante, o calor transferido corresponde à variação de energia

interna.

O calor da combustão é calculado usando a capacidade calorífica do

calorímetro, Ccal, e a variação da temperatura na bomba, ΔT. O O2 é fornecido

a 30 bar, valor grande para garantir a inserção de ar o suficiente na câmera e,

assim a combustão completa. Menos de 20 bar não é recomendado colocar.

Além disso, em relação à massa, deve ser colocar algo entre 0,4 – 1 g de

combustível para não danificar a estrutura do equipamento. Para a calibração do

equipamento são utilizadas pastilhas de ácido benzoico com 20J/g.

6

3.2 Combustíveis

Para o experimento, será realizado um teste na bomba para um

combustível sólido e outro líquido. Os combustíveis sólidos podem ser os mais

variados possíveis, exemplo, grama seca, folhas de árvores, etc. Mas como todo

combustível, é necessário que ele desprenda muita quantidade de

energia/grama, seja fácil de produzir e que tenha em abundância na natureza. O

combustível sólido utilizado neste experimento foi o bagaço de cana, figura 3.

Figura 3 - Bagaço de cana.

O combustível líquido utilizado foi o Biodiesel B10. O óleo diesel é um

derivado da destilação do petróleo bruto usa do como combustível

nos motores Diesel, constituído basicamente por hidrocarbonetos e baixas

concentrações de enxofre, nitrogênio e oxigênio. O diesel é selecionado de

acordo com suas características de ignição e de escoamento, adequadas ao

funcionamento dos motores ciclo diesel. É um produto pouco inflamável,

medianamente tóxico, pouco volátil, límpido, isento de material em suspensão e

com odor forte e característico.

Um dos inconvenientes de usar apenas o biodiesel nos motores é a

sua baixa fluidez. A falta de fluidez do biodiesel pode impedir o seu escoamento

do tanque até a câmara de combustão do veículo, causando desde pequenas

falhas até sérios danos ao motor. Esta fluidez é influenciada tanto pela matéria-

prima utilizada na produção do biodiesel, como pelas condições de

temperatura e pressão atmosférica.

7

Antes de colocar o combustível na Bomba é necessário pesá-lo. Para

isso, utilizou-se uma Balança Analítica com Proteção Ambiente OHAUS AR2140

de alta precisão, figura 4.

Figura 4 - Balança Analítica com Proteção Ambiente OHAUS AR2140.

Após tarar a balança e realizar as medidas dos combustíveis,

lembrando de que não pode passar de uma grama e deve ser maior que 400

miligramas, para não danificar a estrutura do equipamento, pode-se colocá-lo na

bomba.

4 Análise dos Resultados e Cálculo da Incerteza

4.1 Resultado do Experimento

A partir das figuras abaixo, foi determinado que a massa da amostra

de bagaço de cana é de 0,76990, o PCS equivale a 17010 J/g, a massa de cinzas

foi desprezada.

8

Além disso, verifica-se pelas imagens a seguir que a massa da

amostra de B10 é de 0,57980 g e o PCS é 45717 J/g. A massa de cinzas também

foi desprezada.

Com isso, para os cálculos referentes à reação de combustão

ocorridos no experimento, torna-se necessária a composição elementar de cada

combustível assim como o teor de umidade presente em cada um deles. Esses

dados estão dispostos em tabela conforme abaixo

9

4.2 Análise do bagaço de Cana

As pesagens da massa inicial de combustível e o resultado do PCS

fornecido pela máquina são listados a seguir:

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏 = 0,76990 𝑔

𝑃𝐶𝑆 = 17.010 𝐽/𝑔

Adotando a umidade como 9,91% tem-se a tabela:

C H O N S

Umi

dade

Com

posição 44,8 5,35

39,5

5 0,38 0,01 9,91

%

massa

Para

0,76990 g

de comb

0,34

49152

0,04

118965

0,30

449545

0,00

292562

0,00

007699

0,07

629709

g

comb

Mi 12 1 16 14 32 18

g/

mol de

comb.

Ni

0,02

8742933

0,04

118965

0,01

9030966

0,00

0208973

2,40

594E-06

0,00

4238727

M

ol.

10

Fazendo o balanceamento das espécies químicas através de uma

reação de combustão convencional, tem-se:

0,029 C + 0,04 H + 0,02 O + 0,0002 N + 0,000002 S + 0,004 H2O + a

(O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d SO2 + e N2

Resultando em:

a = 0,031, b = 0,029, c = 0,024, d = 0,000002, e = 0,117

Com isso, determina-se a razão entre as massas de água nos

produtos e a de combustível no reagente.

