Motor de combustão interna

Um motor de combustão interna a pistão (MCI) é um dispositivo que converte a energia química contida em um hidrocarboneto (normalmente entregue ao motor na forma de combustível líquido ou gasoso) em energia mecânica pela rotação de um eixo (CARTA, 2012). Existem basicamente dois tipos de MCI, aqueles onde a ignição da mistura combustível/comburente é provocada e aqueles onde a ignição acontece espontaneamente pela alta temperatura atingida na compressão da mistura, chamados de ignição por centelha (ciclo Otto) e ignição por compressão (ciclo Diesel), respectivamente (VENKATA SUNDAR

RAO et al., 2018). A Figura 3.8 mostra o ciclo termodinâmico Otto num diagrama PV, o qual mostra os processos do motor de ignição por centelha.

Figura 3.8. Diagrama pressão-volume do MCI. Fonte: (SARKAR, 2015)

Como foi descrito por Breeze (2019), os MCI alternativos também podem ser classificados por seu funcionamento, em quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão; ou em dois tempos, onde a admissão e o escape ocorrem ao mesmo tempo em que a compressão e expansão, sendo completado o ciclo a cada giro do eixo.

Os MCI são muito utilizados para a geração de eletricidade, pois estes possuem alta confiabilidade, baixo custo específico e alta eficiência elétrica, especialmente na faixa de potência de 0,5 a 3,0 MW (PRADHAN et al., 2015). Com relação à operação dos MCI com gás de gaseificação, parâmetros tais como: densidade energética da mistura gás de gaseificação/ar, o volume deslocado do motor, o número de metano ou octanagem do combustível, a velocidade da chama da mistura ar/combustível, o tempo de atraso de auto- ignição automática, a taxa de compressão do motor e o tempo de ignição por centelha, devem ser analisados, pois podem afetar o desempenho dos MCI (MARTÍNEZ et al., 2012).

Baratieri et al. (2009) estudaram o uso de gás de gaseificação, obtido a partir da gasificação de bagaço, em um MCI que trabalha com o ciclo Otto, sendo realizada uma comparação com um arranjo gaseificador/células de combustível. Encontraram que a configuração gaseificador/MCI pode alcançar eficiências energéticas globais superiores a 70%. O arranjo gaseificador/células de combustível oferece melhores desempenhos (apresenta eficiência elétrica de aproximadamente de 45%). No entanto, o arranjo gaseificador/MCI é

uma forma válida de reduzir o impacto ambiental, sendo adequado para potências na faixa de 100 a 1000 kWel.

Monteiro et al. (2012) determinaram que a utilização de um gás de gaseificação com PCI de 5 MJ/Nm3 pode ser queimado diretamente com alta eficiência em um MCI, pois observaram que ao se utilizar esse gás foi obtido um de-rating de 16%, devido a que a densidade energética da mistura gás de gaseificação/ar é 15% inferior à que tem a mistura gás natural/ar, embora o poder calorífico do gás de gaseificação seja inferior comparado com o do gás natural (40 MJ/Nm3).

Segundo Bates e Dölle (2017), uma grande vantagem do uso de gás de gaseificação nos motores de ignição por centelha é a presença de monóxido de carbono e metano, bem como alguns diluentes como o dióxido de carbono e nitrogênio no gás de gaseificação, os quais tendem a incrementar o poder antidetonante do combustível. Portanto, no presente trabalho foi considerado um motor de ignição por centelha por mostrar um bom funcionamento ao ser acionado com gás de gaseificação.

Modelo termodinâmico do motor de combustão

O modelo do MCI foi desenvolvido no software Thermoflex™ v 28.0 criado pela

Thermoflow Inc. O Thermoflex™ é um software com uma interface gráfica, na qual o usuário

cria uma rede do sistema térmico onde podem ser selecionados mais de duzentos componentes diferentes. O programa abrange simulações em regime permanente, tanto em

design como off-design, e modela vários tipos de centrais elétricas e uma ampla gama de

plantas e sistemas de conversão de energia (THERMOFLOW, 2020).

