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UNIVERSIDADE FEDERAL
CENTRO DE CIÊNCIAS E
PROGRAMA DE PÓS
ANÁLISE DE UM QUEIMA
COM
COMBUSTÍVEL HÍBRIDO
UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO GRANDE DO NOR
CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
CENTRO DE CIÊNCIAS E
XATAS E DA TERRA -
PROGRAMA DE PÓS
-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA
E ENGENHARIA DE
PETRÓLEO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ANÁLISE DE UM QUEIMA
DOR INFRAVERMELHO FU
COMBUSTÍVEL HÍBRIDO
: GLP/BIO
-
Aluisio Azevedo Neto
Orientador - Prof. Dr. Francisco
de
Co-orientador - Prof. Dr.
Cleiton Rubens Formiga
Natal, novembro de 2010.
DO RIO GRANDE DO NOR
TE
CCET
E ENGENHARIA DE
DOR INFRAVERMELHO FU
NCIONANDO
-
ÓLEO
de
Assis Oliveira Fontes
Cleiton Rubens Formiga
Barbosa
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ANÁLISE DE UM QUEIMADOR INFRAVERMELHO FUNCIONANDO
COM COMBUSTÍVEL HÍBRIDO: GLP/BIO-ÓLEO
Aluisio Azevedo Neto
Natal, novembro de 2010.
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Dissertação de Mestrado PPGCEP/UFRN
Aluisio Azevedo Neto iii
Aluisio Azevedo Neto
ANÁLISE DE UM QUEIMADOR INFRAVERMELHO FUNCIONANDO
COM COMBUSTÍVEL HÍBRIDO: GLP/BIO-ÓLEO
Este trabalho corresponde à dissertação
de mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ciência e
Engenharia de Petróleo da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, como
parte dos requisitos necessários para
obtenção do título de mestre em Ciência
e Engenharia de Petróleo
Aprovado em 19 de novembro de 2010
___________________________________________________
Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes
Presidente da banca examinadora – Orientador – UFRN
___________________________________________________
Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa
Co-orientador – UFRN
______________________________________________________
Prof. Dr. João Fernandes de Sousa
Membro interno – UFRN
______________________________________________________
Prof. Dr. Marcelo Bezerra Grilo
Membro externo – UFCG
Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila
Mamede
Azevedo Neto, Aluisio.
Análise de um queimador infravermelho funcionando com
combustível híbrido : GLP/Bio-óleo / Aluisio Azevedo Neto. – Natal,
RN, 2010.
82 f.
Orientador: Francisco Assis de Oliveira Fontes.
Co-orientador: Cleiton Rubens Formiga Barbosa.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Ciência
e Engenharia de Petróleo.
1. Queimador infravermelho – Dissertação. 2. Atomizador –
Dissertação. 3. Gás liquefeito de petróleo – Dissertação. 4. Bio-óleo –
Dissertação. 5. Balanço de energia – Dissertação. I. Fontes, Francisco
Assis de Oliveira. II. Barbosa, Cleiton Rubens Formiga. III.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
RN/UF/BCZM CDU 542.423(043.3)
Dissertação de Mestrado PPGCEP/UFRN
Aluisio Azevedo Neto iv
DEDICATÓRIA
A meu pai, Marco Aurélio Rocha de Azevedo (In
memoriam), pela maravilhosa educação, força e exemplo
de vida na qual busco sempre me espelhar e honrá-lo.
Aos meus avós, Aluisio Azevedo (In memoriam) e Rosa
Soares de Mendonça (In memoriam), pelo amor e carinho
exageradamente gostoso sempre dado em todos os
momentos.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto v
AGRADECIMENTOS
A Deus, primeiramente, pela vida e saúde, e força para
chegar até aqui.
A minha família, principalmente meus pais, Marco
Aurélio Rocha de Azevedo (In memoriam) e Rosangela
Soares de Mendonça Azevedo, e minha irmã, Mara
Camila de Mendonça Azevedo, por todo o apoio e amor.
A minha namorada, Camilla de Medeiros Dantas, pela
imensa ajuda e compreensão na realização deste trabalho.
Ao Prof. Francisco Assis de Oliveira Fontes, pelo grande
apoio, incentivo e disponibilidade incondicional para a
orientação, fundamental na realização deste trabalho.
Ao Prof. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, pela sua
capacidade de dar sugestões e pelo incentivo, que foram
de grande importância para o desenvolvimento deste
trabalho.
A Potigas, principalmente ao meu Gerente Ramid Risério,
pelo apoio para realização deste trabalho.
A instituição patrocinadora UFRN-PPGCEP pela
oportunidade para realizar este trabalho.
