Procedimento experimental dos ensaios calorimétricos

O procedimento experimental seguido nos ensaios calorimétricos foi com base nas orientações do manual do fabricante CAL2k-ECO – Digital Data Systems. O procedimento foi

sempre aperfeiçoado ao longo do trabalho, consoante eram realizados os testes na bomba calorimétrica. O procedimento encontra-se descrito no Anexo C.5.

Antes da realização dos ensaios calorimétricos, houve a necessidade de fazer a vistoria das condições de todo o equipamento e ligações envolvidas, e relembrar das respectivas precauções que devem ser tomadas. Relativamente às ligações, verificou-se sempre se estas estavam a funcionar correctamente, nomeadamente da ligação do tubo de nylon da garrafa de oxigénio comprimido ao posto de abastecimento, da ligação do cabo de terra do calorímetro, da ligação do calorímetro ao computador, da ligação do teclado ao calorímetro e por fim, da ligação da balança, calorímetro e computador à tomada de electricidade.

As precauções que foram tomadas em conta relacionam-se com o manuseamento do calorímetro CAL2k-ECO, do posto de abastecimento de oxigénio CAL2K-3 e da bomba calorimétrica CAL2K-4, bem como as precauções gerais a ter em conta com o restante equipamento e a garantida das condições de segurança no laboratório. O manuseamento do calorímetro deve ser cuidadoso e com devida segurança, visto que, neste equipamento desenvolvem-se tensões eléctricas bastantes perigosas, que podem causar choques eléctricos. Outras precauções, que foram tidas em conta, relacionavam-se com o posto de abastecimento de oxigénio, onde efectuou-se a verificação das condições do tubo de pressão que ligava a garrafa de oxigénio ao posto. Especificamente, eliminou-se qualquer obstrução ou curvamento acentuado do tubo e averiguou-se as condições de conservação do designado tubo de nylon e de horizontalidade do posto sobre a mesa.

Em relação à bomba calorimétrica, houve constantemente o cuidado de evitar o contacto com

substâncias líquidas e de verificar as condições de conservação dos anéis de borracha “o-

ring”. Além disso, apurou-se sempre a existência de fugas na tampa da bomba e se a tampa enroscava facilmente na bomba. Durante a determinação do poder calorífico houve sempre o cuidado de não haver contacto físico com o calorímetro que continha a bomba.

As amostras de biomassa utilizadas nos ensaios foram provenientes da estufa a 105 ºC, de dimensão inferior a 2 mm, como foi referido anteriormente no subcapítulo 5.2.4. Não houve necessidade de usar cápsulas gelatinosas ou de formar pellets, pois o material queimou totalmente sem qualquer problema.

A primeira fase do procedimento consistiu na calcinação dos cadinhos na mufla à temperatura de 800 ºC durante 10 minutos, deixando-os de seguida arrefecer completamente à temperatura ambiente. Após o arrefecimento, limpou-se os cadinhos com a escova de arame e com uma toalha de papel, tendo sempre o cuidado de não deixar qualquer fibra no cadinho. De seguida, preparou-se uma solução de carbonato de sódio de concentração 100 g/L, isto é,

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pesou-se 100 g de carbonato de sódio e transferiu-se para um balão volumétrico de 1 L, adicionando água bidestilada até perfazer a marca do balão.

A outra fase do procedimento constou na preparação da bomba calorimétrica, em que desenroscou-se e seguidamente retirou-se a tampa da bomba. Posteriormente, retirou-se o anel de borracha inferior do eléctrodo central, de acordo com as especificações técnicas do fabricante, e colocou-se a tampa, com os dois respectivos eléctrodos, no suporte para o efeito. Por conseguinte, uniu-se o eléctrodo central ao lateral através de um fio de arame bem apertado como se pode observar pela Figura 15.

