02 diesel gas doc

7/24/2019 02 Diesel Gas Doc

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Cesar Gonzalo Vera Vasquez

Reduo das Emisses em Geradores Diesel-gs

Dissertao de Mestrado


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i d d i i


Reduo de Emisses em Geradores Diesel-gs

Dissertao apresentada como parte dos requisitos paraobteno do ttulo de Mestre pelo Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Mecnica da PUC Rio.Aprovada pela Comisso Examinadora abaixo assinada.

Prof. Sergio Leal BragaOrientador

d h i i C i


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Todos os direitos reservados. proibida a reproduototal ou parcial do trabalho sem autorizao da

universidade, do autor e dos orientadores.


Formado em Engenharia Mecnica pela Universidad

Nacional de San Agustn. Arequipa- Per, em Dezembro do

2005. Todo o ano 2006 atou como engenheiro em projetos

de manuteno e planejamento em diversas empresas

peruanas.

Ficha Catalogrfica

Vera, Cesar Gonzalo

Reduo das emisses em geradores diesel-gs /

C G l O i d S i


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Agradecimentos

Aos Professores Sergio Leal Braga e Ricardo Hernandez Pereira, pela confiana

pacincia e apoio.

Aos meus familiares, em especial ao Arquiteto Alvaro Pilares Vera e a Licenciada

Consuelo Vera Ramos pelo estmulo e ajuda na minha viagem ao Brasil.

Ao Departamento de Engenharia Mecnica da PUC-Rio, professores e funcionrios.

Ao ITUC (Instituto Tecnolgico da PUC-Rio), aos funcionrios administrativos e

funcionrios das oficinas mecnicas pela ajuda subministrada.

Aos colegas Julio Cuisano Egsquiza, Juan Miln Guzmn, Miguel Mozo Leon,

Anthony Roque Ccacya, Jos Aguilar Franco, Fernando Ferrari, Andrea Carvalho e

Filipe Alves pela parceria e amizade.


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Sumario

Lista de figuras

Lista de tabelas e nomenclatura

1. Introduo

1.1. Poluentes Atmosfricos

1.2. Principais Poluentes Atmosfricos

1.3. Objetivos

1.4. Descrio da Tese

2. Reviso Bibliogrfica

2.1. Combusto Diesel-Gs

2.2. Definies de Potncias em Geradores

2.2.1. Potncia Efetiva Contnua no Limitada

2.2.2. Potncia Efetiva Contnua Limitada

b f i


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3.12. Dissipador de Carga Eltrica

3.13. Sistema de Compresso de Gs Natural

4. Metodologia e desenvolvimento dos ensaios

4.1. Modo Diesel Puro

4.2. Modo DieselGs

4.3. Dieselgs com restrio de ar4.4. Reduo de Dados

4.4.1. Potncia eltrica Observada ( elP )

4.4.2. Vazo Mssica de ar ( arm

):

4.4.3. Vazo Mssica de Gs Natural ( gm

)

4.4.4. Consumo especifico de combustvel (cec)

4.4.5. Rendimento Trmico ( t )

4.4.5. Eficincia Volumtrica ( V )

4.4.6. Razo Ar-Combustvel (AC)

d i l i l ( TRE )


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Lista de figuras

Figura1: Emisses por tipo de fonte na regio metropolitana de Rio de Janeiro.

Figura 2:: Fontes de Emisso e Efeitos na saude dos poluentes monitorados pelo

FEEMA.

Figura 3: Esquema da instalao e montagem dos equipamentos de ensaio.

Figura 4: Grupo gerador Perkins 1006 TAG modelo P135.

Figura 5: Governador eletrnico da Bomba de alta Presso de combustvel..

Figura 6: Voltmetro e Ampermetro usados em conjunto na medio da carga

eltrica.

Figura 7: Medidor de vazo de leo Diesel.

Figura 8: Tambor para a medio de vazo de ar na entrada do coletor de

admisso.

Figura 9: Bico injetor.

Figura 10: Placa eletrnica de controle.


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Figura 22: Rendimento Trmico com variaes de carga e restrio de ar em

funo da Taxa de SubstituioFigura 23: Eficincia Volumtrica com variaes de carga e restrio de ar em

funo da Taxa de Substituio .

Figura 24: Temperatura de Escape com de 60% e 100% de carga, com restrio de

ar em funo da Taxa de Substituio.

Figura 25: Temperatura de Escape com variaes de carga e restrio de ar emfuno da Taxa de Substituio.

Figura 26: Emisses Especficas de Monxido de Nitrognio com variaes de

carga e restrio de ar em funo da Taxa de Substituio.

Figura 27: Emisses Especficas de Monxido de Carbono de 60% e 100% de

carga, com restrio de ar em funo da Taxa de Substituio.Figura 28: Emisses Especficas de Monxido de Carbono com variaes de

carga e restrio de ar em funo da Taxa de Substituio.

Figura29: Emisses Especficas de Hidrocarbonetos no queimados de 60% e

100% de carga, com restrio de ar em funo da Taxa de Substituio.


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Tabela 3: Dados Tcnicos do Grupo gerador

Tabela 4: Dados tcnicos dos transdutores de presso.

Lista de Smbolos

A: Amperagem medida na linha do trifsico.

(A/C): Razo ar combustvel.

(A/Cg)e: Razo ar-gs estequiomtrica.

(A/CD)e: Razo diesel-gs estequiomtrica

C: Carbono.

cec: Consumo especifico de combustvel .

CO: Monxido de carbono.

CO2: Dixido de carbono.

CH4: Metano.


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m : Vazo de mssica (kg/h).

N: Velocidade angular (RPM).N2:Nitrognio.

NO: Monxido de nitrognio.

NO2: Dixido de nitrognio.

NOx: xidos de nitrognio.

O2: Oxignio .P: Potncia ao eixo(kW)

Pel: Potncia eltrica.(kW).

Par: Presso baromtrica (kPa)

PCI: Poder calorfico inferior.

Psat= Presso de saturao da gua em temperatura ambiente (kPa).ppm: Partes por milho

TRE : Razo estequiomtrica total.

Rar: Constante do ar (kJ/kg.K).

