A determinação dos resultados das análises dos combustíveis biodiesel e diesel foi realizada pelo laboratório Qualitex Engenharia e Serviços Ltda., de Maceió-AL, credenciado pela ANP.
3.2.1.2 Composição do combustível utilizado
Os experimentos foram realizados com uma composição de combustível de aproximadamente 85% de gás natural, 15% da mistura diesel e biodiesel. Na composição da mistura líquida, o biodiesel teve uma participação que variou de 10% (B10) a 90% (B90) em volume. Realizou-se também um experimento utilizando 85% de gás natural e biodiesel puro (B100).
Conforme Resolução ANP n° 07/2008, desde 1º de janeiro de 2010, o biodiesel passou a ser adicionado ao óleo diesel na proporção de 5% em volume (B5), assim, para calcular as diferentes misturas de diesel/biodiesel de B10 a B90, tornou-se necessário desenvolver um modelo matemático para determinar a quantidade de biodiesel a ser adicionado ao combustível diesel e, assim, obter a mistura desejada. A equação proposta é dada por:
o o o Vb(%) (Vb Vd ) Vb 100 Vb Vb(%) 1 100 (3.1)
onde Δvb é o volume de biodiesel a ser adicionado na atual mistura, para se obter a nova mistura; vb(%) é o volume de biodiesel diesel desejado na nova mistura; vbo é o volume de biodiesel da atual mistura e vdo é o volume de diesel da atual mistura.
3.2.1.3 Testes experimentais
Utilizando-se a equação (3.1), foi determinado o volume de biodiesel a ser adicionado em cada mistura diesel/biodiesel (B10 a B90). As amostras foram preparadas e o primeiro
42 experimento foi realizado com a mistura B10. Coletou-se, antes de iniciar cada experimento, uma amostra de 1 litro de mistura (diesel/biodiesel), para análises posteriores. Para a realização do experimento, ligou-se o motor e esperou-se um determinado tempo (aproximadamente 25 minutos) até que este atingisse a temperatura de aquecimento ideal, ou seja, até a abertura da válvula termostática, para, em seguida, iniciar o experimento. Deu-se atenção especial à mudança entre um experimento e outro (B10 e B20, por exemplo), para evitar a contaminação entre amostras ou misturas. Depois de concluído um experimento e ao iniciar o seguinte, eram coletados aproximadamente 2,5 litros de combustível da amostra para garantir que o circuito de combustível ficasse totalmente limpo da amostra anterior.
a) O sistema eletro-mecânico (motor-gerador)
Para a realização dos experimentos, foi utilizada a estrutura existente no Laboratório de Termogeração Elétrica da UFCG, no qual está instalado um sistema eletro-mecânico composto de um motor diesel Cummins modelo 6CTA 8.3 litros, com uma potência mecânica de 188 kW e que trabalha a uma rotação de 1800 rpm, acoplado a um gerador elétrico marca Onan Genset de 150 kW. O laboratório possui, em sua estrutura, um banco de carga resistiva, da marca Alfa Ohmic, com capacidade de 150 kW. Porém, a energia elétrica produzida pelo gerador durante os experimentos foi alimentada na rede da UFCG, pois esse sistema também está interligado com a rede de energia elétrica da Universidade Federal de Campina Grande. O conjunto motor-gerador é instrumentado com medidores de vazão de diesel, gás e ar, termopares e sensores de pressão em diversos pontos de interesse com o objetivo de obter os dados experimentais. Todas as informações obtidas pela referida instrumentação acima são realizadas em tempo real e processadas por um sistema de aquisição de dados cujo software de controle foi desenvolvido em ambiente Matlab pelo Departamento de Engenharia Elétrica da UFCG. A Figura 3.1 ilustra o sistema de termogeração elétrica usado nos experimentos.
