anÁlise do desempenho e emissÃo de poluentes de...
TRANSCRIPT
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
ANÁLISE DO DESEMPENHO E EMISSÃO DE POLUENTES DE MOTORES DIESEL A
4 TEMPOS COM O USO DE VARIADAS MISTURAS DO BIODIESEL
Thiago Trigo Carim (1) ([email protected]), Washington Gomes Nascimento(2)
([email protected]), André Luiz Vicente de Carvalho(3) ([email protected]),
Ronilson de Carvalho Martins(4) ([email protected]), Jumar Nascimento de Oliveira da Silva(5)
(1) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC (2) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC
(3) Faculdade Redentor (FACRED); ISECENSA; UNIVERSIDADE CÂNDIDO MENDES (UCAM); DEMEC (4) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC (5) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC
RESUMO: Em meio à tentativa de minimizar os efeitos produzidos pelos combustíveis fósseis, a escassez
do petróleo e a necessidade da renovação da matriz energética brasileira, o biodiesel tem-se apresentado
como uma excelente fonte alternativa ao óleo Diesel utilizado em motores de ignição por compressão. O
Brasil, por possuir condições geográficas e climáticas favoráveis e extensas áreas cultiváveis, destaca-se
como fonte potencial para a produção de biocombustíveis. O biodiesel pode ser obtido a partir de qualquer
óleo ou gordura. Normalmente é obtido a partir de uma reação denominada de transesterificação.
Atualmente o biodiesel é vendido nos postos brasileiros como uma mistura conhecida por B5, composta por
5% de biodiesel e 95% de óleo Diesel. Assim objetiva-se com este trabalho, utilizar várias proporções de
misturas do biodiesel, incluindo o Biodiesel puro denominado de B100 em motores do Ciclo Diesel a fim de
avaliar seu desempenho e o nível de poluentes emitidos por meio da queima desses combustíveis. Para esse
fim utiliza-se um motor monocilíndrico a quatro tempos, dispondo-se de aparelhos que permitem analisar e
avaliar essas misturas.
PALAVRAS-CHAVE: Biodiesel, Desempenho, Motor, Poluentes, Misturas.
PERFORMANCE ANALYSIS OF POLLUTANTS AND ISSUANCE OF A 4 STROKE DIESEL WITH
THE USE OF VARIOUS BLENDS OF BIODIESEL
ABSTRACT: Amid the attempt to decrease the effects produced by fossil fuels, shortage of petroleum and
the need for renewal of Brazilian energy matrix, biodiesel has been presented as an excellent source
alternative to oil diesel used in engines with compression ignition. The Brazil that has geographical and
climatic conditions favorable and extensive region cultivated appears as a potential source for the
production of biofuels. Biodiesel can be obtained from some fat or oil usually by a reaction called
transesterification. Currently, Biodiesel is sold in the brazilian service stations as a blend known as B5,
consisting of 5% biodiesel and 95% diesel oil. Thus the objective of this work, using various ratios of
biodiesel blends, including biodiesel pure called B100 in engines Diesel cycle in order to assess their
performance and level of polluants emitted by burning these fuels. For this purpose used a single-cylinder
four-stroke, available are devices that allow to analyze and evaluate these blends.
KEYWORDS: Biodiesel, Performance, Engine, Polluants, Blends.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2
1. INTRODUÇÃO
No decorrer das últimas décadas, emergiu no contexto mundial globalizado, conceitos
relacionados à idéia de utilizar-se dos recursos naturais disponíveis para suprir as necessidades
humanas sem comprometer ou prejudicar as gerações futuras, conceito esse conhecido como
sustentabilidade.
Uma das grandes preocupações atuais está relacionada ao uso dependente e contínuo de
combustíveis fósseis como o querosene, energia nuclear e o carvão mineral para geração de energia.
Esses combustíveis são fontes potencias de poluição ambiental gerando consequências irreversíveis
ao planeta.
O grande setor responsável pela maior parte de emissão de poluentes na atmosfera é o setor
de transporte, pois para obtenção de energia mecânica, em grande parte se faz uso de combustíveis
fósseis como a gasolina e o óleo Diesel.
Para reduzir a dependência quanto ao uso de combustíveis fósseis e minimizar os efeitos
nocivos da emissão de poluentes na atmosfera, utilizam-se os combustíveis de origem biológica, os
chamados biocombustíveis, obtidos a partir de produtos agrícolas.