Rg:Constante do gs natural (kJ/kg.K).


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esc_u: Relativo vazo do gs de escape em base mida.

g: Relativo vazo de gs. ar:: Massa especfica do ar (kg/m

3).

g: Massa especfica do gs (kg/m3).

P ar: Diferencial de presso no tambor de ar (kPa).

P g: Diferencial de presso no tambor de gs (kPa).

S: Relativo concentrao especfica de emisses.

t_D: Rendimento trmico emoperao diesel puro.

t_dual: Rendimento trmico em operao diesel-gs.

V: Eficincia volumtrica.

G: Eficincia do grupo gerador.


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Introduo

Nos ltimos anos, o crescimento econmico dos pases desenvolvidos provocou

o aumento da demanda mundial por energia. Com esta tambm veio uma forte elevao

da dependncia de petrleo e gs natural em escala mundial. Segundo dados divulgadospela Agncia Internacional de Energia (AIE 2008), entre 2002 e 2025 o consumo de

energia eltrica no dever crescer em mdia 2,6% ao ano.

Atualmente cerca de 100 milhes de litros de leo diesel so consumidos

diariamente no Brasil, especialmente no transporte rodovirio interurbano, responsvel

por um consumo de 78,1 milhes de litros dirios. Em seguida, aparece o transportecoletivo urbano, que demanda 12 milhes de litros por dia. Alm desses, destaca-se a

utilizao de diesel nos setores de transportes fluviais e ferrovirios, bem como na

gerao termeltrica. Tais nmeros demonstram o potencial uso do gs natural em

substituio (total ou parcial) do derivado de petrleo, o que permitiria uma reduo da


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Podemos classificar os poluentes de acordo com sua origem em duas categorias:

Primrios: Aqueles emitidos diretamente pelas fontes de emisso.

Secundrios: So aqueles formados na atmosfera como produtos de reaes

qumicas secundarias.

Um poluente que est presente na atmosfera reage com algum outro material, quepode ser um componente natural da atmosfera ou outro poluente. A reao pode ser

fotoqumica ou no.

A determinao da qualidade do ar est restrita a um grupo de poluentes, quer por

sua maior freqncia de ocorrncia, quer pelos efeitos adversos que causam ao meioambiente. So eles: dixido de enxofre (SO2), partculas total em suspenso (PTS),

partculas inalveis (PI), monxido de carbono (CO), oxidantes fotoqumicos expressos

como oznio (O3), hidrocarbonetos totais (HC) e xidos de nitrognio (NOX).


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tempo faz com que o SO2 e seus derivados (aerossis cidos) sejam transportados para

regies distantes das fontes primrias de emisso, aumentando a rea de atuao destespoluentes (FEMMA 2007).

Monxido de Carbono (CO)

A principal fonte deste poluente no meio urbano so os veculos automotores.Pessoas que passam vrias horas do dia dentro de um automvel, ou que tenham que

andar a p ou de bicicleta so os mais afetados. Porm os ambientes internos, como

residncias e escritrios podem vir a sofrer os efeitos do CO proveniente do ambiente

externo que entra pelo sistema de ventilao, ou que produzido localmente por

aquecedores a leo, fumantes, churrasqueiras e fogo a gs (FEMMA 2007).

xidos de Nitrognio (NOX)

As principais fontes de xido ntrico (NO) e dixido de nitrognio (NO2) so os


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Existem duas grandes fontes de emisso, fontes estacionrias e fontes mveis,

(figura1) para o estado de Rio de Janeiro (FEEMA 2007).

Figura1: Emisses por tipo de fonte na regio metropolitana de Rio de Janeiro

(FEMMA 2007).


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Tabela 1: Fontes de Emisso e Efeitos na saude dos poluentes monitorados pelo

FEEMA (FEMMA 2007).


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Os objetivos do presente trabalho so:

Levantamento de dados empricos de desempenho e emisses em um gerador

de mdio porte convertido para a operao no modo diesel/gs. Tal gerador

eltrico conta com turbo compressor e intercoolerpara o condicionamento do

ar de combusto. Tem potncia eltrica de 135 KVA, esteja operando no

modo Diesel original ou no Bi combustvel (Diesel-Gs);

Avaliar o mtodo de controle da vazo de ar de combusto, tanto no modo

Diesel original, quanto no Bicombustvel, procurando se uma queima de

combustvel otimizada e reduo das emisses.

1.4. Descrio da tese

A tese esta composta por sete captulos:


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Reviso Bibliogrfica

2.1. Combusto Diesel-Gs

Dentro da cmara de combusto num motor operado no modo diesel-gs, ocorreuma modelo de queima diferente ao diesel ou Otto convencional, na admisso se tem

uma mistura pobre de ar-gs natural, sendo esta homognea s na etapa de compresso,

no final da compresso ocorre a injeo de um menor volume de leo diesel comparado

com o modo diesel normal. Pode resultar a reduo na vida til dos injetores uma vez

que o diesel atua arrefecendo o prprio bico injeto. Por vezes se atribui a combustodiesel gs como ocorrendo nas vizinhanas das gotas de leo injetado e no em frentes

de chama.

Em baixas cargas temos o problema de queima incompleta do gs natural, pelo

fato de baixa presso e temperatura dentro do cilindro e por o alto ponto de auto-ignio


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veiculares), e NB-130 (NBR 05477) (desempenho de motores de combusto interna,

alternativos, de ignio por compresso). De acordo com a nomenclatura brasileira(NBR 06396) temos as definies abaixo:

2.2.1. Potncia Efetiva Contnua no Limitada

Correspondente norma DIN 6270-A a maior potncia efetiva garantida pelo

fabricante, que ser fornecida sob regime de velocidade, conforme sua aplicao

durante 24 horas dirias sem sofrer desgaste anormal e perda de desempenho. O ajuste

desta potncia no motor permite ainda uma sobrecarga. Esta a regulagem

recomendada para motores de grupos geradores. A quantidade de injeo do

combustvel bloqueada na bomba injetora para que uma sobrecarga (em geral 10% da

potncia efetiva contnua) do motor Diesel esteja disponvel para a regulagem de

velocidade, tal como requerido, por exemplo, em caso de aplicao sbita de plena

carga eltrica.