A próxima fase foi a calibração da bomba, começando com a pesagem de cerca 0,5 g de ácido benzóico (na forma de pellet) num cadinho, através de uma balança com sensibilidade de 1 mg. De seguida, transferiu-se o cadinho com amostra para o suporte da tampa da bomba, junto aos eléctrodos, e prendeu-se com um nó o fio de algodão ao arame, enrolou-se à volta deste até entrar em contacto com a pellet de ácido, com o auxílio de uma pinça, como se encontra esquematizado na Figura 15. Por fim, colocou-se a montagem do eléctrodo com cadinho para dentro da bomba, limpando o anel de borracha e a tampa antes de enrosca-la na bomba. Enroscou-se com suavidade, não apertando em demasia, para não dificultar a sua abertura após o ensaio de combustão.

A tarefa que se seguiu foi o carregamento da bomba no posto de abastecimento de oxigénio, para isso colocou-se a bomba debaixo do posto de abastecimento e abaixou-se a alavanca para fazer o carregamento com oxigénio puro. A bomba foi carregada com oxigénio a partir da garrafa de oxigénio comprimido, tendo a pressão sido aumentada gradualmente até 30 bar, através do regulador de pressão da garrafa, com duração aproximada de 60 segundos. O controlo do enchimento foi através da leitura da pressão no manómetro da bomba que se localiza no posto de abastecimento. Após o enchimento concluído, levantou-se a alavanca do posto e retirou-se a bomba, deixando estabilizar durante 1 a 2 minutos, antes de inseri-lo no calorímetro. Durante este intervalo ligou-se o calorímetro e o computador, abrindo o software do calorímetro no modo “temperature curve” para controlar o ensaio calorimétrico. Os outputs do programa do calorímetro serão apresentados e explicados em pormenor no subcapítulo seguinte.

O ensaio calorimétrico iniciou-se com a ligação do calorímetro, a abertura da respectiva tampa e a verificação da correcta execução do software do equipamento. Antes da introdução da bomba no calorímetro, inseriu-se alguns comandos através do teclado ligado ao calorímetro, nomeadamente o número de identificação da bomba e do calorímetro, a data (mês e ano) e hora (hora e minutos), a identificação das unidades do PCS (em MJ/Kg), a

voltagem (que foi de 26 volts, estando dentro da gama de 25 a 30 volts, de modo a não reduzir a vida útil do arame), o número de identificação da amostra e a massa da amostra (em gramas). Neste caso da calibração, introduziu-se mais os comandos relativos ao poder calorífico do ácido benzóico (26,454 MJ/Kg bs) e ao número de identificação da calibração (apareceu no visor do calorímetro a letra “c”, significando que a calibração está em curso). Os comandos foram visualizados no LCD do calorímetro e encontram-se relatados no Anexo C.5. Estes valores, inseridos através dos comandos, foram armazenados na memória da bomba, estando depois acessíveis através do computador em ficheiro Excel.

Posteriormente, colocou-se a bomba no calorímetro com o auxílio da pega metálica própria para o efeito e fechou-se a tampa. Depois controlou-se a evolução do processo através do computador, verificando se inicialmente a temperatura da bomba se encontrava entre os limites mínimo e máximo indicados no gráfico “temperature curve”, caso contrário, deve ser retirada de imediato e arrefecida durante mais tempo à temperatura ambiente. Se estiver dentro dos limites, o processo continua e observam-se as fases “initial” (antes da combustão) e “main” (depois da combustão) do ensaio, com duração total de 20 minutos. Tendo concluído o ensaio, o calorímetro mostrou a mensagem “calibration done” e então, abriu-se a tampa e retirou-se a bomba com a pega metálica, deixando-a arrefecer à temperatura ambiente durante 20 a 30 minutos. A tampa do calorímetro foi deixada aberta para arrefecer também o calorímetro à temperatura ambiente.

Durante o ensaio calorimétrico foram revistos os parâmetros introduzidos anteriormente, verificando se estavam a operar correctamente, através de comandos de teste que estão apresentados no Anexo C.5.

