conversão de aparelhos a gás
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Compara a eficiência entre um fogão operando com GN e GLP (em elaboração)TRANSCRIPT
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA
DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
RODRIGO RIBEIRO DE SOUZA
ANÁLISE DA CONVERSÃO DE APARELHOS DE COCÇÃO A GÁS
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
SALVADOR
2015
RODRIGO RIBEIRO DE SOUZA
ANÁLISE DA CONVERSÃO DE APARELHOS DE COCÇÃO A GÁS
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Engenharia Industrial Mecânica , do Departamento de Materiais e Mecânica, do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Bahia - IFBA, como requisito para obtenção do título de Engenheiro.Orientador: Prof. Me. Luiz Carlos Pereira Vargas
SALVADOR
2015
TERMO DE APROVAÇÃO
RODRIGO RIBEIRO DE SOUZA
ANÁLISE DA CONVERSÃO DE APARELHOS DE COCÇÃO A GÁS
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia XX de Abril de 2015, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Industrial Mecânico, outorgado pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia. O aluno foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________Prof. Tit. Nome do Professor
Coordenador de CursoDepartamento Acadêmico de Mecânica
BANCA EXAMINADORA
_____________________________ __________________________Prof. Tit. Nome do Professor Prof. Tit. Nome do Professor
IFBA IFBA
___________________________Prof. Me Luiz Carlos Pereira Vargas
Orientador - IFBA
A frase abaixo não deve aparecer no documento assinado, mas é obrigatório no documento eletrônico.“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”
À dedicatória. Elemento opcional para tese, dissertação, monografia e TCC. Sem título e sem indicativo numérico. Folha que contém texto em que o autor presta homenagem ou dedica seu trabalho.
AGRADECIMENTO(S)
Epígrafe: Elemento opcional para TCC. Sem título e sem indicativo numérico. Nesta folha, o autor usa uma citação, seguida de indicação de autoria e ano, que deve fazer parte das referências do TCC, relacionada com a matéria tratada no corpo do trabalho.
RESUMO
Palavras chave: 3 a 5 Palavras
ABSTRACT
Keywords:
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Jazidas de gás natural associado ou não ao petróleo....................16
Figura 2 - Botijão de gás GLP.........................................................................18
Figura 3 - Abastecimento de GLP a granel.....................................................19
Figura 4 – Peças do Fogão: Registro do Fogão..............................................31
Figura 5 – Peças do fogão: Injetor: Diferentes geometrias.............................32
Figura 6 - Efeito de contração no orifício........................................................33
Figura 7 – Peças do fogão: Trempe................................................................34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição do gás natural na região nordeste.............................16
Tabela 2 - Composição do Gás Natural comercializado em Salvador e RMS.
...................................................................................................................................17
Tabela 3 - Propriedades físicas do gás natural...............................................17
Tabela 4 - Composição do GLP comercializado através da RLAM................19
Tabela 5 - Propriedades físicas do gás LP.....................................................20
Tabela 6 - Classificação dos gases.................................................................21
Tabela 7 - Relação oxigênio teórico e combustível.........................................22
Tabela 8 - Composição do ar atmosférico......................................................22
Tabela 9 – Relação entre Volume de O2 e Volume de Ar...............................22
Tabela 10 – Tabela Resumo dos estudos exemplos......................................25
Tabela 11 – Tipo de escoamento x nº de Reynolds........................................26
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
(Este campo é opcional, devemos mantê-lo?)
ANP
ABNT
GN
GLP
CONPET
ABEGAS
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO..........................................................................................11
1.1 TEMA.....................................................................................................11
1.2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO................................................................12
1.3 PROBLEMA...........................................................................................12
1.4 OBJETIVOS...........................................................................................12
1.4.1 Geral...................................................................................................121.4.2 Objetivos Específicos..........................................................................131.5 JUSTIFICATIVA.....................................................................................13
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS..............................................14
1.7 EMBASAMENTO TEÓRICO..................................................................14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................15
2.1 GASES COMBUSTIVEIS E A SUA COMBUSTÃO...............................15
2.1.1 Gás Natural.........................................................................................162.1.2 GLP.....................................................................................................182.1.3 Família dos Gases Combustíveis.......................................................202.1.4 Reações de Combustão dos gases combustíveis..............................212.1.5 Demanda volumétrica de combustível e de Ar...................................222.2 DINÂMICA DOS FLUIDOS APLICADA..................................................25
2.2.1 Comportamento de fluidos compressíveis..........................................272.2.2 Fluxo através de um orifício................................................................302.3 APARELHOS DOMESTICOS DE COCÇÃO A GÁS.............................30
2.3.1 Registro..............................................................................................312.3.2 Tubulação interna...............................................................................322.3.3 Injetor..................................................................................................322.3.4 Misturadores.......................................................................................342.3.5 Espalhadores......................................................................................342.3.6 Trempe...............................................................................................342.3.7 Características higiênicas da chama..................................................352.3.8 Conversão dos aparelhos de cocção a gás........................................352.3.9 Principais problemas pós conversão..................................................363 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS..............................37
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................38
5 Referências..............................................................................................39
11
1 INTRODUÇÃO
Atualmente o gás natural, segundo informações da ABEGÁS, é utilizado por
mais de 2 milhões de clientes, sendo estimado um crescimento de 67,3% até o ano
de 2020, atingindo o número de 3,2 milhões de consumidores. Esse aumento reflete
o crescente uso do gás natural nas residências.