2.2.2 Potncia Efetiva Contnua Limitada


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consumo de combustveis devem ser convertidos para condies atmosfricas

particulares. As normas DIN e ABNT tomam como padro as mesmas condiesatmosfricas, isto , uma presso baromtrica de 76 mm Hg (equivalente a uma altitude

de cerca de 270 m acima do nvel do mar), temperatura ambiente de 20C e umidade

relativa do ar de 60%.

H, entretanto, uma diferena fundamental, entre as normas DIN e ABNT, que

necessrio ressalvar: a definio dos acessrios que devem ser acionados pelo motor (e cujoconsumo de potncia no deve ser calculado como potncia efetiva do motor) difere de uma

norma para a outra. A norma ABNT mais rigorosa e prev que, por exemplo, as potncias de

acionamento da bomba centrfuga e do ventilador devero ser descontadas ao definir a

potncia de um motor industrial, normalmente equipado com estes acessrios. As normas

americanas estabelecem as condies atmosfricas padro de acordo com a ISO3046 em 29,61

in Hg de presso baromtrica, equivalente a uma altitude de 300 ft acima do nvel do mar e

adotam o mesmo conceito de sobrecarga de 10%, como nas normas DIN.

Para os motores Diesel estacionrios destinados a aplicao em grupos geradores,

estabelecem regimes de operao considerando fatores de carga e definem trs regimes de

d b i d b f


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17

2

2

2 2

2 2 2

2

2

:

: 2

: 3,76

: ( / 2) ( / 4)

CO

H O

N O

O CO H O

C v x

H v y

N v v

O v v v x y

(2)

2.4. Propriedades do leo Diesel

A classificao do Diesel pode ser dividida em grupos e se representar com um

hidrocarboneto especifico (Taylor, 1976):

Diesel leve 12 26C H

Diesel mdio 13 28C H

Diesel Pesado 14 30C H


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( / ) 14,99 arD eD

KgA C

Kg

(6)

A qualidade do diesel pode ser medida pelo seu numero de cetano (NC) ou

calculado pelo ndice de cetano (IC). O numero de cetano e obtido atravs de um ensaio

padronizado do combustvel em um motor monocilndrico, onde se compara o seu

atraso de ignio em relao a um combustvel padro com um numero de cetanoconhecido.

O combustvel padro e uma mistura equivalente de n-hexadecano ou cetano

(NC=100) e alfametilnaftaleno (NC=0). Por isso um combustvel com NC=45, tem a

mesma qualidade de ignio que uma mistura dos padres acima contendo 45% de

cetano. O heptalmetilnonano com NC=15, foi adotado como o limite inferior da escala,em substituio ao alfa-metilnaftaleno do procedimento original, por ser um produto

mais estvel. O ndice de cetano e calculado atravs das correlaes baseadas em

propriedades fsicas do combustvel rotineiramente determinada.

Esse ndice est em funo do ponto de destilao mdio e da massa especifica,

apresentando boa correlao com o numero de cetano. O numero de cetano adequado


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Tabela 1 - Composio do gs natural fornecida pela Companhia Distribuidora de

Gs do Estado do Rio de Janeiro. : (CEG, 2004)Componente % Volume % de Massa

CH4 90,17 81,93

C2H6 7,46 12,71

C3H8 1,27 3,19

CO2 0,41 1,03

N2+O2+IC4+NC4+IC5+NC5

+C6+C4H100,7 1,16

Com essa composio se chega seguinte representao geral do hidrocarboneto

do gs natural ( 1,0893 4,1568C H ).

O processo de combusto pode ser determinado pela seguinte equao

1,0893 4,1568 2 2 2 2 22,1285 8 1,0893 2,0784 8C H O N CO H O N (7)


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Tabela 2 - Comparao entre algumas caractersticas fsico-qumicas do leo

Diesel e o Gs Natural (Taylor, 1976; Jvaj, 1973; Obert, 1973; Obert, 1971; CEG,2004)

Propriedades Gs Natural Diesel

Frmula qumica do hidrocarboneto principal CH4 C12H26

Massa molecular (g/mol) 17,65 170

Massa especifica (Kg/m3), 20C e 1 atm 0,7357 830

Razo ar/combustvel estequiomtrica (Kg/Kg) 17,03/1 14,99/1

Temperatura de auto ignio (C) 632 254

Poder Calorfico Superior (KJ/Kg) 53.970 45.590

Poder Calorfico Inferior (KJ/Kg) 48.750 42.600

Limite de inflamabilidade no ar (%) 5-14 0,7-0,5

Nmero de octanas 130 20

Nmero de cetanas - 44-50

Expanso molecular 1,003 1,0618

3


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2.7. Formao de Poluentes em Motores Diesel-Gs

Formao de NOx

So formados por o xido ntrico (NO) e o dixido de nitrognio (NO2), sendo o

(NO) o maior produzido, a formao destes poluentes so favorecidos por altas

concentraes de oxignio e altas temperaturas, no caso do bicombustvel possvelbaixar as emisses de NO com um aumento de taxa de substituio pelo fato que a

mistura de ar e gs natural admitida na cmara de combusto diminui a temperatura

dentro do cilindro antes da combusto, tambm a presena do gs natural diminui a

concentrao de oxignio que tambm ajuda na reduo de NO.

Formao de CO

Resultados empricos demonstram aumentos de emisses de CO em motores

Diesel gs, em comparao ao diesel puro. Acredita-se que isto ocorra como


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3.

Aparato ExperimentalPara obter os dados de desenvolvimento do grupo gerador no modo Bi

combustvel foi necessrio fazer uma montagem de diversos sistemas de controle, foram

empregados medidores de vazo, presso, temperatura, emisses, testador de carga e um

sistema de compresso de gs natural.

Todas as experincias foram realizadas no Laboratrio de Engenharia Veicular

(LEV) da PUC-RIO.

Abaixo mostrado um esquema simples do montagem do aparato experimental

utilizado para a medio das grandezas de interesse.


