SHEILA GRANDINETTI SIMÕES
Projeto Térmico de Fogão a Álcool
104/2014
CAMPINAS 2014
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a todos aqueles que tornaram esse trabalho possível, a minha família pelo apoio em todos os momentos, os amigos da sala da pós, Fábio Nascimento, Graziela Barbieri, Eugênio Morita, Milene Costa Codolo, Danilo e Jonatas, pelas conversas, incentivos e ajuda prestada.
Aos amigos da rep por me ajudar nos momentos difíceis e festejar comigo nos momentos felizes João Paulo Soto Veiga, Cirano Shibuya “Satan”, Maurício de Castro Tomé, Felipo Bacani, Marcelo Costa, Tião. A Juliana Santos, Mariana Pádua, Fernanda Paranhos, e todas as meninas da rep. A Nicole Somera, por me auxiliar a deslanchar a escrita desse trabalho.
Ao Maurício Sanchez Alberti por desenhar os meus projetos e aos técnicos da oficina por terem usinado meus queimadores, sempre com muita dedicação.
Ao professor Caio, pela paciência e toda ajuda prestada para o desenvolvimento desse trabalho.
Às pessoas que tornaram esse projeto possível: engenheiros da MABE, que financiaram o projeto, professores e funcionário da USP São Carlos que furaram os queimadores a laser, Cláudio Coelho que forneceu os injetores para ensaios.
Agradeço especialmente ao Guilherme Augusto Silva Megeto por me apoiar em todas as fases e situações da minha vida.
Resumo
Este estudo teve como objetivo o projeto e a construção de um fogão doméstico alimentado continuamente por etanol, com a avaliação de rendimento de queima. O Brasil como o maior produtor de etanol, produzido a partir da cana-de-açúcar e elevado grau de desenvolvimento tecnológico, tornou esse combustível uma opção viável para substituição do GLP (gás liquefeito de petróleo) em fogões domésticos. Para a utilização do etanol foram necessários estudos para modificações tanto na forma de armazenamento, como no desenvolvimento de um novo design do queimador, visando uma queima compatível ao combustível já utilizado. Foram feitas análises termodinâmicas, a fim de descobrir os parâmetros mais relevantes na modificação. A partir dessas modificações foram desenvolvidos dois queimadores que se encaixam nas categorias semirrápido e auxiliar, com eficiências de 69% e 72% respectivamente, enquadrando ambos os queimadores na categoria A de eficiência.
Palavras Chave: Etanol, Combustíveis – Combustão – Equipamentos e Acessórios, Métodos de Cocção.
Abstract
This study aimed the project and built of a household stove fed continuously by alcohol fuel, evaluating burning efficiency. Brazil as the largest sugar-cane ethanol producer and with high technologic development degree, made this fuel a viable option to replace LPG (liquefied petroleum gas) in household stoves. For the utilization of ethanol, studies have been necessary both for the modification of storage and the development of a new burner’s design, seeking a compatible burn with the already used fuel. Thermodynamics analyses have been made to discover the most relevant parameters for the modification.From these modifications, were developed two burners with efficiency of 69% and 72%, that fits onto the categories of semi-fast and auxiliary in brazilian norm, respectively, both in category A from brazilian norm of efficiency.
Lista de Ilustrações
Figura 1: Fogão a carvão ... 4
Figura 2: Fogão a lenha ... 4
Figura 3: Fogão Elétrico ... 4
Figura 4: Bico de Bunsen. ... 15
Figura 5: Fogão SuperBlu ... 16
Figura 6: Fogão Clean Cook ... 17
Figura 7: Tanque recarregável de combustível... 17
Figura 8: Fogão a álcool NARI ... 18
Figura 9: Esquema de funcionamento do fogão NARI ... 18
Figura 10: Protótipo Preliminar ... 23
Figura 11: Protótipo do queimador, sem a tampa ... 24
Figura 12: Esquema de escoamento de combustível para canal de acendimento ... 25
Figura 13: Queimador final com fundo em ângulo ... 25
Figura 14: Modificação em Botijão para uso de etanol líquido ... 37
Figura 15: Esquema de funcionamento da injeção por gravidade ... 39
Figura 16: Queimador de difusão com injeção por filme de líquido ... 40
Figura 17: Primeira versão testada do queimador ... 41
Figura 18: Segundo protótipo do queimador ... 42
Figura 19: Terceiro protótipo (com tampa) ... 42
Figura 20: Terceiro protótipo (sem tampa) ... 43
Figura 21: Queimador com fundo em ângulo ... 43
Figura 22: Posição das medidas de temperatura para ensaio... 45
Figura 23: Fogareiro em corte ... 48
Figura 24: Fogareiro A ... 49
Figura 25: Fogareiro B ... 49
Figura 26: Fogareiro C ... 50
Figura 27: Fogareiro D ... 50
Figura 28: Detalhe fogareiro alimentado continuamente ... 51
Figura 29: Montagem do teste com termopar ... 51
Figura 30: Teste visual injeção com injetor convencional ... 53
Figura 31: Teste visual injeção com injetor mecânico ... 53
Figura 32: Injetor A com ddp aplicada de 12 V ... 54
Figura 33: Injetor A com ddp aplicada de 24 V ... 55
Figura 34: Injetor A (comparativo) ... 56
Figura 35: Injetor B com ddp aplicada de 12V ... 57
Figura 36: Injetor B com ddp aplicada de 24V ... 57
Figura 37: Injetor B (comparativo) ... 58
Figura 38: Queimador por filme de líquido sem duto central ... 59
Figura 39: Queimador com canal de acendimento em funcionamento ... 60
Figura 40: Alimentação tubo de configuração (a) ... 62
Figura 41: Alimentação por tubo de configuração (b) ... 63
Figura 42: Tempo de resposta - tubos de ¼” ... 65
Figura 43: Tempo de resposta - tubos capilares ... 66 Figura 44: Tempo de resposta (min) do queimador ¼” em relação à temperatura inicial, onde
na vazão mínima, estQmax é a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da
chama após o fechamento do registro. ... 68
Figura 45: Tempo de resposta (min) do queimador capilar em relação à temperatura inicial onde chamsus é a chama autossustentável, igcomp é a ignição completa, estQmin é a estabilização na vazão mínima, estQmax é a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da chama após o fechamento do registro. ... 70
Figura 46: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (¼”) ... 72
Figura 47: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (¼”) ... 73
Figura 48: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (capilar) .... 75
Figura 49: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (capilar) ... 76
Figura 50: Massa de combustível medida por tempo (tubo capilar) ... 78
Figura 51: Massa medida x tempo (tubo 1/4") ... 80
Figura 52: Medida 1 com válvula de vazão na posição "máximo" ... 84
Figura 53: Medida 2 com válvula de vazão na posição "máximo" ... 84
Figura 54: Medida 3 com válvula de vazão na posição "máximo" ... 85
Figura 55: Medida 1 com válvula de vazão na posição "mínimo" ... 87
Figura 56: Medida 2 com válvula de vazão na posição "mínimo" ... 87
Lista de Tabelas
Tabela 1: Propriedades de alguns gases do GLP ... 7
Tabela 2: Propriedades Etanol ... 11
Tabela 3: Resultados obtidos do equacionamento do queimador... 35
Tabela 4: Tempo médio para as configurações de tubos ... 61
Tabela 5: Conceitos médios para dados qualitativos do funcionamento dos tubos ... 64
Tabela 6: Tempo de resposta dos tubos ... 64
Tabela 7: Ensaio de comportamento de queimador alimentado por tubo de ¼” ... 67
Tabela 8: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo de ¼” ... 67
Tabela 9: Ensaio de comportamento do queimador alimentado por tubo capilar ... 69
Tabela 10: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo capilar ... 69
Tabela 11: Ensaio de acendimento tubo ¼” ... 71
Tabela 12: Ensaio de acendimento tubo capilar ... 74