Mesmo com esse aumento, o uso desse energético ainda é muito pequeno
em comparação ao seu principal concorrente, o gás liquefeito de petróleo (GLP ou
Gás LP), representando X % do mercado.
Devido a esse fato a grande maioria dos aparelhos de uso residencial são
fabricados e importados para funcionarem com GLP. E para queimarem gás natural
é necessário a realização de um procedimento, denominado conversão. Essa
operação consiste na troca de algumas peças do aparelho, permitindo, dessa forma,
o funcionamento com outro tipo de gás.
Encontrar a comercialização de um aparelho de cocção a gás natural é uma
tarefa árdua, e muitos desses aparelhos foram projetados para GLP e através de
pequenas alterações no projeto, em geral troca das mesmas peças necessárias para
conversão, funcionam com gás natural ou seja, o equipamento também sofreu uma
conversão.
Paragrafo falando sobre alguns equipamentos serem classificados de maneira
diferente eno programa de etiquetagem, porém o site do CONPET continua fora do
ar
A atividade de conversão desses equipamentos ainda é uma tarefa pouco
compreendida por quem executa essa atividade, sendo realizadas algumas práticas
diferente das especificadas pelo fabricante do aparelho, sem que os resultados
sejam mensurados, impossibilitando a avaliação da qualidade e eficiência da
conversão desses equipamentos.
1.1 TEMA
Na busca pela produtividade imposta pelo mercado, torna-se necessário a
utilização de técnicas de conversão de aparelhos a gás mais simples, permitindo o
atendimento às expectativas da parte interessada.
12
Atender a essa produtividade, pode estar comprometendo a qualidade e
eficiência desse procedimento, portanto uma análise desses processos deve ser
realizada.
1.2 DELIMITAÇÃO DO ESTUDO
Esse trabalho trata de temas inerente aos aparelhos de uso residencial que
utilizam a combustão de gases para a cocção dos alimentos, limitados a uma
potência de XX kW. Porém os assuntos tratados, bem como os resultados obtidos,
após uma análise especifica do caso, podem ser aplicados a aparelhos de cocção
mais potentes, bem como demais aparelhos a gás, como motores, fornos industriais,
caldeiras, entre outros.
1.3 PROBLEMA
Este trabalho aplica-se às atividades de conversão de aparelhos, atividade
necessária para permitir que gases de famílias diferentes possam ser queimados no
mesmo aparelho. Atualmente, devido ao aumento do consumo de gás natural, o
número de conversões vem crescendo bastante. A situação será analisada na
Companhia de Gás da Bahia – Bahiagás.
Durante as atividades de conversão de aparelhos de cocção a gás, alguns
consumidores questionaram a eficiência da operação, mostrando um grau de
insatisfação, principalmente em relação a um superior tempo de cozimento, ruídos
elevados, demora no acendimento da chama e ainda, nos fornos, cocção não
uniforme dos alimentos.
Neste contexto buscaremos analisar se a eficiência da conversão de
aparelhos a gás realizados pela Bahiagás está dentro dos limites aceitáveis, ou seja,
muito próxima a eficiência original, de modo que a diferença seja imperceptível para
o consumidor, propondo, em caso negativo, uma ação adicional para resolução do
problema.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Geral
13
O escopo desse projeto, em linhas gerais, é revisar a bibliografia do tema em
questão e fazer uma análise teórica e pratica dos métodos de conversão de
aparelhos a gás praticados no mercado.
1.4.2 Objetivos Específicos
Detalhar os procedimentos de conversão dos aparelhos de cocção a gás;
Levantar a possível causa dos problemas recorrentes encontrados nas
conversões de aparelhos a gás;
Analisar teórica e pratica da eficiência de cada procedimento, elencando
vantagens e desvantagens;
Propor melhoria na realização do procedimento
1.5 JUSTIFICATIVA
Com o grande crescimento do uso do gás natural no segmento residencial e
levando em conta que a maior parte dos equipamentos de cocção são fabricados
para operar com o Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), houve um aumento no número
de equipamentos que necessitam de conversão. Em geral, a recomendação dos
fabricantes consiste na troca de diversas peças, denominadas kits de conversão,
fazendo com que esse procedimento necessite de muitas intervenções nos
aparelhos, demandando, dessa forma, um grande tempo dos profissionais
convertedores de aparelhos a gás.
Através da experiência adquirida por esses profissionais, aliada com os
resultados obtidos durante os anos de execução, algumas concessionárias de gás
natural não realizam a troca completa do kit de conversão. Alegando, sem
fundamentos teóricos e empíricos que a troca incompleta do kit de conversão não
prejudica o correto funcionamento do aparelho, de forma que não é necessária.
Portanto é de suma importância uma avaliação teórica e experimental para
determinar a eficiência da conversão, avaliando os benefícios e prejuízos da troca
incompleta do kit de conversão. Buscando, além disso, uma forma de otimizar esse
procedimento atendendo a todos os requisitos de segurança e eficiência.
Entender e avaliar a conversão dos aparelhos é de fundamental importância
para as concessionárias de gás natural, assistências técnicas e profissionais liberais,
14
pois impacta diretamente em uma melhor prestação de serviço ao cliente, de modo
que esse trabalho é necessário para uma melhoria no serviço prestado e maior
satisfação da parte interessada.