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3.1. Grupo Gerador

Foi testado um grupo gerador de quatro tempos Perkins 1006 TAG modelo P135com aspirao turbo e ps-arrefecido, empregado para gerao de potencia at 135

KVA.

Na Figura 2 e apresentado fotografias do grupo gerador, e seguidamente os dados

tcnicos do Perkins 1006 TAG.

Figura 4: Grupo gerador Perkins 1006 TAG modelo P135


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Se emprego um Governador eletrnico para regular o curso da bomba de injeo

de alta presso, de marca WOODWARD modelo EPG512 que conta com 3 elementosbsicos umpick up que o sensor de RPM , um regulador eletrnico e um atuador.

Figura 5: Governador eletrnico da Bomba de alta Presso de combustvel.

3.3. Medio de Carga Eltrica


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O consumo de Diesel foi determinado por um medidor de vazo que emprega oefeito coriolis Fabricado pela MICROMOTION, tem duas partes o sensor modelo

CMF010 e o transmissor modelo 1700/2700, com uma capacidade de medio de 0 at

100 Kg/h e com uma incerteza de 0,1%.


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3.6. Medio de Consumo de Ar

Para a medio de ar utilizo-se um aparato como entrada de um tambor-pulmoamortecedor de aproximadamente 400 litros de volume j existente no LEV.

Com o principio de queda de presso e possvel medir a vazo de ar na entrada do

coletor de admisso, e empregado dois bocais padro (Bean, 1971) 40 mm de dimetro,

construdos segundo as os requisitos da norma ASME.


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Figura 9: Bico injetor


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requisitos da norma ASME de diferentes dimetros (5mm e 10 mm) utilizando-se de

modo adequado em funo do nvel de vazo de gs natural empregado com afinalidade de diminuir as incertezas.

O Gs natural fornecido pela CEG (Companhia Estadual de Gs), tm uma

presso de chegada aproximado de 1 bar, sendo essa presso insuficiente para atingir a

vazo necessria para o uso Bicombustvel no grupo gerador, para isso foi necessrio

usar u sistema de compresso de gs natural que vai ser explicado mas adiante.


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Tabela 4: Dados tcnicos dos transdutores de presso.

Tipo deTransdutor

Modelo Faixa deOperao

Medio

Diferencial FPW-1-WA-2p-

5a-6q0-10 inH2O

Presso diferencial

no tambor de ar

Diferencial FPW-1-WA-2p-

5a-6q

0-10 inH2OPresso diferencial

no tambor de gsAbsoluto

PX209-060AI 0-60 psiaPresso de entrada

do gs natural

Absoluto

PX209-060AI 0-60 psia

Presso na

descarga do

compressorAbsoluto

PX209-100AI 0-100 psia

Presso de sada do

sistema de

compresso de gs

natural


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Figura 12: Arranjo dos transdutores de presso e tomadas de temperatura no lado

direito a tomada dos sensores para a leitura de dados.

3.10. Software de Controle

O software empregado foi o programa labVIEW (Laboratory Virtual Instrument

Engineering Workbench) instalado num computador do LEV, a programao do sistema

foi feito por pessoal do LEV.


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Figura 13: Software e Sistema de aquisio de dados.

3.11. Medio de Emisses

O LEV conta com um sistema porttil da marca TESTO, modelo 350XL, que faz

possvel o analise das concentraes de emisses de CO, HC e NO2 nos gases de


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Figura 14: Equipamento de medio de gases de escapamento

3.12. Dissipador de Carga Eltrica

Para a dissipao de carga eltrica foi usado um sistema que conta com

condutores de cobre, ligados s trs fases do grupo gerador, uma resistncia eltrica de

cobre em forma de ps, um tanque de amianto de 100 litros de capacidade e uma talha

de 2 toneladas de capacidade. A resistncia foi suspensa pela talha e submergida na

caixa de gua cheia de salmoura, conectado pelos condutores de cobre s trs fases do


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Foi necessrio empregar um sistema de compresso de gs natural, que conta com

trs Unidades de condensao (compressor, filtro, condensador e caixa preta) adaptadospara o sistema com a finalidade de comprimir o gs natural para seu posterior

armazenamento, os compressores foram fabricados pela TECUMSEH modelo

AK5510ES para R22 de 1 HP de potencia trabalhando em paralelo, se conta tambm

com dois tanques de armazenamento de GLP ou GN de 452 litros cada um fabricados

seguindo a norma NBR 8460 com uma presso mxima de trabalho de 1.7 MPa.A mxima presso de armazenamento nos tanques foi de 15 bar, e na sada tinha-

se um regulador de presso manual marca GASCAT modelo IR-A que foi regulado em

2,5 bar, tambm se utilizo dois vlvulas solenide normalmente fechadas para a

proteo dos compressores no momento em q estes se desligavam quando se atingia a

presso mxima de armazenamento, alem disso tinha-se dois manmetros para a

medio de a presso de armazenamento e de sada.


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4.Metodologia e desenvolvimento dos ensaios

Usou-se nos ensaios um grupo gerador Perkins, modelo TAG 1006, que se

encontrava parado desde o ano de 2005. Foi necessrio colocar em funcionamento de


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Concentrao dos dixidos de nitrognio: NO2(PPM);

Concentrao dos hidrocarbonetos no queimados HC (PPM).

As aquisies de dados foram feitas depois de ficar estvel cada ponto de medio

(carga eltrica x rotao), as medies das concentraes de emisses foram obtidas

atravs do equipamento porttil Testo e foram armazenadas e imprimidas pelo mesmo.

Os demais parmetros foram medidos e obtidos pelo sistema de aquisio daNACIONAL INSTRUMENTS em intervalos de um minuto. Os resultados obtidos

representam um ponto do total dos ensaios.

