Download - Relatório Poder Calorífico
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANE CLARISSE CANUTO ALVES DE LIMA
CARLOS HENRIQUE DA SILVA
LEANDRO VANDERLEY DOS PASSOS ALVES
SANDINO LAMARCA SANTOS SOUZA
RELATÓRIO DA VISITA AO LABORATÓRIO
OBTENÇÃO DO PODER CALORÍFICO
RECIFE
2015
Sumário 1 Introdução .......................................................................................................................... 2
2 Objetivos ............................................................................................................................. 2
2.1 Objetivos Gerais ....................................................................................................... 2
2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................. 2
3 Metodologia ....................................................................................................................... 3
3.1 Bomba Calorimétrica ............................................................................................... 3
3.2 Combustíveis ............................................................................................................. 6
4 Análise dos Resultados e Cálculo da Incerteza ....................................................... 7
4.1 Resultado do Experimento .................................................................................... 7
4.2 Análise do bagaço de Cana ................................................................................... 9
4.3 Análise do B10 ........................................................................................................ 10
4.4 Cálculo das Incertezas .......................................................................................... 12
4.5 Incerteza do Bagaço de Cana ............................................................................. 12
4.6 Incerteza do B10 ..................................................................................................... 13
5 Conclusão ........................................................................................................................ 14
6 Referência Bibliográficas ............................................................................................. 15
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1 Introdução
O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade
de energia interna contida no combustível, sendo que quanto mais alto for o
poder calorífico, maior será a energia contida [1]. Há dois tipos de poder
calorífico, o superior e o inferior.
O Poder Calorífico Superior é a quantidade de calor produzida por 1
kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os
gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja
condensado. O Poder Calorífico Inferior difere do superior porque os gases de
descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a
água contida na combustão seja condensada. [1]
Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nos
motores endotérmicos, a água contida neles se encontra sempre no estado de
vapor, portanto, o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o
superior. [1]
O conhecimento do poder calorífico é de fundamental importância
para escolher adequadamente a otimização de um processo combustão.
Também é de grande importância para a escolha correta de qual motor ou ciclo
utilizar.
2 Objetivos
2.1 Objetivos Gerais
Será realizado um procedimento na Bomba Calorimétrica para a obtenção
do poder calorífico superior e em seguida será feita uma avaliação da incerteza
dos valores obtidos de cada um dos combustíveis utilizados.
2.2 Objetivos Específicos
O objetivo da atividade realizada no laboratório foi obter o poder
calorífico de dois combustíveis, um sólido e um líquido. O combustível líquido a
ser analisado por esta equipe foi o Biodiesel (B10), mistura de diesel com o
3
biodiesel, em que o biodiesel é um combustível renovável, e o 10, de B10,
significa a porcentagem de biodiesel no diesel. O combustível sólido a ser
analisado é bagaço de cana.
Após a realização do experimento na bomba calorimétrica, obtém o
poder calorífico superior e a partir dele calcula-se o inferior, e consulta na
literatura os valores encontrados. Por fim, deve-se calcular a incerteza do valor
obtido com o valor tabelado.
3 Metodologia
3.1 Bomba Calorimétrica
A bomba calorimétrica a qual o experimento foi realizado é a IKA® -
WERKE C2000 Basic, figura 1. A bomba é constituída por um vaso de pressão,
de aço inoxidável. A amostra do combustível é colocada em um cadinho que fica
suspenso dentro da bomba.
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Figura 1 - Bomba Calorimétrica IKA® - WERKE C2000 Basic.
Um mecanismo de ignição elétrica é preparado para operar a queima
de uma resistência, um fio de algodão de propriedades conhecidas, ver figura 2,
que provoca a combustão do combustível.
5
Figura 2 - Fio de algodão.
A bomba é resistente a altas temperaturas, tem uma válvula de
entrada por onde são adicionados oxigênio e contatos elétricos para dar início a
combustão. Após a colocação da amostra na bomba, ela é fechada e
pressurizada com oxigênio. Em seguida é colocado no calorímetro, que é isolado
e coberto com água. Um agitador é usado para homogeneizar a temperatura dos
componentes dentro do calorímetro. Quando todos estão a uma mesma
temperatura, inicia-se a reação de combustão com a passagem de corrente
elétrica no fio de algodão em contato com a amostra. Quando o fio esquenta o
suficiente, a amostra entra em combustão e o calor liberado provocará o
aumento da temperatura no sistema calorimétrico. As reações dão realizadas
sob volume constante, o calor transferido corresponde à variação de energia
interna.