Atualmente para a redução da utilização do óleo Diesel é realizado a mistura do biodiesel no
óleo diesel. Este método é legalizado e autorizado pelo governo federal brasileiro. A ANP (Agência
Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) permitiu inicialmente a utilização de 2% do
biodiesel em 98% de óleo Diesel o chamado B2, passando a utilizar 5% de biodiesel na mistura, que
é denominada B5 e atualmente já utiliza-se 6% já aprovado o aumento para 7% pelo senado
aguardando somente a aprovação pelo presidente da república.
A substituição total ou parcial do óleo Diesel pelo biodiesel é de suma importância neste
contexto. O Brasil é referência mundial de inúmeras opções de matéria prima como soja, mamona,
girassol, dendê, pinhão manso entre outras para obtenção do biodiesel. Independentemente da
matéria prima a ser utilizada é necessário conhecer suas propriedades físico-químicas e
consequentemente determinar as emissões de poluentes e o desempenho mecânico gerado pelo
motor. Desse modo, tem-se por finalidade apresentar o biodiesel como fonte alternativa sustentável
a motores de ignição por compressão por meio de análises e avaliações de desempenho deste motor,
alimentado por variadas misturas do biodiesel, e o nível de emissão de poluentes em ensaios que
serão feitos em uma bancada formada com o uso de um grupo gerador elétrico, resistências elétricas
para o consumo de energia e um aparelho para medição de gases emitidos.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 3
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Diesel e Biodiesel
O óleo diesel utilizado nos ensaios foi adquirido em um posto de combustível na cidade de
Itaperuna, no estado do Rio de Janeiro. Suas características deverão estar de acordo com as exigidas
pela Agência Nacional do Petróleo (ANP), resolução Nº 65 de 9.12.2011
O biodiesel foi produzido na Faculdade Redentor, campus de Itaperuna RJ, visto que não foi
possível a compra do mesmo devido às normas da ANP que proíbe a venda em pequenas
quantidades. Portanto, o biodiesel foi obtido através da transesterificação de óleo de soja filtrado.
Montou-se um mini-reator para realizar o processo. Ele constituía-se de um recipiente
grande de latão, um aquecedor elétrico, um recipiente plástico (bombona) com um furo na tampa,
uma furadeira elétrica, uma abraçadeira, um suporte para a furadeira e um agitador. Na Figura 1
mostra a imagem do mini-reator.
Figura 1: Mini-reator.
Para a produção do Biodiesel, utilizou-se as seguintes proporções: 1 litro de óleo de soja,
200 ml de álcool metílico (metanol) e 3,5 gramas de soda cáustica (NaOH). A produção foi iniciada
com a mistura do metanol com a soda cáustica em uma garrafa de vidro com tampa. Essa mistura
produz o metóxido de sódio. Colocou o óleo de soja dentro da bombona aqueceu até a temperatura
de 55°C, que é a temperatura ideal para a reação. Ao atingir essa temperatura, adicionou-se à
bombona com o óleo de soja aquecido o metóxido de sódio e o eixo agitador acoplado a furadeira
elétrica, que ficou ligada durante uma hora realizando a mistura. Utilizando-se sempre um termopar
para controlar a temperatura, pois se a temperatura ultrapassar os 64,7°C, o álcool metílico
(Metanol) evapora, podendo trazer problemas graves a saúde. Após realizar o processo, deixar a
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 4
mistura em repouso durante vinte e quatro horas para que ocorra a decantação, como pode ser visto
na Figura 2.
Figura 2: Processo de decantação.
Passado esse tempo o Biodiesel é separado da glicerina a partir de uma drenagem com
auxílio de uma mangueira. Os combustíveis utilizados nos ensaios serão: óleo Diesel S10 e S1800,
B5, B10, B20, B40, B60, B80 e B100. Todas as misturas de biodiesel foram feitas com óleo Diesel
S10. Assim como todas as densidades aferidas a partir de um densímetro.