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
A condução desse trabalho se dará através da revisão bibliográfica que será
realizada com base em artigos, teses, livros e demais fontes. Permitindo uma
avaliação teórica, qualitativa e descritiva, do tema proposto, além de fornecer
embasamento para elaboração e avaliação dos experimentos que serão realizamos,
e que são essenciais para o desenvolvimento do trabalho.
A coleta e levantamento dos dados e informações será realizada em um
laboratório de gases combustiveis e permitirão o desenvolvimento de resultados,
que são fundamentais para a análise das metodologias de conversão dos aparelhos
a gás.
A análise das informações colhidas no estudo de caso será baseada nos
métodos e conceitos apresentados e discutidos no referencial teórico.
1.7 EMBASAMENTO TEÓRICO
Em relação a teoria dos gases combustíveis, que engloba as características
desses energéticos e a sua combustão, serão utilizados como referencial teórico a
bibliográfica clássica sobre o tema, além de textos normativos da Associação
Brasileiras de Normas Técnicas (ABNT) e Agência Nacional do Petróleo (ANP).
Como complemento desse conhecimento serão utilizados os trabalhos de
PINHEIRO (2010), SERFATY (XXXX), ORREGO (XXXX), entre outros.
Quanto ao entendimento dos aparelhos de cocção a gás e o comportamento
dos gases no seu interior, será necessário recorrer aos manuais dos fabricantes,
bem como materiais didáticos elaborados pela Associação Brasileira das Empresas
de Gás Natural (ABEGÁS) e bibliográfica complementar FULFORD (1996), GATTEI
(2008), entre outros.
15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 GASES COMBUSTIVEIS E A SUA COMBUSTÃO
A combustão é um processo decorrente da reação entre elementos químicos
com uma grande liberação de energia na forma de calor. Os elementos químicos
são denominados comburentes e combustíveis e para a reação é necessária uma
fonte de energia. Os primeiros são os elementos oxidantes da reação, o comburente
predominante nas reações cotidianas é o oxigênio, e, portanto, nesse trabalho a
será considerado o comburente de qualquer reação descrita e a sua fonte será o ar
atmosférico.
Segundo (VIEIRA e GARCIA, 2005, p. 80) “combustíveis são todas as
substâncias ou misturas que reagem com o oxigênio presente no ar atmosférico,
produzindo calor.”. E de acordo com a sua natureza física são denominados
combustíveis sólidos, líquidos e gasosos, esse último também denominado gases
combustíveis.
Existem diversos gases combustíveis, como o metano, etano, gás natural,
biogás, GLP, acetileno, entre outros. Porém, nesse trabalho o foco será no gás
natural e GLP.
O processo de combustão perfeita tem como produto, além do fornecimento
de energia na forma de calor, a formação de dióxido de carbono (CO2) e água na
forma de vapor. A combustão também pode ser imperfeita, também denominada de
parcial, tendo como resultado dos produtos de combustão, além dos três
mencionados anteriormente, o monóxido de carbono (CO). Abaixo temos
respectivamente um exemplo da reação de combustão completa e combustão
parcial.
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O(Vapor) + Energia
CH4 + 1,5 O2 CO + 2 H2O(Vapor) + Energia
16
2.1.1 Gás Natural
Segundo a Lei número 9.478/97, conhecida como lei do petróleo, o gás
natural é definido como “todo hidrocarboneto que permaneça em estado gasoso nas
condições atmosféricas normais, extraídos a partir de reservatórios petrolíferos ou
gaseífero, incluído gases úmidos, secos, residuais e gases raros.”
Em outras palavras o gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos
encontrado em jazidas, associado ou não ao petróleo, conforme Figura 1.
Figura 1 - Jazidas de gás natural associado ou não ao petróleo
Fonte: Site da Bahiagás
“A composição do gás natural pode variar de campo para campo, de acordo
com o tipo de matéria orgânica que lhe deu origem, os processos naturais a que foi
submetido e o processamento em unidades industriais, dentre outros
fatores.”(VIEIRA e GARCIA, 2005, p. 21)
Devido a essa variação de composições a ANP (Agência Nacional do
Petróleo), através da resolução Nº 16 regulamentou a composição do gás natural de
acordo com a região do Brasil, na Tabela 1 temos a composição do gás natural na
região nordeste do País.
Tabela 1 - Composição do gás natural na região nordeste
Característica Unidade Limite
Poder Calorífico Superior kJ/m³
kWh/m³
35.000 a 43.000
9,72 a 11,94
Índice de Wobbe1 kJ/m³ 46.500 a 53.500
17
Metano, mín % mol 85
Etano, máx. % mol 12
Propano, máx. % mol 6
Butanos e mais pesados,
máx.
% mol 3
Oxigênio, máx. % mol 0,5
Inertes (N2 + CO2), máx. % mol 8
CO2, máx. % mol 3
Enxofre total, máx. mg/m³ 70
Gás Sulfídrico (H2S), máx. mg/m³ 13
Fonte: Resolução Nº 16 da ANP
O gás natural que abastece Salvador e a região metropolitana tem origem no
campo gaseífero de Manati, localizado na bacia de Camamu, e é distribuído pela
Bahiagás através de tubulações. Possuindo a composição média, segundo
informações dessa companhia, conforme Tabela 2.
Tabela 2 - Composição do Gás Natural comercializado em Salvador e RMS.
Composição Unidade Valor
Metano % mol 90
Etano % mol 5
Inertes (N2 + CO2) % mol 5
Fonte: Bahiagás
As propriedades físicas do gás natural distribuído em Salvador e região
metropolitana, segundo informações da Bahiagás, são conforme a Tabela 3.