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 = 0,024×18

0,76990 = 0,561

Como a reação é dada a uma pressão de 30 bar , o valor do calor

latente de vaporização da água foi obtido na tabela termodinâmica do Çengel à

mesma pressão, o qual corresponde a:

𝐻𝑓𝑔 = 1795,7 𝐽/𝑔𝑑𝑒á𝑔𝑢𝑎

Assim, com todos os dados em mãos, é possível o cálculo do poder

calorífico inferior (PCI) a partir da seguinte expressão:

𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔

Logo, substituindo devidamente os valores, obtém-se:

𝑷𝑪𝑰 = 𝟏𝟔𝟎𝟎𝟐, 𝟔𝟏𝟐 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃

4.3 Análise do B10

A pesagem da amostra do combustível, o resultado indicado pela bomba

calorimétrica e o teor de umidade fornecido pelo professor seguem listados

abaixo:

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏 = 0,57980 𝑔

𝑃𝐶𝑆 = 45.757 𝐽/𝑔

Nota-se que a soma da percentagem dos elementos químicos do B10,

mostrados na figura 2, fecha os 100 %. Para então incluir os 2% da umidade

média e mesmo assim obter-se uma soma de 100%, foi feita uma normalização.

Considerou-se que os valores listados correspondiam a 100% do total do

combustível e então o que se procura é quanto vale ele correspondendo a 98%,

já que os 2% restantes correspondiam à umidade. A partir daí fez-se a seguinte

11

regra de três, por exemplo, para o Carbono:

77,4 ----> 100

X --------> 98 X = 75,85%

Assim, o procedimento foi repetido para cada elemento e assim obteve-se

a seguinte tabela:

C H2 O2 S H20

Comp

osição 75,85 11,76 10,36 0,03 2

%

massa

Para

0,76990 g

de comb

0,439

7783

0,068

18448

0,060

06728

0,000

17394

0,011

596

g

comb

Mi 12 2 32 32 18

g/

mol de

comb.

Ni

0,036

648192

0,034

09224

0,001

877103

5,435

63E-06

0,000

644222

Mo

l.

Com isso, do balanceamento das espécies químicas, pela reação

convencional de combustão, tem-se:

0,03665 C + 0,03409 H2 + 0,00128 O2 + 0,0000054 S + 0,00064 H2O

+ a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d SO2 + e N2

Resultando em:

a = 0,05242 b = 0,03665 c = 0,03473 d =0,0000054 e = 0,19709

Sendo assim, determina-se a razão entre as massas de água nos

produtos e a de combustível no reagente.

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 =0,03473 ∙ 18

0,57980= 1,0782

Já o calor de vaporização da água a 30 bar é o mesmo encontrado na

análise do bagaço de cana:

𝐻𝑓𝑔 = 1795,7 𝐽/𝑔𝑑𝑒á𝑔𝑢𝑎

Assim, com todos os dados em mãos, é possível o cálculo do poder

calorífico inferior (PCI) com a mesma expressão do item anterior:

𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔

12

Logo, substituindo devidamente os valores, obtém-se:

𝑷𝑪𝑰 = 𝟒𝟑. 𝟕𝟖𝟎, 𝟖𝟕𝟔𝟐𝟔 𝑱/𝒈

4.4 Cálculo das Incertezas

O cálculo das incertezas combinadas é regido pela seguinte fórmula:

𝑢𝑐2(𝑦) = ∑ (

𝜕𝑦

𝜕𝑥𝑖)

2

∙ 𝑢𝑖2 (𝑥𝑖)

Onde,

𝑢𝑐– incerteza combinada

𝑢𝑖– incerteza padrão

Já o cálculo da incerteza expandida é regido por:

𝑈 = 𝐾 ∙ 𝑢𝑐

Onde K é escolhido com base no nível de confiança adotado. Para

um nível de confiança de 99%, K assume valor 3, para o caso de se ter infinitos

graus de liberdade, como será tratado aqui.