Ao técnico Arivaldo Alves Délio (Vavá) e ao aluno de
graduação em Engenharia Mecânica, Franklin Azevedo
Filho, pelo grande apoio nas etapas de fabricação,
montagem e testes.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto vi
RESUMO
A biomassa é considerada a maior fonte renovável de energia, podendo ser usada de forma
ambientalmente sustentável. A partir da pirólise da biomassa é possível a obtenção de
produtos com maior densidade energética e propriedades de uso melhores. O líquido
resultante do seu processo é tradicionalmente chamado de bio-óleo. A utilização de
queimadores infravermelhos em aplicações industriais apresenta muitas vantagens do ponto
de vista técnico-operacional, como por exemplo, homogeneidade no fornecimento de calor, na
forma de radiação e convecção, apresentando um maior controle das emissões devido à
passagem dos gases de exaustão através de um leito cerâmico macroporoso. O presente
trabalho apresenta um queimador infravermelho comercial adaptado com um ejetor proposto
capaz de queimar numa configuração híbrida de gás liquefeito de petróleo (GLP) e bio-óleo
diluído. A diluição do bio-óleo com álcool etílico absoluto teve como principal objetivo
diminuir a viscosidade do fluido, e melhorar a estabilidade e a atomização. Foi introduzido
um controlador de temperatura com termopar modulando dois estágios (fogo baixo/alto), e
eletroválvulas para alimentação dos combustíveis. O queimador infravermelho foi submetido
a testes e ensaios, sendo atomizado o bio-óleo diluído, e avaliado o seu desempenho mediante
a realização de balanço de energia. Como método de análise termodinâmica para estimativa
de carga foi utilizado uma placa de alumínio localizada na saída dos gases de combustão,
sendo a distribuição de temperaturas medida por termopares. A diluição reduziu a viscosidade
do bio-óleo em 75,4% e aumentou em 11% o poder calorífico inferior do mesmo, propiciando
ao queimador uma combustão estável através da atomização com o ar comprimido e queima
conjunta com GLP. Injetando o combustível híbrido houve aumento na transferência de calor
da placa para o meio ambiente em 21,6% e ganho energético útil de 26,7%, em função da
melhora na eficiência da 1ª Lei da Termodinâmica do queimador infravermelho.
Palavras-chave: queimador infravermelho, atomizador, gás liquefeito de petróleo, bio-óleo,
balanço de energia.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto vii
ABSTRACT
Biomass is considered the largest renewable energy source that can be used in an
environmentally sustainable. From the pyrolysis of biomass is possible to obtain products
with higher energy density and better use properties. The liquid resultant of this process is
traditionally called bio-oil. The use of infrared burners in industrial applications has many
advantages in terms of technical-operational, for example, uniformity in the heat supply in the
form of radiation and convection, with a greater control of emissions due to the passage of
exhaust gases through a macroporous ceramic bed. This paper presents a commercial infrared
burner adapted with an ejector proposed able to burn a hybrid configuration of liquefied
petroleum gas (LPG) and bio-oil diluted. The dilution of bio-oil with absolute ethanol aimed
to decrease the viscosity of the fluid, and improving the stability and atomization. It was
introduced a temperature controller with thermocouple modulating two stages (low heat / high
heat), and solenoid valves for fuels supply. The infrared burner has been tested, being the
diluted bio-oil atomized, and evaluated its performance by conducting energy balance. The
method of thermodynamic analysis to estimate the load was used an aluminum plate located
at the exit of combustion gases and the distribution of temperatures measured by
thermocouples. The dilution reduced the viscosity of the bio-oil in 75.4% and increased by
11% the lower heating value (LHV) of the same, providing a stable combustion to the burner
through the atomizing with compressed air and burns combined with LPG. Injecting the
hybrid fuel there was increase in the heat transfer from the plate to the environment in 21.6%
and gain useful benefit of 26.7%, due to the improved in the efficiency of the 1
st
Law of
Thermodynamics of infrared burner.