Tabela 3 - Propriedades físicas do gás natural
Propriedade2 Unidade Valor
PCS kJ/m³
kcal/m³
36.687
8765
Peso Especifico kg/m³ 0,739575
1 O conceito do índice de Wobbe será abordado no tópico 2.1.3 desse trabalho.2 As propriedades apresentadas nessa tabela, referem-se as condições normais de
temperatura e pressão 20oC e 1 atm.
18
Densidade - 0,61
Fonte: Bahiagás
2.1.2 GLP
O Gás liquefeito de Petróleo, conhecido como GLP ou gás LP e popularmente
“gás de cozinha”, é um gás combustível formado principalmente por propano e
butano, que é extraído do processamento do petróleo e do gás natural.
A resolução Nº 18 da ANP em seu art. 2º classifica os Gases Liquefeitos de
Petróleo (GLP) em: Propano Comercial, Butano Comercial, Propano / Butano,
Propano Especial.
O GLP utilizado na nossa área de estudo, uso doméstico, enquadra-se na
classificação Propano / Butano, que ainda segundo o art. 2º “é uma mistura de
hidrocarbonetos contendo predominantemente, em percentuais variáveis, propano
e/ou propeno e butano e/ou buteno.”.
Diferentemente do gás natural, o GLP é comercializado em sua forma liquida,
através de recipientes, denominado botijão, quando se refere ao utilizado na
comercialização de recipientes, ver Figura 2, e vasos estacionários quando utilizado
a comercialização a granel, com abastecimento através de caminhões-tanques,
conforme Figura 3.
Figura 2 - Botijão de gás GLP
Fonte: (LIQUIGÁS DISTRIBUIDORA S.A, 2008)
19
Figura 3 - Abastecimento de GLP a granel
Fonte: (NACIONAL GÁS BUTANO DISTRIBUIDODA LTDA, 2015)
A ANP não regula os percentuais de propano e butano, portanto, esse gás
pode ser encontrado sob diversas composições, a depender da região, empresa
distribuidora, origem e outros fatores.
Um dos principais distribuidores de GLP na Bahia é a Brasilgás, empresa do
grupo Ultragaz, e segundo informações dessa distribuidora, o gás liquefeito
comercializado em Salvador e região metropolitana é obtido através do refino do
petróleo da RLAM (Refinaria Landulpho Alves de Mataripe), o que confere ao GLP
uma densidade mais alta do que a obtida do gás obtido do tratamento do gás
natural.
O GLP distribuído possui a composição química média conforme Tabela 4 e
propriedades físicas conforme Tabela 5.
Tabela 4 - Composição do GLP comercializado através da RLAM
Composição Unidade Valor
Metano % vol <0,01
Etano % vol 1,08
Propano % vol 20,21
Propeno % vol 15,23
Butano % vol 63,17
> Pentanos % vol 0,31
Fonte: Petrobrás
Tabela 5 - Propriedades físicas do gás LP
Propriedade3 Unidade Valor
3 Propriedades calculadas a partir de (THE ENGINEERING TOOLBOX, 2015) e (AUSETUTE,2015)
20
PCS kJ/m³
kcal/m³
converter
26844
Peso Especifico kg/m³ 2,242674
Densidade - 1,86
Fonte: Cálculos realizados nesse trabalho.
2.1.3 Família dos Gases Combustíveis
A classificação, em famílias, dos gases combustíveis utilizam como principal
critério a razão entre o poder calorifico de um gás, por unidade de volume, e a raiz
quadrada da densidade relativa do próprio gás em relação ao ar. A essa razão
denomina-se número de Wobbe, ou índice de Wobbe, dado pela equação ( 1 ).
Wobbe=PCS
√d( 1 )
Onde d é a densidade relativa do gás em relação ao ar e PCS é o poder
calorifico superior.
“O índice de Wobbe representa a taxa de fluxo de calor em um injetor e é amplamente aceito como um índice padrão de intercambiabilidade entre os gases. Ele é utilizado para comparar a produção térmica de um equipamento utilizando combustíveis gasosos de diferentes composições.” (PINHEIRO e CIMBLERIS, 2010, p. 1).
Existem correntes acadêmicas que criticam a utilização do índice de Wobbe,
pois o mesmo compara duas propriedades de um gás, não considerando fatores
como a pressão e a velocidade da combustão. Apesar disso, o número de Wobbe é
uma referência consolidada e utilizada, inclusive, em diversas normas mundiais para
a classificação dos gases combustíveis.
Seguindo a tendência das normas europeias a ABNT NBR 13723-1:2003
classifica os gases em primeira, segunda e terceira família de acordo com os seus
números de Wobbe, conforme Tabela 6.
Tabela 6 - Classificação dos gases
Classificação Exemplo Nº de Wobbe (MJ/m³)
Primeira família Gases manufaturados 21,0 a 23,7
21
Segunda família Gás Natural 51,1 a 56,5
Terceira família GLP 77,0 a 87,6
Fonte: ABNT NBR 13723-1:2003
Em geral os aparelhos utilizados no Brasil, são fabricados para os gases de
terceira família, podendo operar com gases da segunda ou terceira família através
da conversão do aparelho.
2.1.4 Reações de Combustão dos gases combustíveis
Como sabemos o gás natural é composto porcentagens de metano, etano e
inertes. Calculando a reação química separadamente de cada composto temos.