4.5 Incerteza do Bagaço de Cana

Como a função geral para o cálculo do PCI é dada como:

𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔

Será feito primeiro o cálculo da incerteza combinada da divisão das

massas e depois do conjunto da equação. Têm-se então as seguintes incertezas

padrão para as variáveis:

𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) =

√𝜕 (

𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎𝑢2(𝑀á𝑔𝑢𝑎) +

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢2(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) =√

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕𝑃𝐶𝑆𝑢2(𝑃𝐶𝑆) +

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝑢2 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎=

1

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏= 1,29887

𝑢(𝑀á𝑔𝑢𝑎) = ±0,0001𝑔

13

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏=

−𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏2 = −0,72881

𝑢(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 0,0001 𝑔

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕𝑃𝐶𝑆= 1

𝑢(𝑃𝐶𝑆) = 1

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

= 𝐻𝑓𝑔 = 1795,7

𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 7,5 ∙ 10−5

Então:

𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) = 0,9999 = 1

Assim, aplicando na fórmula geral da incerteza combinada obtém-se:

𝑈 = 3 ∙ 1 = 3

Se expressa então o valor do PCI do bagaço de cana, como:

𝑷𝑪𝑰 = (𝟏𝟔. 𝟎𝟎𝟐, 𝟔𝟏𝟐 ± 𝟑) 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃

4.6 Incerteza do B10

Para o caso do biodiesel, os valores das incertezas padrão continuam

sendo os mesmos do item anterior, pois foram utilizados os mesmos

equipamentos e tabelas. Então, teve-se que recalcular apenas as derivadas

parciais, pois os valores dessas foram modificados.

𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) =

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎𝑢2(𝑀á𝑔𝑢𝑎) +

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢2(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) =𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕𝑃𝐶𝑆𝑢2(𝑃𝐶𝑆) +

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝑢2 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎=

1

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏= 1,724732

𝑢(𝑀á𝑔𝑢𝑎) = ±0,0001𝑔

14

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏=

−𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏2 = −1,85960

𝑢(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 0,0001 𝑔

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕𝑃𝐶𝑆= 1

𝑢(𝑃𝐶𝑆) = 1

𝜕𝑃𝐶𝐼

𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)

= 𝐻𝑓𝑔 = 1795,7

𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 3,6 ∙ 10−5

𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) = 1,00000011 = 1

Assim, aplicando na fórmula geral da incerteza combinada obtém-se:

𝑈 = 3 ∙ 1 = 3

Se expressa então o valor do PCI do bagaço de cana, como:

𝑷𝑪𝑰 = (𝟒𝟑. 𝟕𝟖𝟎, 𝟖𝟕𝟔 ± 𝟑) 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃

5 Conclusão

Com a realização dos experimentos propostos, sem sombra de

dúvidas trouxe para o grupo a experiência real de como se calcula e se realiza

em laboratório testes para obtenção do poder calorífico superior e inferior,

considerando fatores como a incerteza de cada processo e também o grau de

confiabilidade. Vale salientar que algumas considerações, por exemplo,

absorção de energia pelo vaso e pelo cilindro, a energia adicionada pelo

agitador, como também, a liberação de energia gerada pela queima do fio de

algodão que foi responsável pela ignição do B10 e do bagaço de cana

depositados no cadinho, esses efeitos são todos considerados internamente

pela máquina de forma padronizada e eficaz.

O manuseio dos equipamentos, ou seja, a correta e melhor forma de

operar a máquina, foi observada pela equipe objetivando adquirir conhecimentos

sobre as precauções necessárias para que tal experimento venha proporcionar

resultados mais precisos e confiáveis. Uma lição aprendida de perto foi como se

faz a análise de um potencial calorífico de uma pequena amostra de combustível,

15

fazendo analogias com tabelas apresentadas em fontes bibliográficas

objetivando saber o percentual elementar de cada componente do combustível,

assim foi possível saber a real composição da amostra.

Realizando cálculos manualmente foi possível encontrar o PCI a

partir do PCS que já dado como resultado da máquina. Vendo os resultados

encontrados para o PCI e para as devidas incertezas, como detalhado no

decorrer do relatório, temos resultados satisfatórios. O valor do PCI foi

devidamente calculado levando em consideração as devidas propriedades e

composição de cada combustível, também encontramos as incertezas

combinada, padrão e expandida considerando todos os fatores de influência

necessários para uma boa margem de incerteza. Tivemos finalmente uma

incerteza expandida, que leva em consideração o grau de confiabilidade de 99%,

satisfatória para ambos os combustíveis, para o bagaço de cana obtivemos 3 , e

para o B10 obtivemos 3 também , tendo uma ótima margem de incerteza,

portanto um experimento eficaz e confiável.

6 Referência Bibliográficas

1- MUNDO EDUCAÇÃO, Poder Calorífico de combustíveis. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com/quimica/poder-calorifico-combustiveis.htm>. Acesso em 10 de julho de 2015.