Keywords: infrared burner, atomizer, liquefied petroleum gas, bio-oil, energy balance
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto viii
SUMÁRIO
Lista de Figuras ........................................................................................................... xii
Lista de Tabelas ........................................................................................................... xiii
Lista de Abreviaturas e Siglas .................................................................................... xiv
CAPÍTULO I
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 1
1.1 Justificativa .................................................................................................................... 5
1.2 Objetivos ....................................................................................................................... 7
1.2.1 Geral .............................................................................................................................. 7
1.2.2 Específicos ..................................................................................................................... 7
CAPÍTULO II
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .............................................................................. 8
2.1 Queimadores .................................................................................................................. 9
2.1.1 Definição ....................................................................................................................... 9
2.1.2 Queimadores para gás ................................................................................................... 9
2.1.3 Queimadores infravermelhos ........................................................................................ 10
2.2 Termodinâmica de sistemas de geração de potência ..................................................... 11
2.2.1 1ª Lei da Termodinâmica............................................................................................... 11
2.2.2 2ª Lei da Termodinâmica............................................................................................... 12
2.3 Viscosidade ................................................................................................................... 13
2.3.1 Viscosidade dinâmica .................................................................................................... 14
2.3.2 Viscosidade cinemática ................................................................................................. 14
2.3.3 Medição de viscosidade ................................................................................................. 15
2.4 Combustão ..................................................................................................................... 15
2.5 Gás Liquefeito de Petróleo - GLP ................................................................................. 16
2.6 Obtenção do bio-óleo .................................................................................................... 16
2.6.1 Biomassa ....................................................................................................................... 16
2.6.2 Pirólise ........................................................................................................................... 17
2.6.3 Bio-óleo ......................................................................................................................... 20
2.7 Calor .............................................................................................................................. 21
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto ix
2.7.1 Equação fundamental da calorimetria ........................................................................... 21
2.7.2 Mecanismos de transferência de calor ........................................................................... 22
2.7.3 Calor específico ............................................................................................................. 24
2.8 Medição e registro de temperatura ................................................................................ 24
2.9 Medição de vazão .......................................................................................................... 25
CAPÍTULO III
3. ESTADO DA ARTE .................................................................................................... 26
3.1 Introdução ...................................................................................................................... 27
3.2 Pesquisas com queimadores infravermelhos ................................................................. 27
3.3 Estudos sobre bio-óleo .................................................................................................. 29
CAPÍTULO IV
4. MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 32
4.1 Introdução ...................................................................................................................... 33
4.2 Bio-óleo utilizado .......................................................................................................... 33
4.2.1 Produção da matéria-prima............................................................................................ 33
4.2.2 Diluição do bio-óleo ...................................................................................................... 33
4.2.3 Armazenamento e filtragem do BO25 ........................................................................... 35
4.3 Descrição da bancada de ensaios ................................................................................... 36
4.3.1 Procedimento para partida e regulagem do queimador ................................................. 37
4.3.2 Queimador infravermelho ............................................................................................. 38
4.3.3 Bicos injetores ............................................................................................................... 39
4.3.3.1 Bico injetor de GLP ....................................................................................................... 39
4.3.3.2 Bico injetor de ar/BO25 ................................................................................................ 39
4.3.4 Sistema de alimentação do gás GLP ............................................................................. 40
4.3.5 Sistema de alimentação do BO25 .................................................................................. 42
4.3.6 Sistema limitador de temperatura máxima e bloqueio de combustível ......................... 42
4.3.7 Sistema de medição de temperaturas ............................................................................. 44
4.4 Procedimento de ensaio ................................................................................................. 44
4.4.1 Requisitos de segurança ................................................................................................ 44
4.4.2 Ajustes preliminares ...................................................................................................... 45
4.4.3 Descrição dos ensaios .................................................................................................... 45
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto x
4.4.4 Atomização do BO25 .................................................................................................... 46
4.5 Dados dos ensaios ......................................................................................................... 47
4.5.1 Dados teóricos ............................................................................................................... 47
4.5.1.1 Composição média do ar atmosférico ........................................................................... 47
4.5.1.2 Composição do GLP ..................................................................................................... 47
4.5.1.3 Poder calorífico e massa específica do GLP ................................................................. 47
4.5.1.4 Composição do bio-óleo ................................................................................................ 48
