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PRH-37Engenharia Mecânica para o
Uso Eficiente de Biocombustíveis
Professor Osmano Valente
PRH-37UFRJ
Julho2013
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“ÓLEOS VEGETAIS E DE FRITURA TRANSESTERIFICADOS E O BIODIESEL:
INFLUÊNCIA DE SUAS CARACTERÍSTICAS NO CONSUMO E EMISSÕES DE MOTOR DIESEL
ACOPLADO A GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA.“
Professor Osmano Valente
PRH-37UFRJ
Julho2013
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Professor Osmano Valente
PRH-37UFRJ
� Análise e projeto de sistemas de armazenamento e transporte;
O PRH-37: "Engenharia Mecânica para o uso Eficiente de Biocombustíveis", visa fornecer ao aluno um conjunto de conhecimentos fundamentais necessários à formação de engenheiros mecânicos que desejem
atuar como especialistas em equipamentos e sistemas para transporte, armazenamento e uso de biocombustíveis. Essencialmente os alunos formados desenvolverão ter capacidade para atuar nos seguintes temas voltados para o uso eficiente de biocombustíveis:
�Análise de desempenho e durabilidade de máquinas térmicas;
�Análise de emissão e dispersão de poluentes;
�Otimização de sistemas de co-geração de energia;
� Modelagem e simulação computacional.
Desta forma, o PRH-37 visa aglutinar a recente demanda de conhecimento nas áreas de Biocombustíveis eEficiência Energéticas, já existente na EM/UFRJ, associada à uma demanda mundial pelo melhor
aproveitamento das fontes fósseis de energia e do recente uso de biocombustíveis, no sentido de
uma otimização dos equipamentos atualmente existentes para seu uso e na minimizaçãodos efeitos ao meio ambiente.
Julho2013
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PRH-37UFRJ
� Análise e projeto de sistemas de armazenamento e transporte;
�Análise de desempenho e durabilidade de máquinas térmicas;
�Análise de emissão e dispersão de poluentes;
�Otimização de sistemas de co-geração de energia;
� Modelagem e simulação computacional.
Julho2013
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PRH-37UFRJ
ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MÁQUINAS TÉRMICAS
Julho2013
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PRH-37UFRJ
COMBUSTÍVEL DIESEL – COMPOSIÇÃO
Julho2013
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COMBUSTÍVEL DIESEL
Cetano: C16H34
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COMPOSIÇÃO DOS ÓLEOS VEGETAIS
�Ácidos graxos livres
�Glicerol
�Mono, di e triglicerídeos
�Fosfolipídios
�Lipoproteínas
�Glicolipídios
�Cera
�Terpenos (C10H603 e C8H1204)
�Outros compostosJulho2013
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Os óleos vegetais e as gorduras de origem animal são triglicerídeos,isto é, ésteres neutros de glicerol e ácidos graxos de cadeia longa.
Esquerda: Glicerol ou GlicerinaDireita: Ácido Palmítico, Ácido Oléico e Ácido Linolênico.
O processo de transesterificação separa os ésteres da glicerina
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Glicerina é um subproduto com aplicações no campo da farmácia e outras indústrias
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Fonte: CETEC-MG
COMPOSIÇÃO DOS ÓLEOS VEGETAIS
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Fonte: CETEC-MG
COMPOSIÇÃO DOS ÓLEOS VEGETAIS
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MASSA MOLAR
MAMONA – 292,85 g/mol SOJA – 268,67 g/mol
DIESEL – 230,09 g/mol
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ÓLEO VEGETAL Ricinoléico Óleo de Mamona
MAMONA g/mol
Ricinoléico 85,00% 298,46 253,69
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ÓLEO VEGETAL
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ÓLEO VEGETAL
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ÓLEO VEGETAL
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ÓLEO VEGETAL
SOJA
SOJA (g/mol)Linoléico 51,20% 280,45 143,5904
Óleico 23,50% 282,42 66,3687
Palmítico 11,00% 256,42 28,206285,70% 238,1653
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ÓLEO VEGETAL
MAMONA – 253,7 g/mol
85% óleo
SOJA – 238,17 g/mol
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COMBUSTÍVEL DIESEL
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Óleo DieselResolução ANP
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BiodieselResolução ANP
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ÓLEO TRANSESTERIFICADOS
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ÓLEO TRANSESTERIFICADOS
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ÓLEO TRANSESTERIFICADOS
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PRH-37UFRJ
CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
Índice de Cetano
Um método de determinação do IC é regulamentado pela norma ASTM D4737(ASTM International, 2004) e utiliza três pontos da curva de destilação. A equaçãopara cálculo utilizando três pontos é mostrada a seguir (Owen and Coley, 1995).Esta equação mostra-se inadequada para determinação do IC de combustíveistratados com aditivos oxigenados para aumentar o número de cetano.