Tabela 13: Medidas de massa de combustível (tubo capilar) ... 77
Tabela 14: Medidas de massa de combustível (tubo 1/4" ) ... 79
Tabela 15: Rendimento para queimador alimentado por tubo capilar... 81
Tabela 16: Rendimento para queimador alimentado por tubo de 1/4" ... 81
Tabela 17: Teste de potência com chama "aberta" ... 81
Tabela 18: Válvula de ajuste de vazão no máximo ... 83
Lista de Abreviaturas
A - área de troca de calor do queimador (m²) Ao - área do orifício de difusão da chama (m²)
At - área total de difusão (m²)
Calum - calor específico do alumínio (J/kg . K) Cp- calor específico da água (cal/g.°C)
dalcvap - densidade do vapor de álcool saturado (kg/m³)
g – aceleração da gravidade (m/s²)
hc - coeficiente de troca de calor por convecção (W/m².K)
hch – coeficiente de troca de calor por convecção placa horizontal (W/m².K)
hcv – coeficiente de troca de calor por convecção vertical (W/m².K)
hv = calor latente de vaporização do álcool (kJ/kg)
hr - coeficiente de troca de calor por radiação (W/m².K)
k – condutividade térmica (W/m.K) L - comprimento específico (m) m – massa da água (kg)
mar – massa de ar (kg)
mal – massa do alumínio (kg)
mcomb – massa de combustível (kg)
mQ – massa do queimador (kg)
Mar – massa molar do ar (g/mol)
Mcomb – massa molar do combustível (g/mol)
mII - massa de combustível na medida II no ensaio de potência (g)
mIII - massa de combustível na medida III no ensaio de potência (g)
m - vazão mássica de álcool 1
m - vazão mássica de álcool no queimador alimentado por capilar 2
m - vazão mássica de álcool no queimador alimentado por tubo ¼” n – número de orifícios de difusão
PCI – poder calorífico inferior do álcool (kJ/kg) PCS – poder calorífico superior do álcool (kJ/kg) PotN – potência nominal do queimador (W)
PotN1 – potência nominal do queimador alimentado por capilar (W)
PotN2 – potência nominal do queimador alimentado por tubo ¼” (W)
qaquec = taxa de aquecimento do queimador (W)
qconv – taxa de transferência de calor por convecção (W)
qconv+rad – taxa de transferência de calor total (convecção + radiação) (W)
qdisp – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela (W)
qdisp1 – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela no queimador alimentado
por capilar (W)
qdisp2 – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela no queimador alimentado
por tubo ¼” (W)
Qmáx – vazão máxima de álcool com chama estável (L/s)
Qmin – vazão mínima de álcool com chama estável (L/s)
qqueim – taxa de transferência de calor para o aquecimento do queimador (W)
qrad – taxa de transferência de calor por radiação (W)
t – tempo medido (min)
Tamb – temperatura ambiente (K)
taq – tempo de aquecimento (s)
Tálc – temperatura do combustível (°C)
Tmáx – temperatura máxima atingida pela água no ensaio de medida de potência (ºC)
Tsup – temperatura da superfície do queimador (K)
Tvap – temperatura de vapor (K)
T1 – temperatura inicial (°C)
T2 – temperatura máxima (°C)
VM – velocidade média do gás de álcool (m/s)
VM1 – velocidade média do gás de álcool no queimador alimentado por capilar (m/s)
VM2 – velocidade média do gás de álcool no queimador alimentado por tubo ¼”(m/s)
α – difusividade térmica (m²/s) ε – emissividade ŋ – rendimento σ – constante de Stefan-Boltzmann (W/m²K4 ) ν – viscosidade dinâmica (m²/s)
Sumário
Lista de Ilustrações ... xv
Lista de Tabelas ... xvii
Lista de Abreviaturas ...xix
1 Introdução e objetivos ... 1 1.1 Introdução ... 1 1.2 Objetivo ... 1 2 Revisão Bibliográfica ... 3 2.1 Revisão Histórica ... 3 2.2 Combustíveis ... 5 2.2.1 Propriedades básicas ... 5 2.2.2 GLP ... 6 2.2.3 Etanol ... 8 2.3 Logística de Combustíveis ... 11 2.4 Emissões ... 12 2.5 Queimadores ... 13 2.6 Fogões a Álcool ... 15
2.7 Normas ABNT e Comentários ... 19
2.8 Metodologias de Projeto de Fogões ... 20
2.8.1 Motivação ... 20
2.8.2 Linhas de Estudo ... 21
2.8.3 Ensaio das linhas de estudo ... 21
2.8.4 Avaliação das Linhas de Estudo ... 23
2.8.5 Projeto Preliminar ... 23
2.8.6 Projeto Detalhado ... 24
3 Projeto Térmico do Queimador a Álcool ... 27
3.1 Relação ar/combustível... 27
3.2 Cálculo da potência do queimador ... 28
3.3 Balanço de Energia ... 29
3.5 Vazão de gás de álcool ... 34
4 Material e Métodos ... 37
4.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização ... 37
4.2 Linha de Estudo Injeção Eletrônica ... 38
4.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido ... 38
4.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do queimador ... 44
4.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial para o queimador com
fundo em ângulo ... 46
4.2.4 Ensaios de potência segundo a norma ... 46
4.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma ... 46
4.4. Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool ... 47
5 Resultados e Discussões ... 53
5.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização ... 53
5.2 Linha de Estudo – Injeção Eletrônica ... 54
5.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido ... 58
5.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do queimador ... 60
5.2.2 Ensaios com o queimador com fundo em ângulo e medida de temperatura ... 67
5.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial ... 71
5.2.4 Ensaios de potência segundo a norma ... 76
5.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma ... 80
5.4 Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool ... 81
6 Conclusões e Sugestões ... 89
1 Introdução e objetivos
1.1 IntroduçãoDesde a sua descoberta, na era Paleolítica, o fogo passou a ser utilizado, na forma de fogueiras, para o preparo de alimentos e aquecimento de ambientes. Na Idade Antiga, há registros dos primeiros fogões, nos quais o fogo era colocado em um buraco no chão e o suporte para o alimento era feito com pedras. Apenas anos mais tarde o fogo foi confinado em fogões de barro e metal e finalmente chegaram aos fogões que conhecemos hoje em dia.
Inicialmente o fogo era conseguido utilizando-se galhos secos e folhas, combustível esse que foi, posteriormente, substituído por derivados de petróleo.
Os fogões a gás foram utilizados inicialmente após a revolução industrial na Europa e apenas em meados da década de 50 no Brasil. Outros combustíveis como a nafta e o querosene também chegaram a ser utilizados para a cocção de alimentos. Alguns fogões a etanol estão em fase de teste, em locais onde ainda se utiliza a lenha como principal combustível para o preparo de alimentos.
Torna-se interessante o desenvolvimento de um fogão a etanol no Brasil, o maior produtor desse combustível, pois o etanol, segundo Penido (1980), é um combustível “líquido, seguro, inofensivo, não poluente, renovável, relativamente barato, facilmente transportável e possível, no caso do Brasil, de ser produzido em grande escala”.
O transporte do etanol brasileiro é realizado, de forma geral, pelo meio rodoviário, porém, com os investimentos que vêm sendo realizados no setor de transporte hidroviário e dutoviário, o custo com a logística pode diminuir, tornando esse combustível ainda mais competitivo.
Outro ponto positivo que pode ser abordado diz respeito às emissões devido à queima do etanol, que por ser um combustível formado por cadeias carbônicas pequenas, emite menos hidrocarbonetos, em comparação com outros combustíveis líquidos.
1.2 Objetivo
Esse estudo teve como objetivos o projeto, a construção e avaliação de um modelo inédito de queimador para fogão doméstico alimentado continuamente por etanol hidratado, visando a otimização do mesmo para obter aplicação doméstica.