4.2. Modo Diesel Gs

Um dos objetivos do presente trabalho foi reproduzir o desempenho do grupo

gerador empregando bi-combustvel empregando diferentes taxas de substituio at

nvel mximo de substituio, depois de obtidos os dados seriam comparados com os


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80%, em 80% de taxa de substituio, e em cargas elevadas,foi onde se percebeu o

fenmeno de detonao de forma audvel (batida de pino).A injeo de leo Diesel foi controlada pelo governador eletrnico, que atua

diretamente sobre a haste de acionamento da bomba injetora de diesel, mesmo que

quando o gs natural e injetado, naturalmente o motor do grupo gerador tem a tendncia

de aumentar a rotao, sendo assim o sensor do governador situado no eixo de

comunicao do motor (pick up) com o gerador mede o aumento de rotao, a unidadede controle do governador atua fazendo retrair a haste de acionamento da bomba

injetora at chegar novamente ao equilbrio, alem das medidas feitas no modo diesel

puro, no modo diesel gs foram registradas as seguintes medidas:

Temperatura do tambor de medio de gs natural (C); Presso diferencial no tambor de gs natural (inH2O);

Presso absoluta do gs natural (psia).

As medies de poluentes foram registradas e imprimidas pelo Testo, nos mesmos


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parciais e 50% em cargas elevadas, sendo esta ltima limitada pela falha de combusto

com fortes rudos, queda de rotao e excesso e fumaa preta, em cargas elevadas, arestrio de ar complicada pelas condies de temperatura e presso elevadas com que

conta o motor, sendo possvel uma operao normal baixando a taxa de substituio.

Foi registrado o desempenho do grupo gerador no modo diesel com restrio de

ar, onde se observou que, quando o ar foi reduzido, o governador testou uma queda na

rotao, reagindo direitamente com um aumento na injeo de diesel, se permitiuregistrar os acrscimos do consumo diesel com a restrio parcial de ar.

Para efeitos de melhor entendimento e baseados no real consumo diesel que tem o

grupo gerador aplicando se nele uma restrio de ar na admisso, as medidas de taxa de

substituio foram calculadas em termos do consumo diesel real com restrio de ar,

no em termos de consumo de diesel no modo original e sem restrio de ar, o objetivo

foi manter uma taxa de substituio zero evitando assim ter taxas de substituio

negativas nos resultados.

Para cada ponto de registro carga eltrica x rotao fixados, alm das medidas no

modo diesel gs, se efetuo a medio da porcentagem de restrio de ar feito pela

borboleta (%).


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el GP P (13)

Onde:

Ptencia ao eixo (kW);

Ptencia eltrica (kW);

Eficincia do grupo gerador (-) - 0,9.

el

G

P

P

4.4.2. Vazo Mssica de ar ( arm ):

As propriedades foram avaliadas levando em considerao a presso,

temperatura e umidade, foi utilizada a seguinte expresso.

2

_

3600

4

ar bocal bocal ar u

V N dm

(14)

_

3

Onde:

Vazo mssica de ar mido (kg/h);

Massa especfica do ar ambiente (kg/m );

ar u

ar

m


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40

_ s

1ar vapor

arR R wR

w

(16)

_ s

Onde:

Constante do ar ambiente (kJ/kgK);

Constante do ar seco - 0,287 kJ/kgK;

Constante do ar seco - 0,46152 kJ/kgK;

Razo de umidade (-).

ar

ar

vapor

R

R

R

w

Razo de umidade ( w )

0,622

( )r sat

ar r sat

U Pw

P U P

(17)

Onde:

Razo de umidade (-);w


46/108

41

3

Onde:Velocidade no bocal de medio de ar (m/s);

Coeficiente de descarga do bocal de ar (-);

Presso diferencial no tmabor de ar (Pa);

Massa especifica do ar ambiente (kg/m ).

bocal

ar

ar

ar

V

Cd

P

Coeficiente de descarga do bocal ( arCd ) (Bean, 1971):

60,9775 0,000653 (10 / Re )aar ar Cd (20)

6

Onde:

Coeficiente de descarga do bocal de ar (-);1/2 Re 10

Re Nmero de Reynolds na garganta do bocal de medio de ar (-).

ar

ar

ar

Cda

Numero de Reynolds na garganta de medio do bocal de ar ( Rear)


47/108

42

_

3

Onde:

Vazo de ar terico (kg/h);

Dimetro do orificio do bocal de medio de ar (m);

Nmero de bocais;


Presso diferencial no tambor de a

ar t

bocal

ar

ar

m

d

N

P

r (Pa).

Para o calculo da viscosidade foi utilizada a correlao de Sutherland (Fox, 1985)

3/ 2

amb

ar

amb

b T

S T

(23)

2

1/ 2 6

Onde:

Viscosidade dinmica do ar (N.s/m );

Constante de correlao para o ar (kg/m.s.K ) - 1,458 10 ;

Constante de correlao para o ar (K) - 110,4;

Temperatura ambiente (C).

ar

amb

b

S

T


48/108

43

3

_

Onde:

=Vazo de gs natural (kg/h);


Velocidade no bocal de medio de gs (m/s);

Nmero de bocais;

Dimetro do orifio do bocal de medi

g

g

bocal g

bocal

g

m

V

N

d

o de gs (m).

Massa especifica do gs natural ( g ) (Wylen, 1995)

(273,15 )

g

g

g g

P

R T

(26)

3

Onde:


Presso no tambor de gs (kPa);

Constante do gs (kJ/kgK) - 0,4713;

Temperatura do gs ( C).

g

g

g

P

R

T


49/108

44

6

Onde:Coeficiente de descarga do bocal de gs (-);

1/2 Re 10

Re Nmero de Reynolds na garganta do bocal de medio de gs (-).

g

ar

g

Cd

a

Nmero de Reynolds na garganta do bocal de medio de gs ( Reg

)

_4Re

g t

g

g g

m

d

(Fox, 1985) (29)

_

2

Onde:Re Nmero de Reynolds na garganta do bocal de medio de gs (-);

Vazo de gs terico (Kg/h);

Viscocidade dinmica do gs (N.s/m );

Dimetro do orificio do bocal de medio de gs (m).

g

g t

g

g

m

d


50/108

45

3/ 2

gg

g

b TS T

(31)

2

6 1/ 2

Onde:

Viscosidade dinmica do gs (N.s/m );

Constante de correlao para o gs - 1,585 10 kg/m.s.K ;Constante de correlao para o gs - 442,5 K;

Temperatura do gs (C).