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PRH-37UFRJ
ÓLEO TRANSESTERIFICADOS
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PRH-37UFRJ
Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Julho2013
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PRH-37UFRJ
BOMBA INJETORA (VOLUMÉTRICA)
INJETOR
Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
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PRH-37UFRJ
Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Desempenho do Motor
Características do Combustível
Partida Número de Cetano – maior
Ruído
Atrito (Lubricidade ) Viscosidade Cinemática - maior
Potência •Viscosidade Cinemática - menor•Poder Calorífico – maior•Estabilidade químicaConsumo
Operação em baixa Temperatura Teor menor de ceras e de Parafina
Emissões de NOx e Particulados Viscosidade Cinemática - menor
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PRH-37UFRJ
Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Fd=Τ
Torque
O torque (N.m) é dado pelo produto daforça (N) produzida pelo motor paravencer a carga resistiva imposta pelodinamômetro, mantendo a velocidade derotação do eixo, e a distância (m) doponto de aplicação desta força à linha decentro do eixo:
Fd=Τ
Fd=Τ
Potência
Potência de frenagem (W) é apotência disponível no eixo de ummotor de combustão interna. Édada pelo produto do torque defrenagem e a velocidade derotação do eixo do motor:
ωΤ=bP
Julho2013
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Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Fd=Τ
Pressão Média Efetiva
A pressão média efetiva relacionao trabalho desenvolvido por ciclo eo volume deslocado peloscilindros do motor; é calculadaconsiderando no torque defrenagem ou na potênciadisponível no eixo de motor:
Fd=Τ
ωdcil
bR
dcil
R
N
Pn
N
nBMEP
∀=
∀
Τ=
ωωωωNNNNPPPPnnnn
NNNNΤΤΤΤnnnn
BMEPBMEPBMEPBMEPddddcilcilcilcilbbbbRRRR
ddddcilcilcilcilRRRR
∀∀∀∀====
∀∀∀∀====
BMPE – pressão média efetiva de frenagem (Pa)ηR – número de revoluções por cicloNCil – número de cilindros
Vd – volume deslocado por um cilindro (m3)
dt
d
dt
dmm F
FF
F
∀== ρ&
Consumo Específico de Combustível
Medida mais representativa dodesempenho do motor; relaciona aquantidade de combustívelconsumido por unidade depotência produzida pelo motor:
bbbbFFFF
PPPPmmmm
SFCSFCSFCSFC&
====
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PRH-37UFRJ
Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Fd=Τ
Eficiência de Conversão do Combustível
A eficiência de conversão docombustível relaciona o trabalhoproduzido pelo motor por ciclo e aenergia disponibilizada pelocombustível, representada pelasua entalpia de reação ou calor decombustão:
Fd=Τ
ωdcil
bR
dcil
R
N
Pn
N
nBMEP
∀=
∀
Τ=
ηF – eficiência de conversão do combustível (adimensional)QLHV – poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)Pi – potência indicada do motor (W)mF – escoamento de massa de combustível para o motor (kg/s)
dt
d
dt
dmm F
FF
F
∀== ρ&
b
F
P
mSFC
&=
LHVLHVLHVLHVFFFF iiiiFFFF QQQQmmmmPPPPηηηη
&====
•Eficiência MecânicaEficiência mecânica
mηrelaciona a potência disponível no eixo do motor e a e a potência indicada:
Eficiência Mecânica
Eficiência mecânica relaciona a potência disponível no eixo do
motor e a e a potência indicada:
FFFFtttt
iiiibbbb
mmmm ηηηηηηηη
PPPPPPPPηηηη ========
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Máquina de combustão interna por compressãoMOTOR DIESEL
Fd=Τ
Eficiência Volumétrica
A eficiência volumétrica relacionaa massa de ar real admitida porciclo do motor e a massa queocuparia o volume deslocado emum estado padrão de referência:
Fd=Τ
ωdcil
bR
dcil
R
N
Pn
N
nBMEP
∀=
∀
Τ=
ma – massa de ar admitido por ciclo (kg)ρ a,0 – escoamento de massa de combustível para o motor (kg/s)
dt
d
dt
dmm F
FF
F
∀== ρ&
b
F
P
mSFC
&= •Eficiência Mecânica
Eficiência mecânica
mηrelaciona a potência disponível no eixo do motor e a e a potência indicada:
Eficiência Térmica
A eficiência térmica do ciclorelaciona a potência disponível noeixo do motor e a energia liberadana combustão:
ddddcilcilcilcila,0a,0a,0a,0aaaa
vvvv NNNNρρρρmmmmηηηη
∀∀∀∀==== LHVLHVLHVLHVFFFF
bbbbtttt QQQQmmmm
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====
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O PROCESSO DE COMBUSTÃO
COMPONENTE
CONCENTRAÇÃO
(ppm/Volume)
MASSA
MOLECULAR
(kg/kmol)
FRAÇÃO
MOLAR
RAZÃO
MOLAR
Nitrogênio 780.900 28,012 0,7905 1,000
Oxigênio 209.500 31,998 0,2095 3,773
Argônio 9.300 38,948 -
Dióxido de Carbono 300 40,009 -
AR 1.000.000 28,962 1,0000 4,377
Principais componentes do ar seco.
Fonte: Heywood, 1988
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O PROCESSO DE COMBUSTÃO
Razão estequiométrica é a relação entre a massa de ar e massa de combustível queproporciona uma reação de combustão completa, ou seja,resulta únicamente dióxido de carbono (CO2), vapor d’água(H2O) e nitrogênio (N2) como produtos da combustão.
A razão ar/combustível É a razão entre a massa de ar e a massa de combustíveladmitida pelo motor por ciclo.
FFFFaaaa
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1111
mmmmmmmm
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====
−−−−
(((( ))))222224
5467277332 N,OHCON,OCH ++++++++→→→→++++++++
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O PROCESSO DE COMBUSTÃO
Razão de equivalência da mistura É a relação entre a razão ar/combustível admitida pelomotor e a razão ar/combustível estequiométrica para omesmo combustível.
( )( )
sFA
FA=λ
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O PROCESSO DE COMBUSTÃOFORMAÇÃO E EMISSÕES DE POLUENTES
�Depende, fundamentalmente, da proporção entre ocombustível e o ar que alimentam o motor, bem como, daintegralidade da combustão.�Os motores a combustão interna com ignição por compressãooperam com uma razão combustível/ar extremamente pobre.�A queima do combustível é quase completa – cerca de 98%de eficiência.�A equação da combustão, considerados os dez elementosmais significativos em concentração:
(((( ))))
OOOOHHHHnnnnOHOHOHOHnnnnNONONONOnnnnNNNNnnnnHHHHnnnn
HHHHnnnnOOOOnnnnOOOOnnnnCOCOCOCOnnnnCOCOCOCOnnnn3,76N3,76N3,76N3,76NOOOO4444nnnnnnnnφφφφ
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222210101010999988882222777722226666
555544442222333322222222111122222222HHHH
ccccrrrrnnnnnnnn HHHHcccc++++++++++++++++
++++++++++++++++++++→→→→++++
++++++++
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O PROCESSO DE COMBUSTÃOFORMAÇÃO E EMISSÕES DE POLUENTES
� Hidrocarbonetos Não Queimados (causas)1. O combustível misturado entre o início da sua injeção e o
início da combustão é mais pobre que o limite de misturapobre adequado para o motor.
2. Mistura do combustível com o ar insuficiente, devido à baixavelocidade do combustível ao sair dos furos do bico injetor.
� Óxidos de Nitrogênio1. A taxa de formação dos óxidos de nitrogênio depende da
temperatura atingida pelos gases durante a combustão,normalmente acima de 1600°C, e do tempo de permanênciados gases à alta temperatura.
2. Nos motores de combustão interna com ignição porcompressão o dióxido de nitrogênio pode atingir valoresentre 10 e 30% do total de óxidos de nitrogênio presentesnos gases da exaustão.