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Revisão HistóricaDesde o domínio do fogo pelo homem, cerca de 500 mil anos a.C., este foi utilizado para o cozimento de alimentos, conforme os primeiros vestígios de fogueiras indicam pela presença de ossadas carbonizadas. Segundo historiadores, o fogo foi inicialmente utilizado para o preparo de alimentos e só mais tarde usado para outros fins.(FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Os fogões tiveram a sua primeira versão na Idade Antiga e eram apenas buracos no chão, onde se colocava fogo e apoiava-se a panela sobre pedras. Após esse período, começaram a ser construídos fogões de barro e metal, nos quais se utilizava a lenha como combustível.
No antigo Egito era comum encontrar nas casas, mesmo nas mais modestas, fornos de terracota, em geral cilíndricos. O cozimento dos alimentos era feito sobre escalfadores baixos, instalados nos fundos das casas ou ainda em varandas, em habitações de El-Amarna. Ainda podia ser encontrados cômodos totalmente reservados para a cozinha, em residências espaçosas, na época de Tutmósis IV, também conhecidas como “casa dos três fornos”. (FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Os alimentos eram preparados pelos fenícios e catarginenses, principalmente por mulheres, empregados, ou ainda por cozinheiros profissionais em cômodos pequenos próximos à despensa, reservados para esse fim, ou ar livre, em fornos onde o fogo era protegido do vento por muretas. (FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Os árabes cozinhavam ao ar livre em fogões ou algumas vezes em braseiros, alimentados preferencialmente por carvão, por ser mais fácil de transportar que a madeira e fazer menos fumaça, em ambientes separados dos cômodos de habitação. (FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Na Europa, apenas no século XVI, o fogo foi limitado em uma “câmara” que consistia em três lados de alvenaria cobertos por uma placa de ferro. Apenas após a Revolução Industrial, surgiram os fogões como conhecemos hoje, alimentados por combustíveis derivados do petróleo, como nafta e que, posteriormente, foram substituídos pelo gás de cozinha (GLP).
No Brasil, na década de 40, nas cozinhas das cidades grandes era utilizado o carvão como combustível, enquanto que nas regiões mais pobres ainda se fazia o uso da lenha. Os primeiros fogões elétricos foram desenvolvidos no país no fim desta década, devido à construção de uma usina termoelétrica em São Paulo, o que barateou a energia elétrica. Com o racionamento de
energia na década seguinte, foi encontrado como solução o desenvolvimento de um fogão a querosene. (Dako, 2007)
Figura 1: Fogão a carvão
Fonte: 2kstore.com
Figura 2: Fogão a lenha
Fonte :AntiqueStoves
Figura 3: Fogão Elétrico
Em meados dos anos 50 iniciou-se a produção de GLP pela Petrobrás, o que fez com que a indústria de fogões alimentados por esse combustível fosse desenvolvida (Dako, 2007).
Nos últimos anos, alguns fogões a etanol vêm sendo testados no Brasil, Índia e alguns países da África, com o intuito de substituir o fogão à lenha, causador de danos à saúde de seus usuários e ao meio ambiente.
2.2 Combustíveis
2.2.1 Propriedades básicas
Segundo a norma NBR-13723-1 (2003), poder calorífico é a quantidade de calor produzida ao ocorrer combustão completa de uma unidade de volume ou massa de gás, quando os gases constituintes da mistura de combustão, assim como os produtos da reação estão a 25°C e 101.33kPa.
Existem dois tipos de poder calorífico, o poder calorífico superior (PCS), valor calculado quando a água da combustão é considerada condensada e o poder calorífico inferior (PCI), no qual a água proveniente da combustão encontra-se no estado de vapor. O poder calorífico é medido em MJ/m³ (volume) ou MJ/kg (massa) no sistema internacional (SI).
Razão estequiométrica ar/combustível é a quantidade de ar necessária para que a reação de oxidação do combustível ocorra de forma completa, ou seja, o ar seja suficiente para oxidar todo o combustível. Quando há mais ar do que o estequiométrico, a mistura é chamada de pobre, enquanto que quando há menos ar do que o estequiométrico, a mistura é chamada de rica. (Turns, 1996)
O limite de flamabilidade no ar pode ser definido como a quantidade de combustível (em sua forma gasosa) que misturado ao ar é capaz de reagir, a partir de uma fonte de ignição. São de dois tipos, o limite superior e inferior que são, respectivamente, a máxima e a mínima concentração do combustível que reage quando entra em contado com o ar. Fora desses limites, não há combustão. Segundo Perry (1941), certas misturas que estão próximas a esses limites, quando sujeitas a uma fonte de ignição fraca, não reagem com o ar.
Flash point é a temperatura em que uma mistura de ar e combustível pode entrar em combustão se lhe for fornecida energia a partir de uma chama piloto, porém essa combustão não pode se autossustentar. (Kanury, 1977)
temperatura na qual a quantidade de calor perdida para o ambiente é menor do que a taxa de calor que entra no sistema através da reação de oxidação é chamada de temperatura de ignição. O termo indica a temperatura na qual a combustão rápida ocorre. A autoignição do sistema ocorre quando esse é sujeito a uma temperatura acima da temperatura de ignição, ou seja, quando o combustível pode iniciar a reação com o comburente, sem que haja uma fonte de calor.(Perry, 1941)
Segundo Turns (1996) calor latente de vaporização (entalpia de vaporização) é o calor necessário para que haja vaporização completa de uma unidade de massa do líquido a uma determinada temperatura, durante um processo em que a pressão se mantenha constante.
Para o propósito do estudo de um queimador, é importante entender o conceito de velocidade de chama, ou seja, “a velocidade, em relação à frente de chama, à qual os reagentes se deslocam na direção perpendicular à frente de chama”. (Coelho, 2012)
Em um combustível líquido, é necessária a vaporização do combustível ou a sua atomização, antes que esse possa reagir com o ar. Portanto, a chama ocorre sempre na interface entre a superfície do líquido e o ar, ou seja, onde a camada de gás de combustível se mistura com o ar.(Coelho, 2012)
2.2.2 GLP
O gás liquefeito de petróleo (GLP) é constituído principalmente por propano e butano, podendo conter outros compostos, em menor quantidade, tais como etano, metano, propeno, pentanos, entre outros. O GLP é produzido a partir do processamento de petróleo. À pressão atmosférica, torna-se líquido à temperatura de -42°C, porém pode permanecer em estado líquido mesmo em temperatura ambiente, se for sujeito a uma pressão de aproximadamente oito atmosferas.
Nas condições de baixa temperatura ou alta pressão, quando está em estado liquefeito, é facilmente armazenado e transportado. Devido à forma como é armazenado e às suas propriedades, o GLP tende a vaporizar rapidamente quando é liberado de seu reservatório, misturando-se com o ar, podendo causar explosões, caso ocorra uma fagulha simultaneamente ao vazamento. (Ann. Rev. Energy. 1980. 5:89-105)
A queima do gás liquefeito de petróleo pode resultar em CO2, CO, materiais particulados,
O transporte do GLP das refinarias para o consumidor é realizado através de tanques especiais ou cilindros, nos quais o combustível é pressurizado. Quando a demanda é muito grande, como para indústrias, o GLP é entregue a granel e descarregado sob pressão nas próprias instalações em recipientes de armazenamento, a partir dos quais o líquido é vaporizado posteriormente e direcionado para os pontos de utilização. (William, 1963)
Para residências ou indústrias de baixo consumo de GLP, o produto é distribuído em cilindros de aço compostos por um regulador para a saída do gás e com capacidade de 10 a 120 lb. Para envasar o gás liquefeito de petróleo nesses recipientes o ar é retirado para prevenir explosão devido à mistura de combustível com ar enquanto este está armazenado e ainda evitar que o ar entre no tanque durante o uso. Outra precaução tomada consiste em não preencher o cilindro completamente com gás, deixando espaço para que ocorra a expansão do líquido devido ao aumento da temperatura.