43 Figura 3.1 - Sistema de Termogeração Elétrica da UFCG.
b) Sistema de medição de combustível (biodiesel/diesel)
Utilizou-se, para realizar a medição de consumo de combustível, uma balança eletrônica de precisão da marca Welmy, modelo W-100/2, com capacidade de medição para 100 kg, divisões de 20 gramas, pesagem mínima de 1 kg, plataforma com dimensões de 390 x 340 mm e pés reguláveis. Essa balança possui uma saída serial que possibilita a sua interligação ao sistema de aquisição de dados. A seguir, são apresentados, na Figura 3.2, a balança e o sistema de controle.
a) b)
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c) O sistema de aquisição e armazenamento de dados
O sistema de aquisição de dados é composto por um equipamento computacional, projetado, desenvolvido e construído por pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica (DEE/UFCG). O sistema recebe os sinais dos sensores de temperatura, vazão e pressão, dentre outros nele instalados, e realiza, inicialmente, um pré-processamento desses sinais. Após esse procedimento, envia as informações para o software de controle instalado em um computador onde são armazenadas e, posteriormente, realizadas as análises dos dados em softwares específicos para este fim (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Sistema de aquisição de dados.
O armazenamento e os softwares de controle do sistema de aquisição de dados ficam instalados em um microcomputador Pentium 4 que tem como função processar e armazenar todas as informações coletadas em tempo real, além de gerenciar o controle do kit gás, do sistema do banco de cargas e da planilha auxiliar desenvolvida em Excel, dentre outros. A Figura 3.4 ilustra a GUI de saída com os principais dados do programa em Matlab desenvolvido para gerenciar o sistema de aquisição de dados.
45 Figura 3.4 - Interface gráfica do sistema de armazenamento de dados em operação com o
sistema de aquisição de dados, o kit gás, a planilha auxiliar e o banco de cargas.
d) Sistema de medição de temperatura e pressão no motor
Da Figura 3.5 até a Figura 3.12 ilustram-se os sistemas de medição de temperatura, vazão e pressão no motor. Na Figura 3.5, vê-se o coletor de escapamento do motor onde foram instalados 6 termopares do tipo K, um a um estrategicamente posicionados na saída de cada um dos 6 cilindros do motor, dos quais 4 podem serem observados. Esses termopares têm a função de quantificar as temperaturas naqueles pontos específicos e, a partir destas informações, pôde-se realizar as análise necessárias com relação à energia e exergia do motor, bem como o comportamento dos gases de exaustão. Com esses sinais elétricos gerados pelos termopares e convertidos em valores de temperatura pelo software de controle, torna-se mais fácil a identificação de desequilíbrio entre os cilindros.
46 Figura 3.5 - Termopares instalados no coletor de escapamento.
Fonte: Costa (2007)
Os termopares do Tipo K apresentam as seguintes características: cromel-alumel com faixa de medição de -50oC a 1300oC, utilizados para medição da temperatura dos gases de exaustão. A precisão desses tipos de termopares é de 1%.
A Figura 3.6 apresenta um transdutor de pressão, marca Hytronic, modelo TP (piezoresistivo), que opera nas faixas de pressão absoluta de 0 a 5×107 Pa, tendo como sinal de saída 10 mV/V (TP) e temperatura do fluido variando de -40ºC a 135ºC (piezo), utilizado para registrar as variações de pressão do ar na entrada do motor. Neste ponto, também está instalado um termopar do tipo J, para registro da temperatura do ar de admissão.
Os termopares do Tipo J apresentam as seguintes características: são de ferro- constantan com faixa de medição de 78oC a 230oC e foram utilizados para medições de temperaturas do ar de admissão, do óleo lubrificante, do combustível, da água de refrigeração do motor.
Na Figura 3.7, tem-se instalado um transdutor no duto de admissão de ar e/ou mistura, que está encarregado de monitorar a pressão na admissão dos cilindros. Este transdutor foi conectado ao motor através de uma mangueira utilizada em sistemas de freio automotivos, que funciona como um elemento de antivibração capaz de absorver as vibrações oriundas do funcionamento do motor, evitando, assim, interferências indesejadas nos sinais do transdutor.