O calor da combustão é calculado usando a capacidade calorífica do
calorímetro, Ccal, e a variação da temperatura na bomba, ΔT. O O2 é fornecido
a 30 bar, valor grande para garantir a inserção de ar o suficiente na câmera e,
assim a combustão completa. Menos de 20 bar não é recomendado colocar.
Além disso, em relação à massa, deve ser colocar algo entre 0,4 – 1 g de
combustível para não danificar a estrutura do equipamento. Para a calibração do
equipamento são utilizadas pastilhas de ácido benzoico com 20J/g.
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3.2 Combustíveis
Para o experimento, será realizado um teste na bomba para um
combustível sólido e outro líquido. Os combustíveis sólidos podem ser os mais
variados possíveis, exemplo, grama seca, folhas de árvores, etc. Mas como todo
combustível, é necessário que ele desprenda muita quantidade de
energia/grama, seja fácil de produzir e que tenha em abundância na natureza. O
combustível sólido utilizado neste experimento foi o bagaço de cana, figura 3.
Figura 3 - Bagaço de cana.
O combustível líquido utilizado foi o Biodiesel B10. O óleo diesel é um
derivado da destilação do petróleo bruto usa do como combustível
nos motores Diesel, constituído basicamente por hidrocarbonetos e baixas
concentrações de enxofre, nitrogênio e oxigênio. O diesel é selecionado de
acordo com suas características de ignição e de escoamento, adequadas ao
funcionamento dos motores ciclo diesel. É um produto pouco inflamável,
medianamente tóxico, pouco volátil, límpido, isento de material em suspensão e
com odor forte e característico.
Um dos inconvenientes de usar apenas o biodiesel nos motores é a
sua baixa fluidez. A falta de fluidez do biodiesel pode impedir o seu escoamento
do tanque até a câmara de combustão do veículo, causando desde pequenas
falhas até sérios danos ao motor. Esta fluidez é influenciada tanto pela matéria-
prima utilizada na produção do biodiesel, como pelas condições de
temperatura e pressão atmosférica.
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Antes de colocar o combustível na Bomba é necessário pesá-lo. Para
isso, utilizou-se uma Balança Analítica com Proteção Ambiente OHAUS AR2140
de alta precisão, figura 4.
Figura 4 - Balança Analítica com Proteção Ambiente OHAUS AR2140.
Após tarar a balança e realizar as medidas dos combustíveis,
lembrando de que não pode passar de uma grama e deve ser maior que 400
miligramas, para não danificar a estrutura do equipamento, pode-se colocá-lo na
bomba.
4 Análise dos Resultados e Cálculo da Incerteza
4.1 Resultado do Experimento
A partir das figuras abaixo, foi determinado que a massa da amostra
de bagaço de cana é de 0,76990, o PCS equivale a 17010 J/g, a massa de cinzas
foi desprezada.
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Além disso, verifica-se pelas imagens a seguir que a massa da
amostra de B10 é de 0,57980 g e o PCS é 45717 J/g. A massa de cinzas também
foi desprezada.
Com isso, para os cálculos referentes à reação de combustão
ocorridos no experimento, torna-se necessária a composição elementar de cada
combustível assim como o teor de umidade presente em cada um deles. Esses
dados estão dispostos em tabela conforme abaixo
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4.2 Análise do bagaço de Cana
As pesagens da massa inicial de combustível e o resultado do PCS
fornecido pela máquina são listados a seguir:
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏 = 0,76990 𝑔
𝑃𝐶𝑆 = 17.010 𝐽/𝑔
Adotando a umidade como 9,91% tem-se a tabela:
C H O N S
Umi
dade
Com
posição 44,8 5,35
39,5
5 0,38 0,01 9,91
%
massa
Para
0,76990 g
de comb
0,34
49152
0,04
118965
0,30
449545
0,00
292562
0,00
007699
0,07
629709
g
comb
Mi 12 1 16 14 32 18
g/
mol de
comb.
Ni
0,02
8742933
0,04
118965
0,01
9030966
0,00
0208973
2,40
594E-06
0,00
4238727
M
ol.
10
Fazendo o balanceamento das espécies químicas através de uma
reação de combustão convencional, tem-se:
0,029 C + 0,04 H + 0,02 O + 0,0002 N + 0,000002 S + 0,004 H2O + a
(O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d SO2 + e N2
Resultando em:
a = 0,031, b = 0,029, c = 0,024, d = 0,000002, e = 0,117
Com isso, determina-se a razão entre as massas de água nos
produtos e a de combustível no reagente.