Os cilindros devem ser projetados e construídos de forma adequada, seguindo normas. Na Inglaterra a quantidade de combustível a ser colocada nos tanques é especificada na norma BS 1736: 1951 (FillingRatios for Liquefiable Gases).(William, 1963)
A norma BS 1736:1951 foi substituída pela BS 5355: 1976 (Specifications for filling ratios and developed pressures for liquefiable and permanent gases) e posteriormente por BS: EN 13099: 2003 e BS EN 13096: 2003. (BSI, 2012)
Tabela 1: Propriedades de alguns gases do GLP
Propriedades Metano Etano Propeno Butanos Butenos Propano Pentanos
Fórmula Química CH4 C2H6 C3H6 C4H10 C4H8 C3H8 C5H12 Densidade a 20°C (kg/m³) 300 370 514 579 595 500 626 Relação Estequiométrica 9,53 16,66 21,42 30,94 28,56 23,80 38,08 Ponto de Ebulição (°C) -164,0 -88,6 -47,4 -0,5 -63,0 -42,1 36,1 Calor latente de Vaporização (kJ/kg) 509 488 437 386 391 425 358 Temperatura de autoignição (°C) 580 515 - 420 - 480 - PCI (MJ/kg) 50,016 47,161 45,784 45,742 45,319 46,357 45,355 Fonte Coelho, Costa (2012).
especificações de materiais e métodos de construção descritos na norma BS 401: 1931 devem ser seguidas. (William, 1963) A norma BS 401: 1931 (Steel cylinders for the storage and transport of ‘liquefiable’ gases) foi substituída pela norma BS 401: 2000, de mesmo nome.(Carnegie Library of Pittsburgh, 2012)
O GLP pode ser utilizado como combustível para o cozimento de alimentos, para aquecimento de residências, com fins industriais, entre outros usos. No Brasil o GLP é amplamente utilizado para cocção.
A Tabela 1 traz informações sobre as propriedades do GLP relevantes a esse estudo:
2.2.3 Etanol
Os combustíveis fósseis utilizados atualmente nos fogões domésticos não podem ser considerados, a longo prazo, sustentáveis. O etanol é uma das opções limpas para substituir esses combustíveis, por ser derivado de fontes renováveis.
“A produção e o uso do etanol no Brasil é o melhor exemplo da introdução da energia renovável em larga escala de produção.” (Macedo, 2007)
O etanol é um combustível “líquido, seguro, inofensivo, não poluente, renovável, relativamente barato, facilmente transportável e possível, no caso do Brasil, de ser produzido em grande escala”. (Penido Filho, 1980).
O etanol tem um papel importante na questão ambiental, pois a cana-de-açúcar é uma planta bem adaptada, de forma a auxiliar a diminuição da erosão do solo, e de grande poder fotossintetizante, o que resulta em uma absorção de CO2 maior do que a quantidade desse
componente reiterada ao meio ambiente devido ao seu produto final. A produção do etanol envolve autogeração de energia, ou seja, os resíduos são utilizados como fonte de energia elétrica para sua produção ou como nutrientes para o solo. (Fernandes, Coelho, 1996)
São várias as opções de biomassa que podem ser utilizadas para a produção de etanol, dentre elas estão as de matéria-prima de estrutura açucarada, como a cana-de-açúcar e o sorgo sacarino, as de estrutura amilácea ou feculenta, como a batata, a batata-doce, a mandioca, o milho, o grão de sorgo e o babaçu e ainda as de estrutura celulósica como a madeira. Dentre todas essas biomassas, a produção do etanol de cana-de-açúcar é a mais atrativa devido às facilidades impostas no processo, como a fermentabilidade direta do caldo. Outros fatores como a utilização do bagaço como combustível no processo e ainda a alta tecnologia utilizada na cultura da cana
também corroboram a supremacia do etanol de cana-de-açúcar. (IBP, 1987)
A produção de etanol de cana pode ser realizada de duas maneiras distintas, sendo uma através da fermentação do melaço resultante da produção de açúcar, onde o etanol é denominado residual, e a outra através da fermentação do caldo de cana, obtendo-se o etanol direto. (IBP,1987)
Segundo Penido Filho (1980), no Brasil encontra-se a maior área de insolação anual, estando essa situada entre o norte do estado de São Paulo e o Oceano Atlântico, no Nordeste, passando pelo planalto central ou ainda na Bacia Amazônica, tendo como consequência altos índices de fotossíntese. Desta forma, o país tornou-se o principal produtor de etanol, por possui todos os pré-requisitos necessários, ou seja, disponibilidade de solo, água, luminosidade solar, mão-de-obra disponível e barata.
Segundo Macedo (2007), o aumento da produção de cana-de-açúcar pode ser resumida nas fases seguintes: i) aumento rápido da produção, que depende de políticas de incentivo, ii) crescimento da eficiência e iii) redução de custos, com a utilização de novas técnicas.
Com isso, espera-se a curto prazo gerar desenvolvimento de novas variedades de cana, através da aplicação de novas técnicas e novos processos de produção do etanol; a médio prazo desenvolver novos co-produtos da sacarose, do bagaço e da cana e a longo prazo obter uma variedade de cana-de-açúcar mais produtiva e resistente.
Segundo o Plano Decenal de Expansão da Energia 2008-2017, as estimativas de consumo de etanol hidratado e anidro de 2010 a 2017 são de crescimento de 27,1 bilhões de litros para 53,2 bilhões de litros. No ano de 2007 exportou-se cerca de seis vezes mais etanol do que em 2001 e 2003, principalmente para os EUA e UE. A cultura de cana-de-açúcar no Brasil ocupa cerca de 2% da terra arável do país, portanto não haverá limitações de áreas agriculturáveis ao plantio de cana-de-açúcar.
Segundo a projeção da EPE (Empresa de Pesquisas Energéticas), em 2017 a demanda total por etanol será de 63,9 bilhões de litros. Para que isso seja viável, será necessária a expansão no setor industrial, o que foi planejado para ser realizado a curto e médio prazo. A curto prazo, levou-se em consideração as informações sobre projetos de novas usinas já anunciadas em fase de implementação ou estudo. A médio prazo calculou-se a quantidade de usinas necessárias para atender a demanda anual de etanol, projetada pela EPE.(Plano Decenal de Expansão da Energia 2008-2017, volume 2)
Segundo o Plano Nacional de Energia 2030, a produção de etanol deve aumentar em torno de 6,0% ao ano no período de 2010-2015, sendo que haverá uma diminuição no ritmo de produção entre 2020-2025 e 2025-2030, nos quais o aumento deverá ser, respectivamente, de 2,1% e 1,6%.
As primeiras experiências realizadas no mundo utilizando-se o álcool como combustível de automóveis ocorreram em 1894 na Alemanha e a primeira corrida com carros movidos a álcool ocorreu em 1899. Pesquisas sobre o álcool como forma de energia foram realizadas na Inglaterra a partir de 1925. Em diversos países foram utilizadas diferentes matérias-primas para a obtenção do álcool durante a Segunda Guerra Mundial. No Brasil, o álcool foi testado em motores apenas em 1919. No início da década de 20, os carros eram abastecidos com etanol puro, enquanto que no final dessa mesma década, em Pernambuco, era utilizada uma mistura de etanol e éter, a “azulina”. Em 1931, os importadores de gasolina foram obrigados a adicionar, no mínimo, 5% de álcool a seu combustível, proporção essa que foi modificada para 30% na época de Getúlio Vargas (Penido Filho, 1980).