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O(Vapor)
C2H6 + 3,5 O2 2 CO2 + 3 H2O(Vapor)
O gás liquefeito de petróleo é composto por propano e/ou propeno e butano
e/ou buteno. Calculando a reação química de cada composto temos:
C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O(Vapor)
C4H10 + 3,5 O2 2 CO2 + 3 H2O(Vapor)
C3H6 + 4,5 O2 3 CO2 + 3 H2O(Vapor)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O(Vapor)
C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O(Vapor)
Como o gás natural tem composição conforme Tabela 2 e o GLP conforme
Tabela 4, podemos calcular o oxigênio teórico necessário para a combustão de um
mol e um m³ de gás combustível.
Tabela 7 - Relação oxigênio teórico e combustível
Combustível Unidade Oxigênio (O2) teórico
1 mol de GN
1 m³ de GN
% mol
% Vol
1,975
2,514
1 mol de GLP % mol 5,870
22
1 m³ de GLP % Vol 7,631
Fonte: Cálculos realizados nesse trabalho.
2.1.5 Demanda volumétrica de combustível e de Ar
Segundo (SERFATY, 20__, p. 20) “Cada combustível necessita de uma
quantidade exata de ar para queimar completamente. Essa quantidade depende dos
teores de C e H [Carbono e Hidrogênio] que o combustível contém, e é definida pela
relação ar-combustível.”.
A composição do ar atmosférico é apresentada na Tabela 8
Tabela 8 - Composição do ar atmosférico
Composição Unidade Valor
Nitrogênio (N2) % Vol
% Massa
[%mol]
79,1
76,8
[79,1]
Oxigênio (O2) % Vol
% Massa
[%mol]
20,9
23,2
[20,9]
Fonte: (MONTEIRO e SILVA, 2010, p. 62)
Analisando a Tabela 8 podemos concluir que para cada mol de oxigênio (O2)
envolvido na reação de combustão teremos aproximadamente 3,76 mols de
nitrogênio (N2). De modo que podemos montar a Tabela 9 que relaciona o volume
requerido de oxigênio com o volume ar.
Tabela 9 – Relação entre Volume de O2 e Volume de Ar
m³ de O2 m³ de Ar
1 3,76
Fonte: Cálculos realizados no trabalho.
A condição onde utilizamos a quantidade exata de ar para a queima completa
do combustível denomina-se ar estequiométrico ou teórico. Segundo (VIEIRA e
GARCIA, 2005, p. 85) essa condição “[...] é difícil de acontecer [...] porque as
23
moléculas de combustível e as moléculas de oxigênio precisam entrar em contato
físico para haver reação.”.
Esse contato entre as moléculas do combustível com o comburente, é
dificultada, pois como citado, existem mais moléculas de nitrogênio no ar do que de
oxigênio, o que requer que a mistura ar-combustível seja muito bem realizada.
Segundo (SERFATY, 20__, p. 18) “Devido a ineficiência na fase da mistura
do combustível com o ar, nem todo o ar estequiométrico vai participar da reação de
combustão [...] Desta forma haverá falta de ar e a combustão será incompleta.”
Essa combustão incompleta, como vimos anteriormente, leva a formação de
monóxido de carbono (CO) e fuligem. Portanto, para evitar a formação desses
compostos, costuma-se operar com excesso de ar.
Nos aparelhos domésticos o excesso de ar segundo (FULFORD, 1996, p. 5) é
de 50 %.
Como vimos no tópico 2.1.4 cada reação gera uma quantidade de energia,
denominada PCS (poder calorifico superior), podemos relacionar a potência
requerida por um queimador através da equação ( 2 )
Q= Potn . PCS
( 2 )
Onde Q é a vazão em m³/h de gás, Pot é a potência nominal do queimador
em kcal/h, n é a eficiência do queimador e é adimensional e o PCS é o poder
calorifico superior em kcal/m³.
Com o resultado da equação ( 2 ), relacionado com a Tabela 7, temos a
vazão de oxigênio teórico, relacionando esse valor com a Tabela 9 temos a vazão
do ar teórico, que após aplicarmos o excesso de ar teremos a vazão de ar real. A
seguir, exemplificamos esse cálculo através dos exemplos estudos 1 e 2.
Por exemplo, temos o estudo 14, um queimador de gás natural com potência
de 1,16 kW (1000 kcal/h) com eficiência de 0,6, operando com 50% de excesso de
ar, temos:
Vazão necessária de combustível dada pela equação ( 2 ):
4 Esses estudos estão referenciados pois serão utilizados no desenvolvimento do trabalho.
24
Q= Potn . PCS
= 10000,6 .8765
=0,19m3/h
Através da Tabela 7 temos a quantidade de oxigênio necessária:
1 m --------- 2,514 m³ ³0,19 m / h------------ Q³ O2QO2 = 0,4779m /h³
Através da Tabela 9 podemos calcular a vazão de Ar teórico (QAr.t):
1 m de O³ 2 --------- 3,76 m de ar³0,4738 m / h de O³ 2 ------------ QAr.tQAr.t = 1,7970 m /h³
Aplicando o excesso de Ar, temos a vazão real de Ar (QAr):
QAr=1,5QAr .t=1,5 .1,7815
QAr=2,6956m ³/h
Como estudo 2, temos um queimador nas mesmas condições do estudo 1,
porém operando com GLP.