47 No mesmo coletor, com o intuito de monitorar também a temperatura, foi feita a instalação de um termopar J. Por último, pode-se observar a instalação de um termopar na linha de entrada da bomba de alimentação primária do motor, com a finalidade de monitorar a temperatura do óleo combustível.
Figura 3.6 - Sensores de medição de pressão e temperatura do ar na entrada do motor.
Figura 3.7 - Transdutor de pressão no coletor de admissão, termopares no coletor de admissão e na linha de óleo combustível.
Na Figura 3.8, ilustra-se um transdutor de pressão instalado na galeria de distribuição de óleo lubrificante. De maneira análoga ao anterior, esse transdutor também foi conectado ao
48 motor através de uma mangueira utilizada em sistemas de freio automotivos, que funciona como um elemento de antivibração capaz de absorver as vibrações oriundas do funcionamento do motor, evitando, assim, interferências indesejadas nos sinais do transdutor. O objetivo é monitorar a pressão de óleo dentro de valores capazes de atender às necessidades de lubrificação do motor.
Figura 3.8 - Transdutor para medição da pressão do óleo lubrificante na galeria. As informações obtidas por este transdutor, associadas à temperatura do óleo lubrificante no cárter do motor, obtida por um termopar do tipo J, instalado através do tubo guia da vareta de óleo do motor, determinam um acompanhamento satisfatório do sistema de lubrificação, permitindo que o motor opere sem sofrer danos causados pela falta de óleo lubrificante ou pelo excesso de temperatura deste óleo, conforme pode ser visto na Figura 3.9 -
49 Figura 3.9 - Termopar instalado no tubo guia da vareta de óleo do motor, para medição
da temperatura do óleo lubrificante no interior do Carter do motor.
A Figura 3.10 e a Figura 3.11 mostram os pontos de medição da temperatura da água na saída e entrada do motor, respectivamente. Essas medições contribuem para um controle preciso sobre o sistema de arrefecimento do motor, permitindo que ele trabalhe com segurança e seja detectado um possível superaquecimento.
Figura 3.10 - Termopar instalado para medição da temperatura da água na saída do motor.
50 Além disso, é possível calcular a quantidade de calor retirada pelo sistema, se for conhecida a vazão de água do sistema de refrigeração. Na Figura 3.10, vê-se o ponto de medição da temperatura da água de saída do motor para o radiador, enquanto na Figura 3.11, vê-se o ponto de medição da temperatura da água de entrada no motor.
Figura 3.11 - Termopar instalado para medição da temperatura da água na entrada do motor. Na Figura 3.12, vê-se a instalação do sistema de medição da condição atmosférica local, composto de um transdutor de pressão e dois termopares do tipo J, que têm o objetivo de medir a pressão atmosférica local, e as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, respectivamente. De posse desses valores, é possível determinar a umidade relativa do ar no ambiente onde esses equipamentos encontram-se instalados.
51 Figura 3.12 - Sistema de medição da condição atmosférica local.
e) Sistema de medição de vazão de ar
Conforme descrição do fabricante, o medidor de vazão é do tipo turbina. Consiste em um corpo e um rotor, montado em seu interior, cuja velocidade angular é diretamente proporcional à velocidade do fluido que está sendo medido. Um sensor de configuração magnética ou indutiva é montado no corpo do medidor de maneira a captar a passagem das aletas do motor, gerando um trem de pulsos de característica senoidal. Estes pulsos são, na sequência, enviados para uma unidade pré-amplificadora ou um conversor para que resultem em sinal de saída (pulsos quadrados) de alta impedância ou sinais analógicos.
O medidor de vazão de ar existente no mercado tinha sua capacidade máxima inferior à quantidade de ar aspirada pelo motor. Costa (2007) realizou uma adaptação, onde se acoplou uma tubulação de ar paralela à existente, a fim de suprir a vazão instalada do medidor de vazão de forma que as necessidades do motor fossem atendidas.