Figura 3: Misturas prontas
2.2 Painel de combustível com medidor de consumo
O painel tem dois tanques feitos de garrafas de vidro com a capacidade de aproximadamente
500 ml cada. Uma seringa de plástico de 60 ml é usada para medir o consumo volumétrico durante
cada grupo de lâmpadas no ensaio de cada combustível. Ela está fixada no painel de modo que se
encha de combustível toda vez que uma das válvulas se abrir. O volume utilizado para os cálculos é
de 10 ml e seu consumo cronometrado. A Figura 4 mostra o painel de combustível com o medidor
de consumo.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 5
Figura 4: Painel de combustível com medidor de consumo. (2013).
2.3 Grupo-gerador
O grupo-gerador utilizado é o modelo BD-2500CFE, mostrado na Figura 5, que possui um
motor a diesel monocilíndrico de quatro tempos e injeção direta, refrigerado a ar e potência
mecânica nominal de 5 HP, capaz de gerar uma potência elétrica nominal de 2,2 kVA.
Figura 5: Grupo-gerador pronto para ensaios.
2.4 Painel de resistência elétrica
Compõe-se de vinte lâmpadas incandescentes de 100 Watts e 127 Volts ligadas em paralelo
que servem como cargas resistivas para consumir a potência produzida pelo grupo-gerador. As
lâmpadas são divididas em cinco grupos e cada grupo tem quatro lâmpadas. Elas são montadas em
um quadro de madeira, com vinte bocais de cerâmica e cinco interruptores externos que permite
incluir ou excluir cada grupo durante os ensaios. No final do circuito colocou-se uma tomada para
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 6
que possa ser feito a leitura das tensões com o auxílio de um voltímetro. Na Figura 6 pode-se ver o
painel.
Figura 6: Painel de resistência elétrica. Em A, o painel desligado. Em B, o painel com quatro
grupos de lâmpadas ligadas.
2.5 Analisador de gases
O analisador de gases utilizado nos ensaios para a leitura dos gases é o Tempest 100 como
mostra a Figura 7, ele pode medir a concentração de diversos gases como: O2, CO2, CO, NOx, NO2,
NO e SO2.
Figura 7: Analisador de gases Tempest 100.
O sensor do analisador de gases fo colocado em um pequeno tubo vazado e soldado
perpendicularmente no cano de descarga com um parafuso de aperto para garantir a fixação do
sensor no escapamento.
Figura 8: Sensor do analisador acoplado no cano de descarga.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 7
3. RESULTADOS
3.1 Análises gráficas experimentais.
3.1.1 Potência
O combustível que apresentou maior potência desenvolvida foi o B5. Então, para rotações máximas
do motor uma pequena adição de 5% na mistura com óleo diesel S10 eleva significativamente os
níveis de potência produzida pelo motor. Por outro lado em pequenas e médias rotações o motor
apresentou maior potência desenvolvida com óleo Diesel S1800. Vale ressaltar que quando o motor
operava com as 20 lâmpadas acessa usando esse mesmo combustível, durante algum tempo o motor
apresentava picos de tensão.
Figura 9: Comparação de potência para todos os combustíveis.
3.1.2 Consumo
Visualizando o gráfico da Figura 10 vê-se que o Biodiesel puro apresentou para qualquer
faixa de potência maior consumo de combustível por tempo. Sendo assim é notório que qualquer
proporção de mistura com o biodiesel eleva o consumo de combustível. Fato que se justifica pelo
menor PCI do biodiesel.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 8
Figura 10: Comparação para todos os combustíveis de consumo volumétrico.
3.1.3 Rendimento térmico
O rendimento térmico é um dos parâmetros indispensáveis na avaliação da eficiência de um
combustível. Conforme a figura 11 o óleo Diesel S1800 apresentou para quase todas as faixas de
potências listadas, o melhor rendimento térmico, Porém a mistura com 5% de biodiesel apresentou
melhor rendimento térmico quando o motor é usado em sua carga máxima. O biodiesel puro
também apresentou bons resultados.
Figura 11: Valores de Rendimento térmico para todos os combustíveis.
3.2 Análises da emissão de poluentes
3.2.1 Dióxido de Carbono ( CO2) e Monóxido de Carbono (CO)
Abaixo demonstra- se nos gráficos das Figuras 12 e 13 de emissão de CO2 e CO
respectivamente.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 9
Figura 12: Emissão de dióxido de carbono para todos os combustíveis.