As considerações que foram adoptadas para o desenvolvimento do modelo do MCI são as seguintes:

 Modelagem desenvolvida em regime permanente.

 PCI do gás de síntese a ser fornecido deve ser maior que 5 MJ/Nm3.

 A soma das vazões de ar e gás de gaseificação que ingressam no MCI não devem ultrapassar 1820 kg/h.

 Sistema de arrefecimento a água.

 Temperatura máxima de 90 °C para a água de saída do MCI.

 Se o MCI operasse em carga parcial, a porcentagem de carga deve ser superior a 25%.

Neste trabalho foi considerado um MCI modelo SFGLD 180 do fabricante Dresser- Rand, o qual se encontra disponível na base de dados do Thermoflex™, pois esse MCI pode

ser adaptado para operar com biogás, gás de gaseificação ou gás de aterro. Os principais parâmetros de operação do MCI são apresentados na Tabela 3.8

Tabela 3.8. Parâmetros do MCI modelo SFGLD 180.

Parâmetro Valor Diâmetro do cilindro (mm) 152 Curso do pistão (mm) 165 Relação de compressão 11,8 : 1 Número de cilindros 6 Potência nominal (kW) 335 Eficiência elétrica (%) 37,8 Eficiência do gerador (%) 96,1 Vazão de exaustão (kg/h) 1820

Temperatura máxima agua de saída (°C) 90

Na Figura 3.9 é mostrado o modelo do MCI desenvolvido, sendo a corrente 1 (gás de gaseificação) e a corrente 2 (ar) fornecidas ao conjunto MCI/gerador, o qual tem como vazão de saída a corrente 3, correspondente aos gases de exaustão.

Figura 3.9. Esquema do modelo do MCI.

Foi considerado um sistema de arrefecimento a água para controlar a temperatura no MCI, onde a água que sai do motor (corrente 4) passa pelo radiador, sendo resfriada pelo ar atmosférico (corrente 8) que entra no radiador através de um ventilador. O ar quente (corrente

9) é enviado para a atmosfera e a água resfriada (corrente 5) para um reservatório, o qual tem como função possibilitar que o fluído de arrefecimento tenha espaço para se expandir quando estiver a temperaturas elevadas. Finalmente, a bomba de água pressuriza e promove a circulação do fluído sobre o bloco do MCI/gerador.

O modelo do MCI necessita como entrada a potência elétrica desejada, composição do combustível, assim como a vazão mássica e a temperatura dos gases de exaustão. A partir do modelo desenvolvido para o sistema de gaseificação de borra sabe-se que a qualidade do gás de gaseificação (composição e PCI) depende de várias variáveis do processo, tais como: composição de combustível, RE, entre outras. Portanto, serão alimentadas no MCI diferentes composições e vazões de gás de gaseificação, sendo as vazões de ar calculadas através de balanços mássicos para cumprir com o limite estabelecido pelo fabricante com relação à soma de vazão ar/gás de gaseificação que ingressam no MCI.

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Análise de resultados

No presente capítulo são apresentados e discutidos os resultados dos parâmetros avaliados no modelo computacional para a gaseificação de borra de petróleo. Inicialmente será apresentado o cálculo da razão estequiométrica AG/borra. Em seguida, é analisada a influência de diferentes tipos de AG sobre a composição, rendimento e PCI do gás de gaseificação, a temperatura de gaseificação, bem como a eficiência a frio e quente do processo de gaseificação. Foram definidos quatro cenários, cada um utilizando um tipo de AG, como mostrado na Tabela 4.1. Finalmente será analisado o uso potencial do gás de gaseificação em três acionadores primários para a geração de energia elétrica.

Tabela 4.1. Cenários considerados para o modelo computacional.

Cenário Agente de gaseificação

C1 Ar

C2 O2

C3 Mistura ar/vapor

C4 Mistura O2/vapor