Vazão necessária de combustível dada pela equação ( 2 ):
Q= Potn . PCS
= 10000,6 .26844
=0,062m3/h
Através da Tabela 7 temos a quantidade de oxigênio necessária:
1 m de GLP --------- 7,631 m de O³ ³ 20,19 m / h de GLP ------------ Q³ O2QO2 = 0,4738 m /h³
Através da Tabela 9 podemos calcular a vazão de Ar teórico (QAr.t):
25
1 m de O³ 2 --------- 3,76 m de ar³0,4738 m / h de O³ 2 ------------ QAr.tQAr.t = 1,7815 m /h³
Aplicando o excesso de Ar, temos a vazão real de Ar (QAr):
QAr=1,5QAr .t=1,5 .1,7815
QAr=2,6722m ³ /h
Através dos cálculos realizados podemos montar a Tabela 10, que resume os
valores obtidos nesses exemplos de estudos.
Tabela 10 – Tabela Resumo dos estudos exemplos
Combustível Vazão de Gás (m³/h) Vazão de Ar (m³/h)
GN 0,19 2,6956
GLP 0,062 2,6722
Fonte: Cálculos realizados nesse trabalho.
2.2 DINÂMICA DOS FLUIDOS APLICADA
O principal pilar da dinâmica dos fluidos newtonianos é o princípio da
conservação da massa. Segundo esse princípio em um escoamento de fluido
uniforme o fluxo de massa é constante independente da secção transversal. De
maneira simplificada, podemos descrever esse fenômeno através da equação ( 3 ).
V 1 A1ρ1=V 2 A2ρ2 ( 3 )
Onde V é a velocidade, A é a área da secção e ρ é a massa especifica.
Nos escoamentos tidos como ideais, ou seja sem perdas de energia, outro
pilar importante da teoria da dinâmica dos fluidos é a conservação de energia.
Através desse princípio que Bernoulli desenvolveu uma equação que descreve a
conservação de energia em fluidos incompressíveis, atualmente denominada
equação de Bernoulli, e demostrada na equação X
26
Equação de Bernoulli
Em um escoamento real existem forças resistivas ao movimento do fluido,
como o atrito com a parede do tubo. Para manter o princípio de conservação da
massa há uma diminuição na densidade de energia de pressão, conhecido como
perda de carga (hf) que é aplicado a equação de Bernoulli para descrever um fluxo
real, a equação X é a equação corrigida para o fluxo real.
Equação de Bernoulli corrigida
Para calcularmos a perda de carga, primeiro temos que conhecer o
comportamento do escoamento do fluido. Existe um número adimensional que pode
ser relacionado com o tipo de escoamento, laminar ou turbulento, esse número é
conhecido como número de Reynolds e é descrito pela equação X
Equação n° de Reynolds
A Tabela 11 relaciona o tipo de escoamento com o número de Reynolds.
Tabela 11 – Tipo de escoamento x nº de Reynolds
Escoamento Nº de Reynolds (Re)
Laminar Re < 2400
Indeterminado 2400 < Re < 4800
Turbulento Re > 4800
Fonte: XXXXXX
Com o número de Reynolds podemos calcular o fator de fricção, no caso de
escoamento laminar, conhecido também como fator de atrito de Darcy, através da
equação X.
Atrito de Darcy
Para o escoamento turbulento é necessário conhecer o a rugosidade relativa
da parede do tubo para consulta ao diagrama de Moody, demonstrado na figura x.
27
Diagrama de Moody
Com essas informações a perda de carga pode ser calculada através da
equação de Darcy.
Equação de Darcy
Essa equação descreve a perda de carga em tubulações, nos acidentes das
tubulações é usual utilizarmos o método do comprimento equivalente, que somado
ao comprimento da linha nos fornece um comprimento total que pode ser utilizado
na equação de Darcy.
2.2.1 Comportamento de fluidos compressíveis
Como vimos no tópico anterior a equação de Bernoulli foi deduzida para
modelos de fluidos incompressíveis. Em se tratando de gases compressíveis a
massa especifica ρ e peso especifico γ varia de acordo com o estado termodinâmico
em cada seção. De modo que deve ser introduzido um coeficiente que leve em
conta este fenômeno.
Através da equação de energia temos que o aumento da energia total,
quando uma unidade de massa passa da seção A1 para a seção A2, é igual ao
trabalho efetuado mais o calor acrescentado. De modo que tempos:
ut 2−ut1= (P1V 1−P2V 2 )+(h1−h2 ) g+qh
Onde ut é a energia total por unidade de massa, P é a pressão, V é o volume,
h a altura, g a gravidade e qh o calor acrescentado.
Considerando h1=h2 e qh=0, podemos simplificar a equação x. Sabendo que
ut=uc−u i, onde uc é a energia cinética por unidade de massa e ui é a energia interna
por unidade de massa. Considerando que a mudança de estado entre a Seção A1
para a seção A2 é uma transformação adiabática, temos:
28
PV k=Constante
Reescrevendo a equação da energia temos:
P1ρ1
+V 12
2+ui1=
P2ρ2
+V 22
2+u i2
Sabendo que por definição a entalpia H é dada por:
H= Pρ+ui
Temos,
V 22
2−V 12
2=H 1−H 2
Considerando o fluido como gás perfeito:
∆ H=∫p1
p2
ϑ (dp )
Integrando temos:
∆ H=c' P1
(k−1)k
.k
k−1 [1−(P2P1 )(k−1)k ]
Substituído a equação x em Y temos a formula de Wantzel.
