O motor escolhido foi o motor Diesel, Scania de 500kVa e 60Hz modelo DC 13072A.403-487-Ref 02-13 seguindo a mesma escolha feita pelo projeto de pesquisa P&D GT 496. Este motor foi utilizado em três situações: alimentado por Jet-A (C12H23) apenas,
alimentado pelos gases não condensáveis (GNC) e alimentado por uma mistura de 75% de bio-óleo (GC) e 25% de óleo diesel comercial (S10).
Na primeira situação, o combustível adotado foi o C12H23 conhecido por Jet-A. Esta
escolha foi feita respeitando o banco de dados do software de combustão NASA-Glenn Chemical Equilibrium Program CEA, february 5, 2004, by Bonnie Mcbride and Sanford Gordon, REFS: NASA RP-1311, part I, 1994 and NASA RP-1311, Part II, 1996, anexo 4, que não possui a opção do C14H30 que é o óleo diesel comercial utilizado em motores Diesel. O
combustível Jet-A (C12H23) é um combustível padrão utilizado apenas nos Estados Unidos em
motores de aviões, possuindo massa especifica de 800kg/m³ e PCI de 43000kJ/kg, sendo similar ao óleo diesel comercial, apêndice 4. Na segunda e terceira situação, a combustão do GNC (apêndice 6) e o bio-óleo (apêndice 7) foram modelados através do mesmo software NASA-Glenn chemical equilibrium de acordo com os resultados obtidos pelos métodos de
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cromatografia gasosa. Completando a modelagam, foi realizada uma pesquisa no webbook NIST Chemistry sobre dados de espécies químicas para calcular o PCI do bio-óleo.
Segundo consta da ficha técnica, o motor Scania possui 6 cilindros e potência de 605cv, usando óleo diesel comercial, como foi citado na seção 3.1.1. Este combustível será utilizado para análise energética e exergética com as propriedades que foram dadas na seção 3.1.1. Porém, para fazer a análise energética e exergética teórica „single zone model‟, além das considerações citadas nos itens 3.5.1 sobre o ciclo padrão ar-Diesel Brunetti (2012) e 3.5.6 sobre as premissas adotadas por Sayin et al (2007), para a análise do GNC há a necessidade de dispor de um compressor de combustível para alimentar o motor citado. E no caso do bio- óleo, o motor será o mesmo sem alterações. A figura 4.3 mostra o motor Scania selecionado para o estudo teórico, seguindo as informações do projeto de pesquisa P&D GT 496. A tabela IV.2 mostra as características técnicas: um consumo especifico de combustível a 100% de carga, a 1800rpm, o motor Scania 500kva, consome 195g/kWh ou 86,77kg/h de óleo diesel para gerar 445kW de energia elétrica, equivalente a uma quantidade de calor de 1084,69kW.
Figura 4.3- Vista do motor Scania 6 cilindros de 605cv. Fonte: (Scania, 2015).
Tabela IV.2- Ficha técnica do motor Scania 500kVa a 60Hz. Fonte: (Scania, 2015).
Modelo DC13072A.403-487- Ref 02-13
Cilindrada (L) 12,7
Diâmetro do cilindro (mm) 130
Curso (mm) 160
Número de Cilindros 6
Potência de saída a 1800 rpm (kW) sem carga 487 Potência de saída a 1800 rpm (kW) com carga 445 Razão volumétrica de Compressão 16,3:1 Consumo especifico (g/kWh) a 100% 195 Consumo de combustível - 100% (L/h) 87,7 Consumo de combustível - 75% (L/h) 64,8 Consumo de combustível - 50% (L/h) 43,65 Consumo de combustível - 25% (L/h) 21,92
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O ciclo inicia com a entrada (admissão) ar utilizando os parâmetros das condições ambiente e geométricas do motor. Na sequência o ar admitido irá passar por um filtro onde haverá alteração dos seus parâmetros termodinâmicos. No ponto 2 será finalizado a compressão do ar admitido. Do ponto 2 ao ponto 3 haverá a combustão, onde serão determinados os parâmetros termodinâmicos segundo descrito no item 3.5.1 deste texto, finalizando o ciclo após a combustão com a determinação dos parâmetros do ponto 4. Além disso, a determinação das perdas energéticas seguirá o diagrama de Sankey mencionado por Costa (2007). A partir das frações dos gases da combustão dos combustíveis e das frações em massa dos combustíveis, foi modelada a análise energética e exergética para cada uma das três situações. Foi adotada a temperatura e pressão de referência (estado morto) T0=298,15K e
pressão P=1atm. E a análise exergética através das equações descritas no item 3.5.6, com variação da razão de equivalência (ϕ) de 0,8 a 1,2. Sendo possível também calcular segundo a variação da razão de equivalência, a vazão de ar e combustível necessária, além de calcular a exergia total, ou seja, a exergia termomecânica e química. A partir dos resultados obtem-se as eficiências exergéticas nas razões de equivalência 0,8 a 1,2, de acordo como foi citado no item 3.5.6 por Costa (2007) em forma de diagrama de Grassmann, onde as questões de exergia de combustível, exergia dos gases de exaustão e as irrevesibilidades são observadas.
A potência gasta com o bombeamento de combustível foi obtida pelo produto da vazão em massa de combustível (mc
) pelo trabalho específico da bomba (wb). Este por sua vez é
calculado pela razão entre a diferença de pressão pela massa específica do combustível (Jet- A). A pressão de saída do injetor foi adotada segundo Heywood (1988) para motor Diesel de injeção direta (200atm). No caso do GNC foi necessário usar um compressor com potência de 60,31kW para fazer a injeção do GNC na câmara de combustão. No caso do bio-óleo/óleo diesel foi necessário usar uma bomba com potência de 0,82kW para fazer a injeção. O calor nos gases de exaustão é obtido pelo produto da vazão em massa de combustível e ar (kg/s), da razão do calor específico à pressão constante no ponto 4 pela soma da constante (R) dos gases de exaustão e da temperatura do ponto 4. O calor na água de arrefecimento é obtido pela diferença entre o calor fornecido pelo combustível, a potência fornecida pelo motor, a potência gasta com o bombeamento de combustível e o calor dos gases de exaustão, sendo atribuído um percentual de 60% segundo Costa (2007). O calor no óleo lubrificante é obtido também pela diferença entre o calor fornecido pelo combustível, a potência fornecida pelo motor, a potência gasta com o bombeamento de combustível e o calor dos gases de exaustão, sendo atribuído um percentual de 30% segundo Costa (2007). As perdas por radiação e outras
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perdas são calculadas pela diferença entre o calor fornecido pelo combustível e a soma de todas as contribuições vistas anteriormente: potência do bombeamento, calor dos gases de exaustão, calor na água de arrefecimento e calor no óleo lubrificante.
Assim como foi visto no item 3.5.7 e 3.5.8, é realizado o cálculo do diâmetro do injetor (d)-equação (78), período de abertura do injetor (Δθ)-equação (79), do diâmetro SMD das gotículas-equação (84), do ângulo do spray (α)-equação (80), número de fluxo (FN)- equação (85) e penetração do spray (S)-equação (86) citados por Souza (2009), Abbasi e Emamverdi (2014). Assim, pretende-se discutir as relações entre as exergias do motor em relação aos possíveis diâmetros do injetor e as vazões admitidas.