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 = 0,024×18
0,76990 = 0,561
Como a reação é dada a uma pressão de 30 bar , o valor do calor
latente de vaporização da água foi obtido na tabela termodinâmica do Çengel à
mesma pressão, o qual corresponde a:
𝐻𝑓𝑔 = 1795,7 𝐽/𝑔𝑑𝑒á𝑔𝑢𝑎
Assim, com todos os dados em mãos, é possível o cálculo do poder
calorífico inferior (PCI) a partir da seguinte expressão:
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔
Logo, substituindo devidamente os valores, obtém-se:
𝑷𝑪𝑰 = 𝟏𝟔𝟎𝟎𝟐, 𝟔𝟏𝟐 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃
4.3 Análise do B10
A pesagem da amostra do combustível, o resultado indicado pela bomba
calorimétrica e o teor de umidade fornecido pelo professor seguem listados
abaixo:
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏 = 0,57980 𝑔
𝑃𝐶𝑆 = 45.757 𝐽/𝑔
Nota-se que a soma da percentagem dos elementos químicos do B10,
mostrados na figura 2, fecha os 100 %. Para então incluir os 2% da umidade
média e mesmo assim obter-se uma soma de 100%, foi feita uma normalização.
Considerou-se que os valores listados correspondiam a 100% do total do
combustível e então o que se procura é quanto vale ele correspondendo a 98%,
já que os 2% restantes correspondiam à umidade. A partir daí fez-se a seguinte
11
regra de três, por exemplo, para o Carbono:
77,4 ----> 100
X --------> 98 X = 75,85%
Assim, o procedimento foi repetido para cada elemento e assim obteve-se
a seguinte tabela:
C H2 O2 S H20
Comp
osição 75,85 11,76 10,36 0,03 2
%
massa
Para
0,76990 g
de comb
0,439
7783
0,068
18448
0,060
06728
0,000
17394
0,011
596
g
comb
Mi 12 2 32 32 18
g/
mol de
comb.
Ni
0,036
648192
0,034
09224
0,001
877103
5,435
63E-06
0,000
644222
Mo
l.
Com isso, do balanceamento das espécies químicas, pela reação
convencional de combustão, tem-se:
0,03665 C + 0,03409 H2 + 0,00128 O2 + 0,0000054 S + 0,00064 H2O
+ a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d SO2 + e N2
Resultando em:
a = 0,05242 b = 0,03665 c = 0,03473 d =0,0000054 e = 0,19709
Sendo assim, determina-se a razão entre as massas de água nos
produtos e a de combustível no reagente.
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 =0,03473 ∙ 18
0,57980= 1,0782
Já o calor de vaporização da água a 30 bar é o mesmo encontrado na
análise do bagaço de cana:
𝐻𝑓𝑔 = 1795,7 𝐽/𝑔𝑑𝑒á𝑔𝑢𝑎
Assim, com todos os dados em mãos, é possível o cálculo do poder
calorífico inferior (PCI) com a mesma expressão do item anterior:
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔
12
Logo, substituindo devidamente os valores, obtém-se:
𝑷𝑪𝑰 = 𝟒𝟑. 𝟕𝟖𝟎, 𝟖𝟕𝟔𝟐𝟔 𝑱/𝒈
4.4 Cálculo das Incertezas
O cálculo das incertezas combinadas é regido pela seguinte fórmula:
𝑢𝑐2(𝑦) = ∑ (
𝜕𝑦
𝜕𝑥𝑖)
2
∙ 𝑢𝑖2 (𝑥𝑖)
Onde,
𝑢𝑐– incerteza combinada
𝑢𝑖– incerteza padrão
Já o cálculo da incerteza expandida é regido por:
𝑈 = 𝐾 ∙ 𝑢𝑐
Onde K é escolhido com base no nível de confiança adotado. Para
um nível de confiança de 99%, K assume valor 3, para o caso de se ter infinitos
graus de liberdade, como será tratado aqui.