V 22−V 1
2=2P1ρ1
.k
k−1 [1−( P2P1 )( k−1)k ]
Levando em conta a equação da continuidade de massa temos:
29
V 1 A1ρ1=V 2 A2ρ2
Fazendo β=A2A1
podemos escrever a velocidade V1 da seguinte maneira:
V 1=β2ρ2ρ1
V 2
A relação entre massas especificas é dada pela seguinte equação:
ρ2ρ1
=( P2P1 )1k
De modo que:
V 12=β4 (P2P1 )
2kV 2
2
Substituindo na equação de Wantzel temos:
V 2={ 2P1
ρ1[1−β4( P2P1 )2k ].
kk−1 [1−(P2P1 )
(k−1)k ]}
12
A vazão mássica é dada por:
Qm=V 2 A2 ρ2
Utilizando a equação y e z, temos
Qm=A2{ 2P1ρ1
[1−β4( P2P1 )2k ].
kk−1 [1−( P2P1 )
(k−1 )k ](( P2P1 )
2k )}
12
30
Multiplicando e dividindo a equação acima pelo valor:
C√2 (P1−P2 )√1−β4
Temos:
Qm=C A2√2 (P1−P2 ) ρ1 .1
√1−β4.{ P1P1−P2
.1−β4
1−β4(P2P1 )2k
.k
k−1 [1−( P2P1 )( k−1 )k ](P2P1 )
2k }12
Chamando todo o termo entre parênteses de ε temos e E= 1
√1−β4
Qm=CE. A2 . ε .√2 (P1−P2 ) ρ1∎ ( 3 )
2.2.2 Fluxo através de um orifício
Apresentar equações empíricas que descrevem o fluxo de gás através de
orifício discutindo
2.3 APARELHOS DOMESTICOS DE COCÇÃO A GÁS
A ABNT NBR 13723-1:2003 define aparelho doméstico de cocção, como
sendo o “Aparelho de cocção que é destinado a se2r usado em um ambiente
doméstico. Isto deve ser informado nas instruções de utilização, bem como nas
instruções de assistência técnica.”.
Nesse trabalho, estudaremos as peças internas e externas que compões o
fogão e que estão diretamente envolvidas no processo de combustão dos gases.
31
São elas o queimador, composto pelo injetor, corpo (tubo de mistura) e espalhador;
e trempe.
(Imagem com a vista explodida das partes)
2.3.1 Registro
O registro é uma válvula de bloqueio e controle do fluxo de gás, apesar de
não ser um nome convencionalmente aceito na engenharia a Norma ABNT NBR
13723-1:2003 oficializa o termo através da definição apresentada no trecho da
norma a seguir:
Figura 4 – Peças do Fogão: Registro do Fogão
Fonte: fotografada
“Registro (tap): Dispositivo destinado a isolar o fornecimento
de gás para um queimador e eventualmente ajustar a sua vazão de
gás durante o uso.”
O registro tem a função de introduzir uma perda de carga ao sistema, esse
controle de pressão a jusante dessa válvula tem a função de controlar o fluxo de gás
no queimador, veremos detalhadamente essa influência no tópico 2.3.3.
Essa perda de carga é resultante da variação da secção de passagem do
gás. Logo concluímos que o projeto de um registro para um gás que necessita de
menores vazões não pode ser o mesmo projeto de um registro de um gás que
necessita de maiores vazões.
... ... ...
2.3.2 Tubulação interna
32
A tubulação interna é o elemento responsável por conduzir o gás combustível
da saída do registro até a base do queimador, onde encontra-se injetor.
Para cálculo da perda de carga resultante do escoamento do gás nessa
tubulação será utilizado a versão empírica da equação de Bernoulli, dada pela
equação ( 4 ), para o gás natural e a equação X para GLP apresentada na
metodologia de dimensionamento de tubos de condução de gases combustíveis da
norma ABNT NBR 15526:2012.
Q0,9=2,22.10−2√ H . D4,8
S0,8 . L( 4 )
Pa−Pb=2273 . S .L .Q1,82
D4( 5 )
2.3.3 Injetor
O injetor, Figura 5, é um componente do queimador, que possui geometria
diferenciada de acordo com o seu projeto, sua função é regular a passagem do gás
para o interior do queimador.
Figura 5 – Peças do fogão: Injetor: Diferentes geometrias
Fonte: (FULFORD, 1996)
Devido a importância de sua função no aparelho Gattei (2008, pg.2) afirma
que “esse componente pode ser considerado o coração do fogão a gás.”.
Uma versão empírica do teorema de Bernoulli é apresentada em (FULFORD,
1996, p. 2), equação ( 5 ), que define a vazão de gás (Q), em função do coeficiente
33
de descarga (cd), Área do orifício (Ao), pressão do gás a montante do orifício (p) e o
peso especifico do gás combustível (ρ).
Q=0,0467Cd Ao√ pρ
( 5 )
Analisando a equação ( 5 ) notamos que a vazão de um gás através de um
injetor (orifício) é proporcional a dimensão do orifício e a raiz da pressão a montante
do mesmo, e inversamente proporcional a raiz do peso especifico do gás
combustível.
Por sua vez, o coeficiente de descarga é um número empírico que depende
da geometria do orifício, sendo um fator que minora a vazão de gás e é utilizado
para corrigir o efeito do fluxo de gás através de um orifício, como uma forma de
compensação, por exemplo, do efeito contração.