No Brasil, a indústria de produção de etanol passou por avanços tecnológicos significativos na década de 70, colocando o país na posição de liderança mundial (Macedo, 2007).Com o fim da crise do petróleo, as experiências com álcool foram abandonadas e a produção do combustível teve grande queda. Nos últimos anos o álcool brasileiro tem sido financiado pelo setor privado, ao contrário das décadas de 70 e 80, nas quais o governo subsidiou o álcool, apenas devido à alta dos preços no petróleo. Têm-se observado, nas últimas décadas, um aumento nas pesquisas e investimentos no setor, além do crescimento na importação. Só em 2004, foram obtidos mais de seis bilhões de dólares em lucros com a produção do etanol. (Salomão A., Onaga M., 2006).
Nas décadas de 80 e 90, foram desenvolvidas novas variedades de cana-de-açúcar, assim como a vinhaça da cana passou a ser utilizada como fertilizante, de forma a ser feito o controle biológico durante o crescimento da cana-de-açúcar. (Macedo, 2007)
O etanol é produzido a partir da “fermentação de sucos ricos em sacarose com posterior destilação” (Bizzo, De Calan, 2004) e é um combustível adequado ao uso em fogões, por ser um “composto orgânico em que metade dos átomos de carbono estão associados a, pelo menos, um átomo de oxigênio” (Dometic, Frauenfeld, 2004). Composição essa que evita a formação de outros compostos, além de dióxido de carbono e água, como produtos de combustão.
92,6° INPM, combustível tal que pode ser encontrado em supermercados.
A Tabela 2 traz informações relevantes sobre as propriedades do etanol, utilizadas nesse estudo:
Tabela 2: Propriedades Etanol
Propriedades Etanol Hidratado 95% em volume
Fórmula Química C2H5OH + 19 H2O
Densidade a 20ºC 0,81
Densidade de vapor saturado (kg/m³) 1,44
Relação Estequiométrica 8,3/1
Ponto de Ebulição (ºC) 78
Calor Latente de Vaporização (kJ/kg) 1143
Temperatura de autoignição 580
PCI (kJ/kg) 24920
Flash Point (ºC) 14
Fontes Michelena, Martin (2002), Incropera (2008, Tabela A.5) e IBP (1987).
2.3 Logística de Combustíveis
O etanol é escoado no Brasil por um sistema integrado de rodovias, ferrovias, dutos e terminais. Segundo IBP (1987), o etanol pode ser transportado em navios e ser utilizado os mesmos equipamentos e instalações utilizadas para o transporte de derivados claros de petróleo sem que haja a necessidade de modificações, apenas a pintura interna deve ser observada se é compatível com o etanol. Para o etanol anidro são necessárias outras precauções para que água ou sujeira não seja misturada ao produto de forma a tirá-lo da especificação. O transporte de etanol realizado através de dutos pode utilizar aqueles que servem de transporte de gasolina, porém é necessário drenar o sistema, preenchido por gasolina, exatamente antes do transporte do etanol, evitando contaminação do produto por água.
Os locais de armazenamento de etanol estão sujeitos a incêndios ou explosões se a taxa de mistura de ar e combustível nesses locais estiver na faixa de explosividade, ou seja, entre 3,3 (limite inferior) e 19 (limite superior). Fora dessa faixa não há riscos. (IBP, 1987)
Segundo o Plano Decenal de Expansão de Energia de 2008-2017, até o final de 2010 era previsto o investimento de R$890,00 milhões em dutovias para o escoamento do etanol, sendo
prevista a construção de 1171 km de dutos entre as regiões Centro-Oeste e Sudeste e ainda foi proposta a criação de uma infra-estrutura de dutos e terminais aquaviários pela Transpetro para a exportação do etanol, dessa forma a Petrobrás investiria no “Programa Etanol” em três áreas abrangentes às regiões Sudeste e Centro-Oeste, com o Programa Corredor de Expansão de Etanol, à região Sul com o Projeto Exportação e à região Nordeste também com o Projeto Exportação. Outros projetos de investimento no país nesse setor que são o Projeto Brenco (Companhia Brasileira de Energia Renovável) e o Projeto Uniduto.
O Projeto Brenco previu a construção de um poliduto de 1120 km com a capacidade de exportação de 4,25 milhões de m³/ano e distribuição interna de dois milhões de m³/ano, contando ainda com oito terminais, os quais teriam capacidade para o armazenamento de 460 milhões de litros de etanol. Segundo o Plano Decenal de Expansão de Energia 2008-2017, v. 2, o projeto deveria ser concluído em 2011.
A UNIDUTO Logística foi formada pela Cosan, Crystalsev e Copersucar em maio de 2008 com a finalidade de construir um alcoolduto para exportação de etanol. O projeto pretendia ligar, por via de dutos, o terminal portuário de São Paulo a Paulínia. (Plano Decenal de Expansão de Energia 2008-2017, v.2)
Na data de 25 de junho de 2013 foi realizada a primeira transferência de etanol por meio de dutos operados pela Transpetro entre o Terminal Terrestre de Ribeirão Preto e a Refinaria de Paulínia (Replan). (Agência Petrobrás, 2013)
2.4 Emissões
Segundo Silva (2008) na análise do ciclo de vida do etanol pode-se observar as emissões nos seguintes passos do processo de fabricação: produção e transporte da matéria-prima, produção, distribuição e armazenamento do combustível e ainda as emissões devido ao uso final do combustível. O objetivo dessas análises é fazer balanços energéticos e de emissões de gases de efeito estufa, sendo que essas emissões são estimativas em cada um dos passos acima citados.
O etanol brasileiro, por ser produzido a partir da cana-de-açúcar, exige menos fertilizante que os outros tipos de etanol, e a produção de calor e energia utilizados em sua fabricação são provenientes da queima do bagaço da cana. Apesar de o transporte da matéria-prima ser feito com o uso de caminhões movidos a diesel, ainda resulta em maiores reduções de emissões de gases de efeito estufa em relação aos combustíveis derivados do petróleo.
Das estratégias utilizadas pelos países em desenvolvimento para a redução de emissões, a substituição dos combustíveis utilizados, por outros alternativos de origem renovável é a que tem o resultado mais imediato. O etanol é um combustível de “origem renovável, com baixo teor de carbono, concentração praticamente nula de enxofre, baixa toxidez e potencial reduzido para geração de poluentes.” (IEL/NC, 2008)
A preparação para a colheita da cana-de-açúcar feita com o método da queimada propicia a emissão de CO2, CH4, CO, NOx e material particulado, porém, para a extinção dessa prática, são
necessários avanços tecnológicos e a mecanização da colheita. Esse método está sendo extinto gradativamente. No estado de São Paulo a queimada da cana para a colheita vem diminuindo, pois entre os anos de 2007 e 2008 o índice de mecanização da colheita chegou a 46% da área plantada. Na safra 2014/ 2015 a mecanização no estado de São Paulo atingiu 100%.
Para melhorar a produção da lavoura de cana-de-açúcar utiliza-se a prática da irrigação, que com a recirculação da água, pode reduzir drasticamente o consumo desse bem.Com o uso do bagaço de cana para a produção de energia térmica, mecânica e elétrica necessárias na produção, as usinas sulcroalcooeiras tornam-se autossustentáveis.
Outros pontos que devem ser levados em consideração quando se tratando de poluição ambiental são os resíduos da produção do etanol, tais como a vinhaça, as águas residuais, gases, particulados e a torta de filtro. A vinhaça não pode ser despejada em corpos hídricos, porém, está sendo aplicada no cultivo da cana sob a forma de fertilizante, diminuindo a necessidade do uso de fertilizantes minerais e água e evitando a contaminação dos rios. O mesmo é feito com a torta de filtro, assim como as águas residuais que já passam por um processo simples de tratamento (Plano Decenal de Expansão de Energia 2008-2017, v.2).