A capacidade de vazão do sistema auxiliar é idêntica àquela apresentada pela tubulação onde o medidor de vazão está instalado. Para isso, este sistema adicional (que contém uma válvula de regulagem de vazão tipo borboleta) foi calibrado com manômetros diferencias e regulagem da válvula de controle de fluxo, de forma que os resultados de perda
52 de carga fossem idênticos nas duas linhas de aspiração de ar do motor. Um segundo ensaio de verificação da calibração foi feito com o uso do próprio medidor de vazão quando fechada a linha de ar auxiliar e o motor em baixo regime de carga; observou-se que essa medição era o dobro do valor medido com ambas as linhas abertas, o que comprova a calibração feita com o sistema de perda de carga.
A Tabela 3.6 apresenta as características técnicas do medidor de vazão fornecidas pelo fabricante.
Tabela 3.6 - Especificações técnicas do medidor de vazão marca Nykon Dwyler.
Precisão para gases 1%
Repetibilidade 0,05%
Pressão máxima de operação 3x107 Pa
Temperatura máxima de operação 180°C
Vazão máxima de ar 735 m3/h
Vazão máxima de gás 44 m3/h
Fonte: http://www.dwyler.com.br/medidores-de-vazao
A Figura 3.13 ilustra o medidor de vazão de ar instalado na tubulação de entrada de ar do motor.
53
f) Sistema de medição da vazão do gás natural
Na Figura 3.14, observa-se a instalação do medidor de vazão e temperatura do GNV utilizado na alimentação do motor. Como se pode observar, é uma instalação simples, com as mesmas especificações do medidor de vazão de ar, mudando apenas a sua capacidade de vazão. O medidor de vazão de gás está instalado na linha de alimentação que vem do redutor de pressão, passando pelo kit gás e indo até o motor.
Figura 3.14 - Medidores de vazão e temperatura do GNV.
g) Sistema de armazenagem de gás natural
O sistema de armazenagem de gás natural é composto por um conjunto de 10 cilindros com 26 m3 cada um, totalizando uma capacidade máxima de 260 m3 de GNV, suficiente para a realização de um dia de experimento em plena carga. Para a realização de um novo experimento, o sistema deverá ser reabastecido. Para o reabastecimento, o reboque com os cilindros é engatado em um veículo que o leva até o posto de abastecimento, onde os cilindros são abastecidos, retornando, em seguida, para o laboratório.
A Figura 3.15 ilustra o conjunto dos 10 cilindros acondicionados sobre um reboque, construído essencialmente para esse fim, bem como suas conexões de interligações feitas em tubos de aço e o cabeçote confeccionado em aço inoxidável, com a válvula de abastecimento e o registro para controle de saída do gás. Todo o sistema foi montado seguindo as normas de segurança especificadas para o armazenamento, a locomoção e a distribuição de GNV (Gás Natural Veicular).
54 Figura 3.15 - Reboque com os 10 cilindros do sistema de armazenagem de gás.
A unidade redutora de pressão encontra-se instalada no interior da sala de ensaios, onde está localizado o grupo gerador, composto por berço, alternador e motor. A conexão do sistema de armazenamento de gás ao sistema de redução de pressão é feita por uma mangueira flexível especial, semelhante à que é utilizada nos postos de abastecimento, sendo engatada com rosca fixa ao sistema de redução de pressão e por um engate rápido no cabeçote do sistema de armazenamento.
O sistema de redução de pressão foi construído com dois kits de válvulas interligadas em paralelo para se conseguir a vazão de gás necessária à alimentação do motor, tendo em vista que apenas uma era insuficiente. Esse sistema é composto por duas válvulas redutoras de pressão em cinco níveis ou degraus, sistema de troca térmica (GNV e água quente em contrafluxo), válvula de feche rápido e manômetros.