Para baixas rotações do motor, os valores correspondentes à emissão de CO2 não tiveram
variações expressivas. Porém o motor quando exigido, produziu maiores níveis de CO2, com uso de
óleo diesel S1800 e B10.
Figura 13: Emissão de monóxido de carbono para todos os combustíveis.
As misturas B40, B80 e o B100 apresentaram níveis altos de CO. O monóxido de carbono é
um gás combustível, pois reagindo com o oxigênio do ar ele libera o calor, por isso no caso de
combustão incompleta o aproveitamento do combustível e o rendimento do motor irão diminuir.
Quando analisa-se os dois gráficos em paralelos temos a mistura B20 como uma ótima relação de
CO2 x CO.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 10
3.2.2 Óxidos de nitrogênio; NOx , NO2 ,NO
Visualizando o gráfico da Figura 14, pode observar que para baixas potências o B40 possui
o menor teor de emissão de NOx. O B80 mostrou-se também uma excelente alternativa de redução
de NOx. Os óleos diesel S10 e S1800 apresentaram os maiores valores de emissão. As misturas de
Biodiesel em pequenas proporções reduziram muito pouco a quantidade de NOx.
Figura 14: Emissão de NOx para todos os combustíveis.
3.2.3 Dióxido de Enxofre (SO2)
O gráfico da Figura 15 mostra a quantidade de SO2 emitido para cada combustível.
Figura 15: Representação das emissões de SO2.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 11
Pode-se observar que a adoção de biodiesel ao óleo diesel reduz em qualquer proporção
significativamente a quantidade de enxofre produzida, porém nem sempre segue uma proporção.Esse fato se justifica, pois o S02 só se formar a altas temperaturas. O biodiesel puro
apresentou ligeira formação de SO2 , que pode ser justificado por um erro de leitura do aparelho
previsto em sua magem de erro.
4. CONCLUSÃO
Com todos os testes realizados e dados obtidos pode- se observar que o B10 apresentou a
melhor média entre todas as demais misturas. Para uma mistura não basta apenas apresentar baixo
indíce de emissão de poluentes, a mesma tem que garantir uma boa autonomia para o motor sem
grandes perdas.
Relação B5 X B10
Observa-se na figura 16 a emissão de S02 , um dos principais motivos para substituição dos
óleos diesel para os biocombustíveis. Essa comparação é feita com a atual mistura comercializada
no país o B5.
Figura 16: Comparação entre as misturas B5 e B10, quanto a emissão de SO2.
O B10 apresentou ligeira diminuição em relação e emissão desse gás. Já pela figura 17, vê-
se que o motor não teve perdas significativas quanto a geração de potência.
Figura 17: Comparação entre potências desenvolvidas pelas misturas B5 E B20.
XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,
23 a 26 de Setembro de 2014
Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 12
Por fim pela análise gráfica a adição de 10% ao Biodiesel se mostra mais relevante para ser
incorporado na matriz energética brasileira. Tendo em vista que as usinas Brasileiras se dizem
capacitadas para fornecer a quantidade necessária para essa mistura.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AL - SAHHAF, T. A.; FAHIM, M. A.; ELKILANI, A. S. Introdução ao Refino do Petróleo. 1ed.
Rio de Janeiro: Campus, 2011.
BARBOSA, R. L et al. Desempenho comparativo de um motor de ciclo diesel utilizando diesel e
misturas de biodiesel. Ciência e Agrotecnologia, v. 32, n. 5, p. 1588-1593, 2008.
BUAINAIN, A. M.; BATALHA, M. O. Cadeia Produtiva da Agroenergia. Série Agronegócios,
Volume 3, 2007.
CONPET. A saúde da população e a Poluição atmosférica. Programa economizar, 2006.
GERPEN, J. V. Biodiesel processing and production. Fuel Processing Technology, v. 86, n. 10, p.
1097-1107, 2005.
PARENTE, EJ de S. et al. Biodiesel: uma aventura tecnológica num país engraçado. Fortaleza:
Tecbio, 2003.
PLÁ, J.A. Existe viabilidade econômica para o biodiesel no Brasil.Indicadores Econômicos
FEE, v. 32, n. 4, p. 271-294, 2005.
SILVEIRA, B. I. Da. Produção de Biodiesel. 1ed: Biblioteca 24horas, 2011.
5. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo das informações contidas neste artigo.