4.5 Incerteza do Bagaço de Cana
Como a função geral para o cálculo do PCI é dada como:
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 −𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏∙ 𝐻𝑓𝑔
Será feito primeiro o cálculo da incerteza combinada da divisão das
massas e depois do conjunto da equação. Têm-se então as seguintes incertezas
padrão para as variáveis:
𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) =
√𝜕 (
𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎𝑢2(𝑀á𝑔𝑢𝑎) +
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢2(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) =√
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕𝑃𝐶𝑆𝑢2(𝑃𝐶𝑆) +
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝑢2 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎=
1
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏= 1,29887
𝑢(𝑀á𝑔𝑢𝑎) = ±0,0001𝑔
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𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏=
−𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏2 = −0,72881
𝑢(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 0,0001 𝑔
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕𝑃𝐶𝑆= 1
𝑢(𝑃𝐶𝑆) = 1
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
= 𝐻𝑓𝑔 = 1795,7
𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 7,5 ∙ 10−5
Então:
𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) = 0,9999 = 1
Assim, aplicando na fórmula geral da incerteza combinada obtém-se:
𝑈 = 3 ∙ 1 = 3
Se expressa então o valor do PCI do bagaço de cana, como:
𝑷𝑪𝑰 = (𝟏𝟔. 𝟎𝟎𝟐, 𝟔𝟏𝟐 ± 𝟑) 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃
4.6 Incerteza do B10
Para o caso do biodiesel, os valores das incertezas padrão continuam
sendo os mesmos do item anterior, pois foram utilizados os mesmos
equipamentos e tabelas. Então, teve-se que recalcular apenas as derivadas
parciais, pois os valores dessas foram modificados.
𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) =
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎𝑢2(𝑀á𝑔𝑢𝑎) +
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢2(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) =𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕𝑃𝐶𝑆𝑢2(𝑃𝐶𝑆) +
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝑢2 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀á𝑔𝑢𝑎=
1
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏= 1,724732
𝑢(𝑀á𝑔𝑢𝑎) = ±0,0001𝑔
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𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏=
−𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝜕𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏2 = −1,85960
𝑢(𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 0,0001 𝑔
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕𝑃𝐶𝑆= 1
𝑢(𝑃𝐶𝑆) = 1
𝜕𝑃𝐶𝐼
𝜕 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏)
= 𝐻𝑓𝑔 = 1795,7
𝑢𝑐 (𝑀á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏) = 3,6 ∙ 10−5
𝑢𝑐(𝑃𝐶𝐼) = 1,00000011 = 1
Assim, aplicando na fórmula geral da incerteza combinada obtém-se:
𝑈 = 3 ∙ 1 = 3
Se expressa então o valor do PCI do bagaço de cana, como:
𝑷𝑪𝑰 = (𝟒𝟑. 𝟕𝟖𝟎, 𝟖𝟕𝟔 ± 𝟑) 𝑱/𝒈𝒅𝒆𝒄𝒐𝒎𝒃
5 Conclusão
Com a realização dos experimentos propostos, sem sombra de
dúvidas trouxe para o grupo a experiência real de como se calcula e se realiza
em laboratório testes para obtenção do poder calorífico superior e inferior,
considerando fatores como a incerteza de cada processo e também o grau de
confiabilidade. Vale salientar que algumas considerações, por exemplo,
absorção de energia pelo vaso e pelo cilindro, a energia adicionada pelo
agitador, como também, a liberação de energia gerada pela queima do fio de
algodão que foi responsável pela ignição do B10 e do bagaço de cana
depositados no cadinho, esses efeitos são todos considerados internamente
pela máquina de forma padronizada e eficaz.
O manuseio dos equipamentos, ou seja, a correta e melhor forma de
operar a máquina, foi observada pela equipe objetivando adquirir conhecimentos
sobre as precauções necessárias para que tal experimento venha proporcionar
resultados mais precisos e confiáveis. Uma lição aprendida de perto foi como se
faz a análise de um potencial calorífico de uma pequena amostra de combustível,
15
fazendo analogias com tabelas apresentadas em fontes bibliográficas
objetivando saber o percentual elementar de cada componente do combustível,
assim foi possível saber a real composição da amostra.
Realizando cálculos manualmente foi possível encontrar o PCI a
partir do PCS que já dado como resultado da máquina. Vendo os resultados
encontrados para o PCI e para as devidas incertezas, como detalhado no
decorrer do relatório, temos resultados satisfatórios. O valor do PCI foi
devidamente calculado levando em consideração as devidas propriedades e
composição de cada combustível, também encontramos as incertezas
combinada, padrão e expandida considerando todos os fatores de influência
necessários para uma boa margem de incerteza. Tivemos finalmente uma
incerteza expandida, que leva em consideração o grau de confiabilidade de 99%,
satisfatória para ambos os combustíveis, para o bagaço de cana obtivemos 3 , e
para o B10 obtivemos 3 também , tendo uma ótima margem de incerteza,
portanto um experimento eficaz e confiável.
6 Referência Bibliográficas
1- MUNDO EDUCAÇÃO, Poder Calorífico de combustíveis. Disponível em: <http://www.mundoeducacao.com/quimica/poder-calorifico-combustiveis.htm>. Acesso em 10 de julho de 2015.