g

g

bS

T

4.4.4. Consumo especifico de combustvel (cec)

A seguinte equao e a razo entre a vazo de combustvel e a potnciadisponvel no eixo do motor (Taylor, 1985)

cec ( / )DDm

g kWhP

(32)

m


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46

Onde:

cec Consumo especifico de diesel;

Consumo especifico de gs;

Vazo de diesel (g/h);

Vazo de gs (g/h);

Ptencia ao eixo (KW);

Poder calorfico inferior do gs - 42.450 kJ/kg;

D

dual

D

g

D

cec

m

m

P

pci

p

Poder calorfico inferior do diesel - 48.697 kJ/kg.gci

4.4.5. Rendimento Trmico ( t )

Diesel (Taylor, 1985)

_

1t D

D D D

P

m pci cec pci

(36)

Diesel-gs


52/108

47

A razo entre a vazo mssica de ar verificada e aquela no caso que os cilindros

fossem cheios completamente de ar a presso atmosfrica para motores de quatro

tempos

2ar

V

ar d

m

V n

(38)

Para um motor operando no modo diesel-gs tem que se ter em considerao a

massa de gs que flui para os cilindros

_

2( )ar gV dual

m d

m m

V n

(39)

_

Onde:

Eficiencia volumtrica no modo diesel (%);

Eficiencia volumtrica no modo diesel-gs (%);

V

V dual


53/108

48

Onde:

Constante da mistura ar-gs (kJ/kgK);

Constante do ar ambiente - 0,287 kJ/kgK;

Constante do gs - 0,471 kJ/kgK;

Vazo de ar (kg/s);

Vazo de gs (kg/s);

Massa especfica da mist

m

ar

g

ar

g

m

R

R

R

m

m

3ura ar-gs (kg/m );

Presso absoluta no coletor de admisso (kPa);

Temperatura no coletor de admisso (C).

A

A

P

T

4.4.6. Razo Ar-Combustvel (AC)

A razo entre as vazes de ar seco e combustvel fornecidas ao motor indica o

quo rica ou pobre e a mistura combustvel.

Diesel e gs natural


54/108

49

( ) ( )g D e D g eT

D g

AC AC AC ACRE

AC AC

(44)

_

14,99 16,99D gT

ar s

m mRE

m

(45)

Onde:Razo de equivalencia total (kg/kg);

Razo ar / gs (kg/kg);

Razo ar / diesel (kg/kg);

( ) Razo ar / gs estequiomtrica 16,99 (kg/kg);

T

g

D

g e

RE

AC

AC

AC

_

( ) Razo ar / diesel estequiomtrica 14,99 (kg/kg);

Vazo de diesel (kg/h);

Vazo de diesel (kg/h);

Vazo de ar seco (kg/h).

D e

D

g

ar s

AC

m

m

m

4.4.8. Taxa de Substituio (TS)


55/108

50

pesquisas anteriores de emisses (Egsquiza, 2006). Foram medidos os nveis de NOx,

NO2, HC e O

2em concentraes de partes por milho (PPM). As medidas das emisses

especificas [g/kWh] so definidas como a vazo mssica do poluente por unidade de

potencia liquida (Heywood, 1988).

2

2

2

( )

( )

( )

( )

x

CO

s

NO

s

NO

x s

HCs

mCO

P

mNO

P

mNO

P

mHC

P

(47)

2 2

Onde:

( ) emisso especfica de CO (g/kWh);

( ) emisso especfica de (g/kWh);



vazo mssica de CO (g/h);

s

s

x s x

s

CO

NO NO

NO NO

HC HC

m


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51

O Texto (Figura 13) utilizado mede as concentraes de emisses em base seca

(sem presencia de umidade), necessrio aplicar as seguintes correlaes para a

transformao em base mida.

_ _ 1

_ _ 1

2 _ 2 _ 1

_ _ 1

C u C s

xC u xC s

C u C s

C u C s

CO CO F

NO NO F

NO NO F

HC HC F

(49)

_

_

2 _ 2

_

_

Onde:

oncentrao de em base mida (ppm);


concentrao de em base mida (ppm);


conc

C u

xC u x

C u

C u

C s

CO c CO

NO c NO

NO NO

HC HC

CO

entrao de em base seca (ppm);CO


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58/108

53

2

_ _

_ _

2 _ _

_ _

0,000966

0,001587

0,001587

0,000478

x

CO C u esc u

NO xC u esc u

NO C u esc u

HC C u esc u

m CO m

m NO m

m NO m

m HC m

(53)

2 2

_

_

Onde:

vazo mssica do (g/h);





oncentrao de e

x

CO

NO x

NO

HC

C u

xC u x

m CO

m NO

m NO

m HC

CO c CO

NO c NO

2 _ 2

_

_

m base mida (ppm);



azo dos gases de escape em base mida (g/h).

C u

C u

esc u

NO NO

HC HC

m v


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55

5.1. Resultados no Modo Diesel Puro, Diesel-Gs e Com Restrio de

ArNa Figura 17temos a Potncia gerada tanto no eixo do motor como a potncia

eltrica no grupo gerador em funo ao consumo de leo Diesel. No modo diesel puro, a

medida da potncia eltrica foi medida direitamente pelo transdutor de potencia que foi

uma combinao das medidas de voltagem e amperagem, sendo difcil medir o torque

gerado no eixo do motor por estar direitamente ligado ao eixo do gerador, se optou pordividir a medida da potncia eltrica gerada pela eficincia do gerador, que de 0,9

fornecida pelo fabricante assim se conseguiu chegar at uma potncia ao eixo, potncia

que foi usada na maioria dos clculos subseqentes, o consumo de diesel medido na

mxima potncia registro foi um 6% maior que o consumo mximo fornecido pelo

fabricante no manual do grupo gerador, esta medida pode ter-se incrementado pelodesgaste do gerador de outros ensaios onde ele foi empregado, e pela falta de

manuteno ocorrida nos anos em que este se encontra sem prestar funcionamento.