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
pn
fn
120=
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
Conversão Eletromecânica de Energia
O princípio da conservação de energia, juntamente com as leis de campos elétricose magnéticos, de circuitos elétricos e a segunda lei de Newton, é um meioadequado para determinar as relações que caracterizam a conversãoeletromecânica de energia (Fitzgerald, 1975).
++++
++++
====
CalorCalorCalorCalorConvertidaConvertidaConvertidaConvertidaEnergiaEnergiaEnergiaEnergia
MagnéticoMagnéticoMagnéticoMagnéticoCampoCampoCampoCampoArmazenadaArmazenadaArmazenadaArmazenadaEnergiaEnergiaEnergiaEnergia
ElétricaElétricaElétricaElétricaEnergiaEnergiaEnergiaEnergiadedededeSaídaSaídaSaídaSaída
MecânicaMecânicaMecânicaMecânicaEnergiaEnergiaEnergiaEnergiadedededeEntradaEntradaEntradaEntrada
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
Conversão Eletromecânica de Energia
Os geradores elétricos são máquinas rotativas constituídas de uma parte fixa –estator – e uma parte móvel – rotor. Um grupo de bobinas, denominado armadura,interligadas de modo que as tensões nelas induzidas contribuam positivamente parao resultado final, são enroladas em um núcleo de ferro visando minimizar as perdasde energia devido ao fluxo magnético. O circuito magnético é completado pelo ferrode outra parte da máquina onde se localizam as bobinas de excitação, tambémchamadas bobinas de campo
( ) tVtV ωsinmax
=
=
602
nnf
p
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
SIGLA COMPOSIÇÃO
B0 Óleo diesel mineral puro
B5M Mistura de 5% de biodiesel de mamona e 95% de óleo diesel mineral
B5S Mistura de 5% de biodiesel de soja e 95% de óleo diesel mineral
B20M Mistura de 20% de biodiesel de mamona e 80% de óleo diesel mineral
B20S Mistura de 20% de biodiesel de soja e 80% de óleo diesel mineral
B35M Mistura de 35% de biodiesel de mamona e 65% de óleo diesel mineral
B35S Mistura de 35% de biodiesel de soja e 65% de óleo diesel mineral
B50S Mistura de 50% de biodiesel de soja e 50% de óleo diesel mineral
B85S Mistura de 85% de biodiesel de soja e 15% de óleo diesel mineral
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
CARGA ELÉTRICA (kW) TEMPO DE TESTE (min)
0 30
10 20
20 15
30 10
37,5 5
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CO-GERAÇÃO DE ENERGIAGRUPO MOTOR DIESEL E GERADOR
DIESEL
ENGINE
GENERATOR
Three-phase
220V– 60 Hz
LOAD
CONTROL
Load Control • Load Control Module`s
circuit
Fuel Mass Meter • Electronic Scale
Air flow meter
• Orifice Plate
Humidity Meter • Thermohygrometer
Temperature Meters
Resistance
Thermometer
• Cooling System`s
inlet and outlet
• Fuel Tank
Electrical Parameters
Meter • UPD-200 Transducer
Temperature Meters
Thermocouples
• Admission
• Exhaust
• Ambient
GASEOUS FUELS
INJECTION CONTROL
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ETANOL
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MASSA MOLAR
MAMONA – 292,85 g/mol
SOJA – 268,67 g/mol
DIESEL – 230,09 g/mol
Novembro2012
ETANOL – 46,06 g/mol
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Professor Osmano Valente
PRH-37UFRJ
MASSA ESPECÍFICA (kg/m3 a 20°C)
BIODIESEL – 850 a 900
EAC – 751,5 máx.EHC – 807,6 a 811,0
DIESEL (S50) – 850,0 a 860,0DIESEL (S500) – 820,0 a 872,0
Julho2013
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GRUPO MOTOR DIESEL E GERADORDBE
0 10 20 30 40POTÊNCIA (kW)
0
2
4
6
8
10
CO
NS
UM
O (
kg/h
)
D5BFit 1: D5BD5B5EFit 2: D5B5ED5B10EFit 3: D5B10ED5B15EFit 4: D5B15E
Julho2013
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GRUPO MOTOR DIESEL E GERADORDBE
Julho2013
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Julho2013
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Julho2013