Figura 6 - Efeito de contração no orifício
Fonte: (FULFORD, 1996)
Esse efeito é explicado por (SIMÕES, 20__, p. 2) “Na seção contraída a
velocidade é elevada e a pressão bastante baixa, chegando a ser menor do que a
pressão atmosférica local.”. Nessas condições o fluxo na extremidade do orifício cria
zonas de turbulências que são responsáveis por esse efeito.
2.3.4 Misturadores
34
2.3.5 Espalhadores
2.3.6 Trempe
Trempe é o suporte colocado acima do queimador descoberto5, que suporta
os recipientes a serem aquecidos e os mantém a uma determinada distância do
queimador.
Figura 7 – Peças do fogão: Trempe
Fonte: fotografada
Segundo (FULFORD, 1996, p. 16) “O correto posicionamento do objeto a
ser aquecido [...] é importante. [Pois] se o objeto estiver muito perto da
chama [...] a combustão é incompleta e a eficiência é reduzida. Se o objeto
estiver muito longe da chama, o calor é perdido para a atmosfera e o fogão
torna-se menos eficiente.”.
Sendo assim, podemos concluir que a posição correta que o recipiente deve
estar em relação a chama é no topo da mesma.
A altura da chama, por sua vez, depende de uma série de variáveis como
velocidade da mistura ar-combustível, pressão do gás, quantidade de ar primário,
entre outros.
2.3.7 Características higiênicas da chama
5 Queimadores descobertos são os queimadores da mesa do fogão no qual os recipientes a serem aquecidos encontram-se em contato direto com a chama.
35
Nesse tópico será apresentado todas as características de uma chama ideal
2.3.8 Conversão dos aparelhos de cocção a gás
A conversão de aparelhos a gás é definida na (ABNT, 2003, p. 3) como
“Operação realizada por um especialista em um aparelho no momento da mudança
de gás.”.
Em outro tópico, especificamente em (ABNT, 2003, p. 6, grifo nosso), a
Norma deixa em aberto qual o procedimento de conversão adequado, pois indica
que para se converter um aparelho “[...] recomenda-se conforme seja necessário:
substituição de injetores, injetores pilotos [...] [e demais peças do fogão que
interfiram na combustão].”
Sem uma referência normativa a conversão dos aparelhos a gás é realizada
com base nas informações dos fabricantes, práticas consolidadas de mercado, ou
novas práticas de mercado, e ainda métodos grosseiros de ajuste. A seguir listamos
Método 1: Consiste na troca do registro e do injetor, é o método
recomendado pelo fabricante do aparelho e consolidado através das
práticas de mercado;
Método 2: Consiste na troca somente do injetor, é o método que está
sendo utilizado por companhias de gás e algumas empresas
instaladoras;
Método 3: Consiste na usinagem manual do orifício do injetor, técnica
conhecida como “calibragem” do injetor, esse método é utilizado
quando da falta de peças adequadas para a realização da conversão,
é uma pratica adotada por algumas empresas instaladoras e não é
recomendada pelo fabricante e nem pelas companhias de gás.
Elencar os métodos de conversão utilizados no mercado. Proposta de um
novo método
(Dúvida se essa proposta entraria aqui)
2.3.9 Principais problemas pós conversão
36
Listar os principais problemas decorrente da conversão dos aparelhos a gás.
Analisando as suas causas.
Velocidade d epropagação de chama definida em serfaty pg 9
37
3 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
(Tenho o procedimento do experimento, bem como a folha de coleta dos
dados, já elaborada, isso entraria aqui ou como anexo?)
Cada método de conversão será avaliado teoricamente e experimentalmente
após a análise dos resultados obtidos nos experimentos.
38
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
39
REFERÊNCIAS
5 Referências
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Aparelhos domésticos
de cocção a gás Parte 1: Desempenho e segurança, Rio de Janeiro, 2003.
COELHO, P. M.; PINHO, C. Considerations About Equations for Steady
State Flow in Natural Gas Pipelines, Porto, September 2007.
DELMÉE, G. J. Manual de Medição de Vazão. 2ª. ed. São Paulo: Edgard
Blucher Ltda., 1982.
FULFORD, D. Biogas Stove Design, 1996.
LIQUIGÁS DISTRIBUIDORA S.A. Site da Liquigás Distribuidora S.A, 2008.
Disponivel em: <https://www.liquigas.com.br>. Acesso em: 22 mar. 2015.
NACIONAL GÁS BUTANO DISTRIBUIDODA LTDA. Site da Nacional Gás
Butano Distribuidoda Ltda, 2015. Disponivel em:
<http://http://www.nacionalgas.com.br>. Acesso em: 22 mar. 2015.
PINHEIRO, P. C. D. C.; CIMBLERIS, B. Novo Número Adimensional
Característico dos Fenômenos da Combustão, Campina Grande, 18 - 21 Agosto
2010.
SERFATY, R. Combustao e Queimadores, Rio de Janeiro, 20__.
SIMÕES, J. G. F. Foronomia: Bocais, 20__.
VIEIRA, P. L.; GARCIA, C. B. Gás Natural: benefícios ambientais no estado
da Bahia. Salvador: Solisluna Design e Editora, 2005.
40
41
ANEXO(S)
42
GLOSSÁRIO
(Este campo é opcional, devemos mantê-lo?)
43
ÍNDICE(S)
(Este campo é opcional, devemos mantê-lo?)