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56

Na Figura 18 observamos apresenta a curva do consumo especfico de

combustvel em funo da frao de carga prime, operando no modo diesel puro e no

modo diesel-gs com uma mxima taxa de substituio os resultados mostram que em

cargas baixas 16%, 35% e 60% o consumo especfico de combustvel no modo diesel-

gs e 15% maior que em modo diesel em 10% de carga alcanando neste ponto um

porcentagem maior que os outros, o ponto de intercepo que tem as duas curvas

analisadas e o ponto onde os consumos especficos so iguais que e aproximadamente

num 67% de carga com um consumo aproximado de 260 g/kW.h.

No lado direito do grafo se apresenta as cargas altas , especificamente com um

90% de carga o consumo no modo diesel puro e 15% maior que no modo diesel-gs

analogamente o ocorrido nas cargas baixas, e por isso que fica especificado uma das

razes que corrobora o uso de diesel gs em cargas elevadas.

Temos a representao do consumo de combustvel seja diesel ou gs natural, em

funo da frao da carga prime (Figura 19), neste caso obtivemos os consumos de

diesel no modo puro e bi combustvel, sendo obviamente mais no caso diesel puro,alm

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57

(18) (19)Figura18 e 19: Consumo especfico de combustvel em modo diesel puro e em modo diesel-gs com mxima taxa de substituio e consumo de combustvel

de diesel e de gs natural, em modo diesel puro e diesel-gs com mxima taxa de substituio para diferentes fraes da CargaPrime.

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59


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60


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60

e 2% de aumento em 73% e 90% de carga; em 100% de carga se tem um aumento

de 2% com uma restrio mxima de 50% e um consumo de 32,6 kg/h.

Na Figura 22 apresenta o rendimento trmico com variaes de carga e

restrio de ar em funo da taxa de substituio, em cargas de 16% e 35% o

rendimento trmico em medida que aumentamos a taxa de substituio mantendo-

se quase constante na medida que restringimos o ar, em 60% de carga temos um

rendimento trmico quase estvel na medida que a taxa de substituio e a

restrio de ar aumentam.

Em cargas elevadas seja de 73%, 90% e 100%pomos ver um incremento no

rendimento trmico mesmo seja aumentando a taxa de substituio como a

restrio de ar, um aumento de 4%, 5% e 4% de rendimento na mxima taxa de

substituio para uma operao sem restrio de ar, e um aumento de 4%,3% e

5% operando com restrio de ar, efeito em seus pontos mximos no

precisamente com mxima restrio, este fenmeno pode acontecer pelo aumento

de temperatura dos gases de escape, que ajudaria para ter uma queima de

combustvel mais completa e um aumento de rendimento trmico.

Na Figura 23apresentamos as variaes da eficincia trmica para cargas e

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61

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62

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Figura 24: Temperatura de Escape com de 60% e 100% de carga, com

restrio de ar em funo da Taxa de Substituio

Em 60% de carga (Figura 24) em medida que a taxa de substituio vai

aumentando temos uma queda de 2% da temperatura de espace em comparao ao


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66

Figura 26se pde observar as emisses especficas de NO2 com variaes

de carga e restrio de ar em funo da taxa de substituio, neste capitulo

mostramos a formao de NO2para ter uma tendncia, devido que na hora dos

ensaios a clula do Testo de medio NOxestouro-se quando nos encontrvamos

fazendo medidas em 16% de carga, sendo a medida de NO2 o nico fator de

grandeza que tnhamos de emisses de xidos de nitrognio, na figura

apresentamos uma queda nas emisses de NO2em 16%, 35% e 60% de carga , e

s a partir de 73% que temos uma tendncia de aumento de emisses, isso devido

que as emisses de xidos de nitrognio esto direitamente ligadas com a

temperatura dos gases de escape, , de essa maneira se explica uma queda de

emisses em cargas baixas e um aumento em cargas altas, mesmo que ocorre com

a temperatura de gases de escape. Na Figura 27: temos as emisses especificas de

monxido de carbono para 61% e 100% de carga com restries de ar em funo

da variao de taxa de substituio, nosso caso mais representativo em 60%

onde no modo sem restrio de cara temos um aumento de 80% de emisses em

mxima taxa de substituio a comparao do modo diesel normal, mas estas

emisses apresentam uma queda de 20% com uma mxima restrio de ar (60%

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67

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68

Na Figura 28: apresentamos as emisses de CO em todas as cargas com

variaes de restrio de ar em funo da taxa de substituio onde em 16%, 35%

as emisses tem um aumento com a taxa de substituio sendo estas diminudas

quando se aplica uma restrio de ar, em de 73% e 90% se tem a mesma tendncia

sendo a diminuio mais ressaltante de 20% de emisses em 73% de carga com

taxas de substituio de 60%.

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69

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70

Figura 30: Emisses especficas de HC no queimados para diferentes

restries de ar e taxas de substituio em todas as cargas, sabido que as

emisses de HC no modo diesel gs so um problema especialmente em cargas

baixas, esse problema tem uma diminuio aplicando o mtodo de restrio de ar,

sendo avaliadas todas as cargas em todas elas tem uma tendncia de diminuio

de hidrocarbonetos onde em 35% de carga se aprecia um 35% de diminuio para

uma mxima taxa de substituio , em 73% de carga tem uma diminuio de 40%

de emisses, e em 90% de carga uma diminuio de 18% para as mxima taxa de

substituio

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71

Figura 31: Avaliamos as emisses especificas de monxido de carbono

variando a razo de equivalncia total com restries de ar operando com diesel-

gs na mxima taxa de substituio, apreciamos uma queda nas emisses de CO

na medida que aumenta a razo de equivalncia, onde o termo de AR Mnimo

aquela restrio de ar em porcentagem de massa (Ar admitido sem restrio / Ar

admitido com restrio) onde obtivemos a maior queda de emisses no sendo

este porcentagem sempre a mxima restrio feita, para uma carga e 10% com um

obtivemos uma queda de 6% nas emisses para uma restrio de ar em 98% em

massa, em 35% de carga a reduo mxima foi de 56% para uma restrio em

massa de ar 87% , em 60% e carga a queda de emisses foi de 36% para uma

restrio de 76% de massa de ar, em 73% se teve um aumento de 2% para uma

reduo de 80% de massa de ar, alcanando nesse ponto a menor taxa de emisses

especficas de CO para todo o desempenho do grupo gerador, se tem um aumento

nas emisses em cargas altas onde a restrio de ar no foi significativa, se coloco

tambm as medidas de emisses de CO no modo diesel puro sendo elas pequenas

em comparao do modo diesel gs com mxima taxa de substituio at atingir

uma relao de equivalncia de 0.72 onde alcana emisses quase iguais para uma


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6

Concluses e recomendaes

Temos que recordar que o funcionamento do motor de um grupo gerador

para uma revoluo de 1800 RPM sempre atinge em seu melhor desempenho

porque o motor e fabricado para isso, a operao diesel original foi comparada

com uma operao diesel gs sendo o alcanando rendimentos trmicos maiores

em modo diesel-gs para maiores cargas no sendo assim em menores cargas

onde o rendimento trmico cai para maiores taxas de substituio .