Depois de arrefecida a bomba, realizou-se a despressurização com a cápsula “defiller cap” e desenroscou-se a tampa. De seguida, retirou-se o cadinho e limpou-se com a escova de arame. A bomba foi limpa interiormente com a toalha de papel e com a escova, caso aparecesse-se manchas de sujidade ou resíduo que não era fácil de retirar, então utilizava-se cerca de 10 mL da solução de carbonato de sódio para lavagem da bomba. Seguidamente, inspeccionou-se o estado de conservação dos anéis de borracha “o-ring’s” e o fio metálico que ligava os eléctrodos e caso estivessem danificados, eram removidos e substituídos. A tampa foi cuidadosamente limpa com uma toalha de papel, tendo o cuidado de não deixar fibras.

As mesmas etapas de procedimento que foram referidas anteriormente aplicam-se também às amostras de biomassa, com as seguintes diferenças:

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Enchimento da bomba à pressão de 20 bar. O fabricante recomenda 15 bar para amostras de biomassa trituradas, mas como ocorre alguma perda de pressão durante a retirada da bomba do posto de abastecimento, então utilizou-se a pressão de 20 bar.

Os comandos relativos à calibração (identificação e valor do poder calorífico) não se introduzem no calorímetro.

Na finalização do ensaio aparece o valor do PCS, em MJ/Kg bs, podendo ser retirada de seguida a bomba do calorímetro.

Neste trabalho experimental não se conseguiu determinar o factor não-linear para a calibração, porque a diferença de temperatura entre as duas calibrações era inferior a 4 ºC. Quando a diferença é menor que 4 ºC ou o valor determinado é inferior a 0,0625, o sistema determina o valor nulo para o factor. O sistema calculou o factor não-linear a partir do exemplo de cálculo referido no subcapítulo anterior. A determinação do factor foi executada logo após a primeira calibração, realizando o mesmo procedimento para outra amostra de

ácido benzóico e introduzindo o comando “CA=2” (significa segunda calibração), sem

arrefecimento da bomba entre as duas calibrações.

Apesar de não ter sido possível calcular o factor não-linear de calibração, o sistema determinou o factor não-linear de compensação de forma automática, estando os resultados disponíveis nas folhas de cálculo Excel.

Durante os ensaios surgiram algumas vezes a mensagem “no firing wire” no LCD do

calorímetro, por razões relacionadas com o desprendimento ou danificação do arame que une os eléctrodos no interior da bomba ou falta de limpeza da base do calorímetro com os seus respectivos parafusos. Nestes casos, substituiu-se o arame ou efectuou-se a limpeza da base com uma toalha de papel, de forma cuidada. Houve a necessidade de corrigir uma fuga (que foi identificada através de gotas de água com sabão, adicionadas com a ajuda de uma pipeta de Pasteur, na extremidade superior do eléctrodo central, verificando o borbulhamento e formação de espuma) que ocorreu na guia do eléctrodo central na tampa da bomba, tendo sido corrigida com uma broca manual de 2 mm. Além disso, ocorreu o bloqueio do eléctrodo central que teve de ser desmontado e polido na extremidade superior com uma lixa fina. Ao fim de 15 ensaios calorimétricos realizou-se uma nova calibração e a substituição dos anéis de borracha “o-ring’s” localizados no eléctrodo central e na tampa da bomba. Após conclusão do trabalho de determinação do PCS, de várias amostras de biomassa, na bomba calorimétrica, desligou-se a balança e calorímetro, deixando a tampa deste último fechada. A garrafa de oxigénio foi fechada e removeu-se a pressão de oxigénio residual no tubo de

nylon. Por conseguinte, repousou-se a bomba fechada com respectiva tampa no posto de abastecimento, com a alavanca virada para cima, e retirou-se os ficheiros de dados do computador de todos os ensaios e calibrações realizadas.