2.5 Queimadores
Queimadores são “componentes que permitem a queima do gás” (ABNT, 2003). Ou seja, o queimador é o equipamento que permite que a combustão ocorra, por proporcionar o contato do combustível com o ar, por um tempo e uma temperatura adequados. Os tipos de queimadores variam de acordo com o combustível a ser utilizado, que pode estar no estado sólido, liquido ou gasoso, embora a combustão aconteça sempre na fase gasosa; e com a forma como este é misturado com o ar. (Priestley, 1973) Podendo ser classificados, ainda, pela sua potência nominal (Pn), em relação ao poder calorífico superior (PCS). Quando os queimadores possuem potência nominal entre 0,23 kW e 1,16 kW, são chamados de auxiliares, se a Pn estiver entre 1,16 kW e
2,30 kW são chamados semirrápidos e são rápidos se a potência nominal estiver entre 2,30 kW e 3,50 kW e ainda podem ser classificados em ultrarrápidos, se a Pn for superior a 3,50 kW. (ABNT, 2003)
Os queimadores utilizados em fogões domésticos podem ser de dois tipos, não aerados(ou de difusão), nos quais o ar entra em contato com o combustível apenas na saída do queimador, ou aerados (de pré-mistura), no qual uma parte do ar é misturada ao combustível dentro do queimador e outra parte é adicionada na saída deste. Os queimadores de pré-mistura, consistem em um injetor, um tubo de mistura e um espalhador. Podem ser divididos em dois conjuntos, os queimadores cobertos e os queimadores descobertos. (ABNT, 2003)
São chamados cobertos quando o recipiente a ser aquecido não entra em contado direto com a chama, por estar repousando sobre uma placa e podem ser classificados em permanentes, quando a placa só pode operar em uma posição ou temporários quando a placa pode ser removida, de forma a transformar o queimador em descoberto. (ABNT, 2003)
Os queimadores descobertos são aqueles em que a chama entra em contado direto com o recipiente a ser aquecido. (ABNT, 2003)
Os queimadores aerados seguem o mesmo princípio que o bico de Bunsen (Figura 4), no qual parte do ar relativo à combustão se mistura por variação de pressão ao combustível quando esse é injetado. Essa mistura precisa ter velocidade maior do que a velocidade de chama, para que não haja retorno de chama durante a combustão e, por outro lado, essa não pode ser muito maior que a velocidade de chama, pois, dessa forma, seria observado o “descolamento” da chama. Controlando-se a quantidade de ar primário obtêm-se desde uma chama longa e luminosa (como a obtida nos queimadores não aerados) até uma chama curta e pouco luminosa. (Francis, 1965)
Nos queimadores não aerados não há fornecimento de ar primário e todo ar utilizado na combustão é adquirido das proximidades da chama (Francis, 1965), por essa razão nos queimadores por difusão a reação química ocorre em uma pequena camada entre o combustível e o oxidante. A chama de difusão pode ser homogênea, quando o combustível utilizado está no estado gasoso, assim como o oxidante, ou heterogênea, na qual o combustível não se encontra no mesmo estado que o oxidante, como é o caso da oxidação de produtos líquidos e sólidos pelo ar atmosférico. (Kanury, 1977)
Figura 4: Bico de Bunsen.
Fonte: Francis, 1965
Os combustíveis líquidos e sólidos possuem, em geral, temperatura de vaporização menor do que a temperatura necessária para entrar em combustão. Dessa forma, a queima ocorre principalmente no estado gasoso. (Kanury, 1977)
Com isso, queimadores projetados para óleos ou combustíveis líquidos são, em geral, semelhantes aos apropriados à queima de gás, os combustíveis são, neste caso, vaporizados ou injetados através de um pulverizador que produza gotículas, as quais devem ser totalmente vaporizadas antes da zona de combustão. (Priestley, 1973)
2.6 Fogões a Álcool
Alguns modelos de fogões a álcool já existentes foram testados em países da África, como Malawi (Robinson, 2006), Etiópia, e Nigéria (Projeto Gaia, 2008), no Brasil (Projeto Gaia, 2008 – Couto, 2007) e na Índia (Rajvanshi, 2004).
Malawi foi um dos países escolhidos para o teste por ser um dos mais populosos do sul da África, onde por volta de 84% da população vive em áreas rurais e cuja principal fonte de energia é o carvão vegetal, utilizado tanto no setor agroindustrial, quanto no doméstico, causando grave desmatamento. O projeto visou substituir o carvão vegetal por etanol produzido no próprio país
(Robinson, 2006).
O fogão SuperBlu (Figura 5) pode ser aceso com o uso de um fósforo ou um acendedor piezoelétrico, quando colocada uma pequena quantidade de etanol em um reservatório pré-aquecido. O combustível, ao ser queimado, forma vácuo no tanque conforme retira o ar da queima, fazendo com que mais combustível seja sugado, por capilaridade, para o bocal (Robinson, 2006).
Figura 5: Fogão SuperBlu
Fonte: Robinson J. 2006.
O fogão Clean Cook (Figura 6), fabricado pela empresa suíça Domec AB, foi utilizado durante 30 anos na Europa e América do Norte e foi testado, pelo Projeto Gaia, na Etiópia, Nigéria e no Brasil, nas regiões rurais de Minas Gerais. O projeto teve como objetivo a difusão de uma “tecnologia alternativa, com um combustível limpo” (Couto, 2007), gerando menos resíduos prejudiciais à saúde, a partir do uso de uma fonte de energia renovável.
O fogão consiste em dois queimadores com tanques recarregáveis de combustível recobertos internamente por uma fibra mineral (Figura 7), que impede vazamentos, podendo conter, cada um deles, 1,2 litros de álcool, que são suficientes para 4,5 horas de cozimento (Projeto Gaia, 2008). No Brasil, foi testado entre 2005 e 2007 (Couto, 2007) e na Nigéria entre dezembro de 2003 e abril de 2004 (Projeto Gaia, 2008).
Nos testes realizados na Etiópia, desde 2004, constatou-se que “o fogão CleanCook, quando é abastecido com o etanol ou metanol, possui uma queima limpa, e sem fuligem, melhor
desempenho que o fogão a querosene, e mais atrativo se comparado ao fogão que utiliza gás GLP” (Projeto Gaia, 2008). Depois dos testes, durante os quais não houve ocorrência de acidentes, o fogão Clean Cook substituiu os combustíveis de fontes não renováveis, que eram utilizados anteriormente, com satisfação dos consumidores, mostrando-se ainda mais eficiente que outros fogões.
Figura 6: Fogão Clean Cook
Fonte: Couto R. 2007.
Figura 7: Tanque recarregável de combustível
Fonte: ECS – Marine Equipment
Na Índia, entre 2005 e 2006, foi testado o fogão a álcool NARI (Figura 8), que consiste em um fogão pressurizado, que utiliza álcool com baixa concentração de etanol (em torno de 45-60% da concentração etanol/água), composto por um tanque de combustível (com capacidade para 2,6 litros de combustível), uma válvula reguladora de pressão (para que a pressão no tanque seja
independente da intensidade da chama), um filtro, um controlador de chama e um queimador (Figura 9) (Rajvanshi, 2004).
Figura 8: Fogão a álcool NARI
Fonte: Rajvanshi A. K., 2004.
Figura 9: Esquema de funcionamento do fogão NARI
Fonte: Rajvanshi A. K., 2004.
A válvula reguladora da chama possibilita a mudança entre as vazões máxima (2,47kW) e mínima (0,9kW), de forma que o fogão NARI seja equivalente a um fogão a GLP e o queimador permite que a água do combustível seja evaporada, enquanto o álcool é queimado. A quantidade
de CO emitido como produto da combustão está dentro dos limites aceitáveis, sendo menores do que cinco partes por milhão (ECS-Marine Equipament, 2009).