O grupo gerador no aceito razes de equivalncia menores que 0,3 nem

maiores de 0,8, trabalharam sempre nesses limites, sendo as razes de

equivalncia maiores as adotadas no processo de restrio de ar em altas cargas e

as menores no em baixas cargas no modo diesel

As eficincias volumtricas para o funcionando no modo diesel foram

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temperatura de sada, mesmo que ocorre em todas as referencias bibliogrficas

consultadas de emisses de NOx.

Neste trabalho se utilizo por primeira vs uma injeo eletrnica de gs

natural, sendo as pesquisas anteriores do LEV s com injeo manual de gs, a

varivel para obter uma vazo adequada para nosso requerimentos com o uso da

injeo eletrnica so o tempo de abertura e de fechado (duty cycle), e a presso

de entrada do gs natural, uma pesquisa anterior dos ensaios mostrou que usando

uma presso constante na entrada do rail de bicos aumentando o duty cicle

aumenta se tambm a vazo mssica de forma linear, mais nos ensaios no se

conto com um regulador de presso na entrada, e como os testes foram feitos de

forma dinmica um trs de outro, no deu temo de regular a presso, devido a que

os reguladores de presso do laboratrio so manuais e no auto controlados para

manter sempre a mesma presso de entrada.

Utilizo se nos testes uma presso de entrada constante de 2,7 bares fornecida

pelo sistema de compresso de gs natural presso que tinha uma queda em

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ocorre um fenmeno de afogamento no motor, isso ocorre em altas cargas, onde a

injeo e controlada pelo governador, no caso do grupo gerador testado este no

aceitava taxas de substituio maiores de 60% sem ter batidas de pino e uma

afogamento audvel do motor.

Emisses de NO2

Nas medies do NO2 se percebeu que diminuem em media que

aumentamos gs natural, a mescla de gs natural com ar tem um certo calor

sensvel que diminui a temperatura da cmara de combusto no tempo de

admisso por isso tm uma queda na medida de NO2 ao aumentar a taxa de

substituio, de maneira anloga com um aumento na restrio de ar aumenta a

temperatura de gs de escape, e por isso aumenta as emisses de NO2, as medidas

de NO2no seguinte trabalho foram apresentadas s para ter uma tendncia, no

foi possvel medir as concentraes de NOx, por problemas tcnicos , alem disso

pudemos afirmar que as medidas de NO2e NO somadas so as medidas totais do

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As mxima concentraes de CO e HC no modo diesel gs com mxima

taxa de substituio se observam em cargas baixas com razes de equivalncia

iguais de 0,36, as emisses de CO tm uma queda acentuada em razes de

equivalncia de 0,60 e as emisses de HC numa margem de 0,58; em mximas

cargas as emisses de CO e HC tem uma queda em restries de ar no margem de

70% e 80% de vazo mssica de ar, sendo assim os valores de CO para cargas

parciais semelhantes aos obtidos no modo diesel em altas cargas.

A reduo excessiva de ar em altas cargas no grupo gerador ocasiona um

afogamento e problemas de rudo audvel, e tambm, se limitou um uso de taxa de

substituio elevada pelos mesmos problemas j mencionados, se recomenda para

trabalhos futuros, evitar redues excessivas de ar em altas cargas assim como

uma limitao na taxa de substituio.

O presente trabalho apresenta uma base no desenvolvimento de um kit

eletrnico de converso de diesel para diesel gs, onde foram avaliadas as

variaes de vazo de gs, em funo dos tempos de abertura e fechadura ( duty

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82/108

7

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Pereira, R.H. (2006); Avaliao Experimental e previso do Desempenho de

Motores Diesel Consumindo Gs Natural; Tese de Doutorado; Departamento de

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86/108

Analise de incertezas

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87/108

Analise da propagao de incerteza nos clculos

E Efeito sobre um erro na medio, individual poder ser estimado por

analogia com a derivada de uma funo. (Fox, W.R., 2004).

(A1)

A variao relativa em R

(A2)

Introduzindo a notao de incerteza relativa temos

(A3)

Onde o melhor res ltado para a incerte a relati a


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89/108

A vazo mssica de ar seco esta dada pela seguinte equao

(A10)

Diferenciando

(A11)

Temos que

Calculando as incertezas relativas

85


90/108

Substituindo as incertezas da umidade relativa ( 2%) e da presso

baromtrica ( 0,1) obtemos

(A15)

Finalmente

(A16)

A.3 Incerteza na taxa de substituio

Na equao:

(A17)

Diferenciamos


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92/108

Na operao diesel gs as emisses so calculadas em funo de (exemplo

medida de CO)

Diferenciamos

Onde as incertezas relativas so

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O calculo da incerteza da potencia relativa onde temos em conta as

incertezas do voltmetro e ampermetro ( uV= 0,0016 e uI= 0,0021), potncia

em kW, onde temos a equao em funo de

(A26)

Onde as incertezas das leituras dos aparelhos de medio so

Logo para temos a equao das incertezas relativas para a medio de

emisses (incerteza de concentraes 5% PPM) obtemos a incerteza parcial

para emisses especificas de CO

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(A29)

(A30)


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Anexo BPlanilhas de Medies

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101/108

98


102/108

99


103/108

Anexo C

Planilhas de Incertezas

100


104/108

101


105/108

102


106/108

103


107/108

104


108/108

02 diesel gas doc

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