Motor-gerador

Assim como o gaseificador, o motor- gerador é um volume de controle, em que ocorrem fluxos de massa e energia. Para a que seja possível identificar o rendimento do motor com o biogás de biomassa, vazão dos gases de exaustão, e perdas de energia, torna-se necessário efetuar os balanços com base na Primeira Lei da Termodinâmica.

a) Balanço de Massa

O balanço de massa do motor alternativo relacionam as vazões mássicas de entrada do biogás e do ar de admissão, e o fluxo mássico da saída dos gases de exaustão. Da hipótese de regime permanente, tem-se:

̇ ̇ ̇ (31)

Em que, ̇ é a vazão mássica dos gases de exaustão, ̇ representa a vazão do biogás que entra no motor alternativo, e ̇ corresponde ao fluxo mássico de ar de admissão. Todas as grandezas, em (kg/s).

A vazão mássica de ar de admissão ̇ é calculada segundo Carvalho (2007) por meio da razão ar e combustível (AC) e a vazão mássica do combustível. Portanto de acordo com a reação química,

(31.1) tem-se que: (31.2) Sendo:

= Fração molar de ar que entra no motor; = Massa molecular do ar;

= Massa molecular do biogás.

Logo, a vazão de ar de admissão é dada pela seguinte equação:

̇

̇ = ̇ ̇ ^(31.3)

Em que:

= Relação ar combustível real do eucalipto.

b) Balanço de Energia

O balanço de energia de um motor de combustão interna tem como finalidade nesse estudo, avaliar a perda ou ganho de calor integrado a carcaça do motor. Dessa maneira, tem-se que:

̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (32)

Sendo:

̇ Taxa de energia térmica dos gases de exaustão (kW); ̇ = Taxa de energia térmica da água não aproveitada (kW); ̇ = Potência nominal do motor (10,5 kW);

̇ = Perdas de energia térmica na carcaça do motor (kW).

c) Cálculo de energia térmica  Biogás

Segundo Andrade (2007) a energia térmica do biogás de biomassa, é determinada a partir do produto do poder calorífico inferior do biogás pela vazão mássica do biogás encontrada a partir da equação:

̇ ̇ (33)

A taxa de energia térmica dos gases de exaustão é determinada pelo valor de entalpia dos gases que compõe o gás de exaustão, e pela vazão mássica do referente gás, determinada pela equação 35. Logo, tem-se a seguinte expressão:

̇ ̇ (35) Onde:

̇ = Vazão mássica dos gases de exaustão (kg/s); = Entalpia dos gases de exaustão (kJ/kg).

A entalpia dos gases que compõem os gases de exaustão é encontrada a partir da equação:

∫

(36)

Considerando que os gases de exaustão são compostos por CO2, H20, N2na reação de combustão completa, e sua temperatura equivale a 923K, obtém- se a partir das equações contidas na tabela 8, e da equação 36, os seguintes valores de entalpia para cada gás:

;

;

.

A composição volumétrica dos gases de exaustão é determinada por meio do balanço estequiométrico e da seguinte reação que ocorre no motor:

(37)

Em que:

= Fração molar de ar que entra no motor;

= Frações molares resultantes da combustão.

De forma ilustrativa, a tabela 10 apresenta a composição volumétrica dos gases de exaustão, que juntamente com as equações 35 e 20 e massa molecular para os gases de exaustão igual a 29,92g/mol é possível determinar a entalpia dos gases de exaustão do

eucalipto. Analogamente, os mesmos critérios são utilizados para a biomassa do caroço de açaí.

Tabela 10. Composição volumétrica dos gases de exaustão para o eucalipto

GASES COMPOSIÇÃO (%)

Dióxido de carbono (CO2) 18,68

Água (H2O) 10,69

Nitrogênio (N2) 70,63

 Energia térmica não aproveitada

A taxa de energia térmica não aproveitada é determinada por meio da vazão mássica de água do sistema de refrigeração do motor e das entalpias correspondentes às temperaturas de entrada e saída no radiador. Assim, tem-se a equação 38:

̇ ̇ (38)

d) Rendimento do Motor de Combustão Interna com Biogás de Gaseificação

O rendimento energético do motor é determinado com na revisão de literatura desse estudo:

̇

̇ ⁽³⁹⁾

O rendimento, juntamente com o poder calorífico do biogás, são parâmetros para a determinação do potencial energético do biogás. Este é expresso como visto na revisão de literatura da seguinte maneira:

^{̇ ̇}

3.3.3 Simulador

A análise termodinâmica proposta neste trabalho é implementada no software Engineering Equation Solver® (EES), um programa capaz de fazer otimizações, gerar gráficos de alta qualidade, fazer animações, e em decorrência dos recursos de uma linguagem

de modelagem orientada a objetos, torna a análise facilmente compreendida. A interface computacional permite ainda o cálculo de propriedades termodinâmicas, como entalpia, entropia, volume específico de diferentes fluídos, com base em condições de pressão e temperatura, dentre outras propriedades.

O código computacional possui as variáveis de entrada que caracterizam as análises do gaseificador e do conjunto motor-gerador, e as mesmas são introduzidas nas equações matemáticas que permitem a modelagem dos balanços de massa e energia dos volumes de controle estudados.

A inicialização do simulador é realizada quando o usuário insere os dados correspondentes à vazão volumétrica do biogás, do poder calorífico inferior do biogás e da potência nominal do motor-gerador. Em seguida, o programa determina as variáveis de saída com base nos dados de entrada e das equações do código computacional.

Os resultados adquiridos são mostrados na tela do simulador por meio do diagrama. O diagrama informa dados de eficiências a frio e a quente do gaseificador, da vazão mássica de biogás gerado no processo de gaseificação, da vazão mássica da biomassa, das temperaturas de entrada e saída do radiador, da vazão e a taxa de energia térmica dos gases de exaustão e do calor perdido na carcaça do motor.

A tabela 11 a seguir lista os dados de entrada para a simulação computacional:

Tabela 11. Dados de entrada da biomassa de eucalipto e do caroço de açaí para a simulação computacional

Dados de entrada Eucalipto Caroço de açaí

Vazão mássica de biomassa (kg/s) 0,0278 0,0278

Vazão mássica de oxidante (kg/s) 0,0431 0,0431

Vazão mássica de vapor d’água (kg/s) 0,0042 0,0047

Vazão volumétrica de biogás (m³/s) 0,0500 0,0500

Vazão mássica de água do sistema de refrigeração (kg/s) 7 7

Potência nominal do gerador (kW) 10,5 10,5

Poder calorífico inferior da biomassa (kJ/kg) 9614 15825,9 Poder calorífico inferior do biogás (kJ/Nm³) 5254,4 3237

Entalpia da biomassa (kJ/kg) -6000,27 -9345,27

Entalpia do biogás (kJ/kg) -2798,5 -3219

Entalpia dos gases de exaustão (kJ/kg) -3580,5 -2781,83

Temperatura de entrada no radiador (K) 363 363

Temperatura de saída no radiador (K) 348 348

Temperatura dos gases de exaustão (K) 923 923

Alves (2010); Rodriguez (2007); TERMOQUIP (2009)

A partir dos dados de entrada contidos na tabela 12, é possível obter dados de saída por meio das equações do balanço de massa e energia, apresentadas anteriormente nas seções (3.3.1 e 3.3.2).

O diagrama apresentado na figura 9 ilustra por meio de fluxos, dois tipos de biomassa entrando no gaseificador, eucalipto e caroço de açaí e o quanto de biogases são gerados no processo de gaseificação. Ao mesmo tempo ilustra o ambiente de conexão entre o usuário e o simulador, demonstrando quais as variáveis de entrada que o usuário terá que simular e quais os resultados ele irá obter.

No conjunto motor-gerador é possível visualizar as temperaturas de avanço e retorno do radiador, bem como a taxa de energia térmica não aproveitada e o calor perdido na carcaça do motor. Por meio do diagrama o usuário pode compreender o funcionamento de uma

Figura 9. Interface do simulador termodinâmico elaborado em EES para analisar uma pequena central de potência operando com gás de gaseificação proveniente de dois tipos de biomassa: eucalipto e caroço de açaí

unidade de potência com gaseificação de biomassa, possibilitando uma análise teórica do ciclo de potência através de simulação dos parâmetros esperados.