2.7 Normas ABNT e Comentários
Esse capítulo apresenta as normas ABNT NBR13723-1 (2003) e NBR13723-2 (1999), nas versões digitalizadas, cedidas pela empresa MABE, com quem esse trabalho foi realizado em conjunto. Os ensaios foram adaptados para o uso do etanol.
A norma ABNT para aparelho doméstico de cocção a gás (NBR 13723-1, 2003) define quais características tal aparelho deve conter e como esse deve se “comportar”, além dos passos que devem ser seguidos durante os ensaios que visam avaliar a segurança do aparelho. Essa norma será aplicada ao objeto de estudo, pois se trata de um “fogão de mesa independente (em estudo)” (NBR 13723-1, 2003), apesar de estar sendo utilizado um combustível líquido, para o qual não há uma norma específica para ensaios.
A potência do queimador é definida pelo produto da vazão pelo poder calorífico e é medida em kW. (ABNT, 2003)
Segundo cálculos realizados no item 3.2.5, os queimadores estudados podem ser classificados como auxiliar, pois sua potência nominal está entre 0,23 kW e 1,16 kW.
As condições de ensaio dizem respeito à temperatura do ambiente em que o mesmo será realizado, o gás e as pressões de referência, aparadores para cada tipo de ensaio.
A norma também especifica o aparador necessário para a realização do ensaio de rendimento consiste em uma estrutura de madeira, pintada de preto fosco, composta de uma placa retangular traseira de 1800x780mm e duas placas laterais de dimensões 680x910mm, valores esses calculados de acordo com a mesa a ser testada.
São especificadas também as dimensões dos recipientes a serem utilizados, dependendo da potência do queimador a ser analisado e as quantidades de água a ser aquecida durante cada ensaio, assim como a metodologia para a realização do mesmo e os cálculos necessários, de acordo com o tipo de queimador.
Com relação á segurança, a norma pede ensaios quanto à resistência ao superaquecimento e escape de gás não queimado. Para a resistência ao superaquecimento o queimador deve ficar em funcionamento por 15 min, coberto por um recipiente de 220 mm de diâmetro, com 3,7 kg de
água em seu interior. Para o caso do queimador de mesa ainda deve ser mantido aceso por 1 h, sem a presença de recipientes. Para o ensaio de escape de gás é utilizado um fósforo para verificar se existe vazamento nas juntas e ainda um detector de gás nos locais onde o gás poderia se acumular. No caso do combustível líquido, o teste de segurança do escape do combustível seria visual, pois seria possível observar vazamento do líquido nas conexões ou seu acúmulo em alguma região do queimador. Não foram programados ensaios de segurança, porém o queimador esteve em funcionamento durante o período exigido para o ensaio à resistência ao superaquecimento e não foram observados vazamentos ou acúmulo de combustível no queimador durante o uso.
2.8 Metodologias de Projeto de Fogões
2.8.1 Motivação
Este trabalho foi realizado a pedido da empresa MABE, que solicitou o desenvolvimento de uma mesa com queimadores com alimentação contínua de etanol para fogões domésticos, para a substituição do GLP, utilizando-se dessa forma, um combustível renovável em vez de um derivado de petróleo.
As seguintes etapas de desenvolvimento do projeto foram seguidas:
1) Reunião com os engenheiros de desenvolvimento da MABE, onde foram determinadas algumas condições de contorno:
Baixo custo;
Condições de fabricação na linha de montagem da MABE; Inovação, com a possibilidade de patente;
Prazo estipulado;
Dimensões pré-estabelecidas.
2) Revisão bibliográfica e busca por projetos semelhantes, assim como patentes já existentes;
3) Desenvolvimento de quatro linhas de estudo 4) Avaliação e ensaios de cada linha de estudo 5) Escolha da linha de projeto
6) Anteprojeto e construção de protótipo preliminar 7) Ensaios do protótipo preliminar
8) Projeto térmico do queimador 9) Projeto construtivo
10) Ensaios e reengenharia 11) Projeto definitivo
12) Ensaio de rendimento segundo a norma com projeto definitivo
2.8.2 Linhas de Estudo
Este projeto teve inicialmente quatro linhas de estudo. São elas, injeção por pressurização, injeção eletrônica, injeção por gravidade e vaporização de filme de líquido, e o estudo de fogareiros comerciais a álcool.
A linha de injeção por pressurização constituía-se de um botijão modificado contendo etanol líquido e pressurizado com nitrogênio. O combustível pressurizado era injetado no queimador através do duto central, como no queimador original a GLP, utilizando-se um injetor convencional, porém com orifício de saída do combustível da ordem de 0,25 mm, ou ainda um injetor mecânico. Para essa linha de estudo utilizou-se o princípio do queimador com pré-mistura. Na segunda linha (injeção eletrônica) estudou-se o comportamento dos injetores eletrônicos utilizados em motores a combustão interna, buscando a injeção com menor quantidade de etanol em intervalos cada vez menores, de forma a obter uma mistura homogênea entre ar e combustível.
No estudo da linha de injeção por gravidade e vaporização por filme de líquido utilizou-se o princípio do queimador sem pré-mistura. Nessa linha o reservatório de combustível foi colocado a uma altura acima do queimador, de forma a escoar por gravidade e o queimador foi projetado de forma a obter um filme de líquido a ser vaporizado em seu interior.
A quarta linha de estudo foi baseada nos fogareiros comerciais já existentes no mercado e que utilizam o etanol como combustível. Foram feitos estudos de potência e algumas modificações, visando o objetivo do trabalho.
2.8.3 Ensaio das linhas de estudo
a)Injeção por Pressurização
P2 (que comporta 2 kg de GLP), através da inserção de tubo lateral com rosca para ligação de mangueira de alta pressão para pressurização e tubo pescador no interior.
Foram realizados testes visuais de injeção, utilizando-se injetores convencionais (semelhantes aos originais para o fogão à GLP) ou injetores mecânicos (utilizados originalmente em motores de combustão interna), variando-se o diâmetro dos orifícios de saída e a pressão aplicada pelo nitrogênio inserido no botijão.
O comportamento do jato proveniente do injetor foi observado visualmente, a fim de comprovar se tal diâmetro de orifício, combinado com a pressão imposta ao sistema, seria suficiente para que houvesse a vaporização do combustível.
b) Injeção Eletrônica
Ensaios de vazão com injetores de diferentes modelos utilizados em motores de combustão interna, com variação de tamanho de pulso e tensão aplicada, buscando a obtenção de uma mistura homogênea entre ar e combustível na injeção.
c) Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido
Testes visuais seguidos de dimensionamento do queimador para obtenção de chama estável e diminuição de fuligem.
Ajuste de altura do reservatório e ajuste do comprimento e diâmetro interno do tubo de injeção de combustível para obtenção da vazão ideal de combustível a ser injetado no queimador.
Ensaios para a escolha da configuração e comprimentos de tubo de alimentação do queimador.
Testes com queimador definitivo com medida de temperatura Ensaios segundo a norma, realizados na empresa MABE.
d) Estudo de Fogareiros Comerciais a Álcool
Ensaios de potência com a chama aberta ao ambiente e ensaios de potência com aquecimento de água.
Alimentação contínua de combustível e uso de válvula reguladora de vazão, assim como novos ensaios de potência.
2.8.4 Avaliação das Linhas de Estudo
Após a realização dos ensaios, algumas das linhas de estudo foram descartadas e o estudo posterior se concentrou no desenvolvimento da linha de alimentação por gravidade e vaporização por filme de líquido, levando-se em consideração os conhecimentos obtidos nos estudos realizados com os fogareiros comerciais.
A injeção eletrônica foi descartada devido ao encarecimento do produto final pela adição de controladores eletrônicos.