O sistema de troca térmica tem sua temperatura ajustada de forma manual, através do acionamento de uma válvula agulha por onde flui a água quente do motor para o sistema. O conjunto é apresentado na Figura 3.16. O GNV entra a uma pressão de aproximadamente 220 bar nas válvulas reguladoras de pressão e vazão que atuam em vários degraus de redução, até que a pressão de entrada seja reduzida a aproximadamente 0,02 bar na saída do sistema de redução de pressão, ou seja, na segunda câmara de expansão, que serve para minimizar a variação do fluxo de gás entre os cilindros e o sistema que alimenta o motor. O gás sai do
55 sistema de redução de pressão, passa pela válvula de feche rápido, continua pela válvula de controle de alimentação para o kit gás e vai até o motor.
Figura 3.16 - Sistema de redução de pressão do GNV.
h) Unidade de controle de mistura ar-gás para o motor (kit gás eletrônico)
Esse sistema controla o fluxo de gás para o motor em função de parâmetros como a temperatura dos gases de escapamento e a pressão no coletor de admissão. É constituído de uma central eletrônica, que recebe as informações de temperatura e pressão e, em função destas, envia sinal para a válvula controladora de fluxo, que dosa a mistura ar-gás natural fornecida ao motor, por intermédio do deslocamento de um disco em cima de um furo, através de um motor de passo que controla a vazão do gás fornecida ao motor em função dos parâmetros analisados. A Figura 3.17 mostra o sistema montado, onde se destacam a central eletrônica, a válvula controladora do fluxo de GNV para o motor, a eletroválvula que promove a abertura e o fechamento da alimentação do gás para o kit, bem como um registro para regulagem do limite máximo de Caudal, responsável pelo limite máximo de gás disponibilizado ao kit.
56 Figura 3.17 - Controle de mistura ar-gás para o motor (kit gás).
i) Sistema de análise dos gases de escape
Com o objetivo de se avaliar a emissão de poluentes do motor operando em condições previamente estabelecidas, foi adquirido um analisador de gases fabricado por Kane International Limited, modelo Kane 940, com as especificações técnicas mostradas na Tabela 3.9, juntamente com uma sonda para coleta de gases no sistema de descarga do motor em tempo real. A Figura 3.18 mostra a unidade de análise e armazenamento dos dados de gases de combustão.
57 Na Figura 3.19, vê-se a sonda do analisador de gases, que se encontra instalada na tubulação de escapamento do motor, onde os gases são captados para análise. As especificações técnicas do analisador estão representadas a seguir, na Tabela 3.7.
Figura 3.19 - Sonda do analisador de gases instalada. Tabela 3.7- Especificações técnicas do analisador de gases.
Parâmetro Escala Resolução Precisão
Temperatura 0-600ºC 1,0ºC ±2,0ºC ± 0.3% Valor medido
CO 0 - 10.000 ppm 1 ppm ±20 ppm <400 ppm±5% da leitura <5000 ppm ppm±10% da leitura >2000 ppm CO2 0 – 99,9% 0,1% +/- 0,3% Valor medido NO 0 - 5.000 ppm 1 ppm +/- 5 ppm < 100 ppm+/- 5% da leitura > 100 ppm NO2 0 - 1.000 ppm 1 ppm +/- 5 ppm < 100 ppm+/- 5% da leitura > 500 ppm SO2 0 - 5.000 ppm 1 ppm +/- 5 ppm < 100 ppm+/- 5% da leitura > 100 ppm
Pressão +/- 150 mbar 0,01 mbar +/- 0,2% fundo da escala
Perdas 0 - 99,9% 0,1% +/- 1% da Leitura Eficiência de queima 0 - 99,9% 0,1% +/- 1% da Leitura Excesso de Ar 0 - 2885% 0,1% +/- 0,2% da Leitura Índice de Toxidade 0 - 99,9% 0,01% ±0,01% da Leitura Oxigênio 0 - 21% 0,1% +/- 0,2% da Leitura Fonte: http://www.kane.co.uk
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