Na linha de injeção por pressurização foram observados alguns problemas de variação de pressão e dificuldades de pulverização do etanol e de dimensionamento do queimador para adequação ao injetor.
2.8.5 Projeto Preliminar
A partir da escolha de desenvolvimento da linha de injeção por gravidade e vaporização por filme de líquido foi realizada a primeira modificação (Figura 10) no queimador original (alimentado por GLP) cedido pela MABE, com alimentação através de um tubo capilar localizado em sua lateral e sem entrada de ar primário, a fim de formar um reservatório para o etanol líquido injetado. O protótipo preliminar utilizava a tampa original do queimador.
Figura 10: Protótipo Preliminar
Foram realizados testes visuais no protótipo, avaliando a qualidade da chama e regulando a vazão de combustível, através da altura do reservatório, para conciliar a quantidade de combustível injetado com a quantidade do mesmo vaporizado e consumido durante a combustão. Nesses testes observou-se uma dificuldade de acendimento e extinção da chama no queimador,
assim como formação de fuligem e chama com ponta amarela, devido à falta de ar na combustão.
2.8.6 Projeto Detalhado
A partir do estudo desenvolvido sobre os fogareiros comerciais existentes e algumas modificações de melhoramento de aeração, foi dado o próximo passo em direção ao queimador a etanol. Foi elaborado um projeto, no qual o queimador possui um “reservatório” interno, de forma a não vazar o combustível injetado, uma entrada de ar primário, porém não pré-misturado e um canal de acendimento (Figura 11).
Figura 11: Protótipo do queimador, sem a tampa
Após alguns testes realizados com tal queimador, percebeu-se uma dificuldade no acendimento, devido ao tempo entre a entrada de combustível no queimador e o “vazamento” do mesmo para o canal de acendimento. Para diminuir esse tempo, usinou-se o seu interior, de maneira que esse formasse um ângulo em relação ao plano da mesa, fazendo com que o etanol escoasse para a parede mais rapidamente, quebrando mais facilmente a tensão superficial do combustível, devido ao furo para escoamento, conforme esquema (Figura 12).
Figura 12: Esquema de escoamento de combustível para canal de acendimento
Na Figura 13 pode-se observar essa modificação no queimador.
Figura 13: Queimador final com fundo em ângulo
A entrada de alimentação, os furos utilizados para escoamento do etanol para o canal de acendimento e a entrada de ar não foram modificados nesse protótipo.
3 Projeto Térmico do Queimador a Álcool
3.1 Relação ar/combustívelIntrodução:
A combustão é um processo no qual o combustível é oxidado, liberando calor. Para que haja uma combustão completa é necessário que a quantidade de ar disponível para a mesma seja maior ou igual à quantidade estequiométrica.
Todo o equacionamento foi feito para regime permanente.
Equações:
Para o cálculo da relação ar combustível, tomemos por combustível um hidrocarboneto dado por CxHy. A relação estequiométrica é dada por:
O2 3,76N2
xCO2
y 2 H2O 3,76aN2a H
Cx y (1)
Para que todo combustível seja oxidado é preciso que o valor de a seja: 2
y x
a
E a relação ar/combustível estequiométrica, para esse combustível é dada por:
comb ar comb ar M M a m m 1 76 , 4 (2)
Onde mar é a massa de ar, mcomb é a massa de combustível e Mar e Mcomb são as massas
molares do ar e do combustível, respectivamente. (Turns, 2000).
Como o etanol utilizado nas medidas tem teor 92,8 INPM, em 100 kg de etanol tem-se:
mol O H mol mol kg kg OH H C 4 , 0 18 2 , 7 01 , 2 / 46 8 , 92 2 5 2
Assim, a equação da reação de combustão para 50 kg de combustível será:
2 2
2 2 2 2 5 2H
OH
0
,
2
H
O
a
O
3
,
76
N
2
CO
3
,
2
H
O
3
,
76
aN
C
,(3) onde:10,22a43,2a3Portanto, a equação balanceada será dada por:
2 2
2 2 2 2 5 2H
OH
0
,
2
H
O
3
O
3
,
76
N
2
CO
3
,
2
H
O
11
,
28
N
C
A razão estequiométrica ar/combustível para o etanol é:
1 23 , 8 50 14 2 76 , 3 3 16 2 3 m C A Propriedades:
A massa molecular pode ser calculada somando-se a massa atômica de cada componente, multiplicada pela quantidade de componente.
Dados:
Moxigênio= 16, Mhidrogênio= 1, Mcarbono= 12, Mnitrogênio= 14
Metanol = (2 x 12) + (6 x 1) + (1 x 16) => Metanol = 46
3.2 Cálculo da potência do queimador
Introdução:
Potência é a quantidade de energia liberada em um processo, por unidade de tempo. A potência nominal (PotN) para o queimador a etanol é calculada a partir da vazão mássica de
combustível (m ) utilizada durante os testes e do poder calorífico superior do etanol (PCS). Os testes foram realizados com a chama estável. Os cálculos serão realizados simultaneamente para os dois queimadores desenvolvidos, portanto serão usados os índices (1) para designar os queimadores alimentados por tubo capilar e (2) para os alimentados por tubo de ¼”.
Equações:
PCS
m
Pot
N
(3) Propriedades: PCS = 25 MJ/kg (Penido Filho, 1983)Dados:
Vazão medida (Figura 50 e Figura 51)
1 m = 2,29g/min = 3,81105kg /s 2 m = 2,81g/min = 4,68 x 10-5 kg/s Resultados: Segundo a equação (3) kW kg MJ s kg x PotN 3,81 10 / 25 / 0,954 5 1 kW kg MJ s kg x PotN2 4,68 105 / 25 / 1,171 3.3 Balanço de Energia Introdução:
A energia liberada pela combustão do etanol é distribuída entre o aquecimento do queimador, a vaporização do etanol e parte é perdida para o ambiente pela troca de calor principalmente por convecção e radiação. A quantidade de calor necessária para o aquecimento do queimador depende do material utilizado e de sua massa. As perdas por troca de calor podem ser calculadas sabendo-se a temperatura e a geometria do queimador.
Equações:
Durante o aquecimento do queimador, podemos dizer que a potência nominal do mesmo é sempre superior à taxa de aquecimento (qaquec) que é dada pela equação 8, em regime permanente,
onde qqueim é o calor transmitido ao queimador, qconv+rad é o calor perdido por troca de calor com o
ambiente por convecção e radiação e qvap é a quantidade de calor fornecida ao combustível para
que esse passe do estado líquido para o gasoso.
aquec
N q
Pot
(4)
queim conv rad vap
aquec q q q
q (5)
amb
c
conv h AT T
q sup , (6) onde A é a área da superfície considerada, hc é a constante de troca de calor por convecção, Tsup é
a temperatura da superfície e Tamb é a temperatura ambiente.
A constante de troca de calor por convecção (hc) pode ser calculada a partir do número de
Nusselt, através da equação (10):
L k Nu = h k L h Nu L c c L , (7)
onde L é o comprimento característico e k é a condutividade térmica doqueimador.
a) Para a lateral do queimador:
Foi considerada a lateral do queimador como uma placa plana vertical, por ser um cilindro com altura muito menor que o perímetro e se tratando de convecção natural (Kreith, 1991) cujo comprimento é igual ao perímetro da tampa, tem-se:
O número de Nusselt é calculado a partir dos números de Rayleigh e Prandtl, segundo a equação (11):
2 27 8 16 9 6 1 Pr 492 , 0 1 387 , 0 825 , 0 L L Ra Nu (8)
3 sup ) (T T L g RaL amb , (9) onde f T 1 (10)
2 sup amb f T T T (11) b) Para a tampa do queimador:Considerando a tampa do queimador como uma placa plana horizontal, o número de Nusselt é dado por: ) 10 10 ( 54 , 0 14 4 7 L L L Ra Ra Nu (12)