4.5.1.5 Massa específica do bio-óleo......................................................................................... 48
4.5.1.6 Composição do álcool etílico absoluto .......................................................................... 48
4.5.1.7 Poder calorífico e massa específica do álcool etílico absoluto...................................... 48
4.5.1.8 Massa específica do BO25 ............................................................................................ 48
4.5.2 Dados medidos .............................................................................................................. 49
4.5.2.1 Procedimento para determinar a viscosidade do bio-óleo e BO25................................ 49
4.5.2.2 Procedimento para determinar o poder calorífico do bio-óleo e BO25......................... 49
4.5.2.3 Tempo de escoamento versus vazão volumétrica de gás GLP ...................................... 52
4.5.2.4 Tempo de escoamento versus a variação de volume de BO25 ..................................... 53
4.5.2.5 Temperaturas ................................................................................................................. 53
4.5.3 Dados calculados ........................................................................................................... 54
4.5.3.1 Cálculos de parâmetros físicos de queimadores ............................................................ 54
4.5.3.2 Vazão mássica de GLP e BO25 .................................................................................... 56
4.5.3.3 Potência térmica fornecida pelo combustível híbrido ................................................... 57
4.5.3.4 Balanço de energia ........................................................................................................ 58
4.5.3.5 Eficiência da 1ª Lei da Termodinâmica......................................................................... 60
CAPÍTULO V
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 61
5.1 Introdução ...................................................................................................................... 62
5.2 Resultados obtidos ......................................................................................................... 62
5.2.1 Ensaio de viscosidade do bio-óleo e BO25 ................................................................... 62
5.2.2 Ensaio de poder calorífico do bio-óleo e BO25 ............................................................ 63
5.2.3 Temperaturas medidas ................................................................................................... 64
5.2.4 Vazão de GLP e BO25 .................................................................................................. 66
5.2.5 Resultados obtidos para a estimativa das eficiências de 1ª Lei ..................................... 67
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto xi
CAPÍTULO VI
6. CONCLUSÕES ............................................................................................................. 69
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 72
ANEXOS ...................................................................................................................... 79
Anexo A ........................................................................................................................ 80
Anexo B ......................................................................................................................... 81
Anexo C ......................................................................................................................... 82
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto xii
LISTA DE FIGURAS
Capítulo IV
Figura 4.1 Borra de bio-óleo que se localiza no fundo dos frascos ........................................... 34
Figura 4.2 Filtragem do BO25 com papel filtro ......................................................................... 35
Figura 4.3 Esquema dos equipamentos utilizados para a realização da queima do
combustível híbrido .................................................................................................. 36
Figura 4.4 Queimador infravermelho ......................................................................................... 38
Figura 4.5 Bico injetor de GLP .................................................................................................. 39
Figura 4.6 Bico injetor de ar comprimido/BO25 ....................................................................... 40
Figura 4.7 Rotâmetro para medição da vazão de GLP............................................................... 41
Figura 4.8 Detalhe do funcionamento do rotâmetro .................................................................. 42
Figura 4.9 Controlador e indicador digital de temperatura ........................................................ 43
Figura 4.10 Válvula solenóide para bloqueio do GLP ................................................................. 43
Figura 4.11 Eletroválvula para bloqueio do BO25 ...................................................................... 43
Figura 4.12 Queimador infravermelho em processo de combustão ............................................. 46
Figura 4.13 Reômetro da UFRN utilizado para medir a viscosidade .......................................... 49
Figura 4.14 Bomba calorimétrica ................................................................................................. 50
Figura 4.15 Reservatório para medição do consumo de BO25 .................................................... 53
Figura 4.16 Balanço de energia global do queimador infravermelho .......................................... 58
Capítulo V
Figura 5.1 Gráfico das temperaturas no ensaio 1 - GLP ............................................................ 65
Figura 5.2 Gráfico das temperaturas no ensaio 2 - GLP + 10% BO25 ...................................... 66
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto xiii
LISTA DE TABELAS
Capítulo II
Tabela 2.1 Comportamento dos fluidos com relação à viscosidade ........................................... 14
Tabela 2.2 Rendimentos típicos obtidos para diversos tipos de pirólise .................................... 18
Tabela 2.3 Produtos típicos obtidos para diversos tipos de pirólise ........................................... 19
Tabela 2.4 Propriedades típicas de bio-óleo da pirólise da madeira e de óleos
combustíveis ............................................................................................................. 21
Capítulo V
Tabela 5.1 Valores de viscosidade do bio-óleo .......................................................................... 62
Tabela 5.2 Valores de viscosidade do BO25 .............................................................................. 63
Tabela 5.3 Registro das vazões do combustível híbrido ............................................................ 66
Tabela 5.4 Tempo de modulação de fogo alto/fogo baixo ......................................................... 67
Tabela 5.5 Estimativa das eficiências do queimador infravermelho .......................................... 68
Anexos
Tabela A.1 Propriedades de bio-óleos da pirólise da biomassa de madeira ................................. 80
Tabela B.1 Propriedades de diversos gases do GLP ................................................................... 81
Tabela C.1 Especificações técnicas do controlador de temperatura ........................................... 82
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN
Aluisio Azevedo Neto xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASTM American Society for Testing and Materials
BO25 Bio-óleo diluído com 25% de álcool etílico absoluto
GLP Gás Liquefeito de Petróleo
PCI Poder Calorífico Inferior
PCS Poder Calorífico Superior
SAE Society of Automotive Engineers
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Capítulo 1
Introdução
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 2
Capítulo 1 - Introdução
No último século, combustíveis derivados de petróleo foram as principais fontes de
energia do mundo. Atualmente, com o aumento na demanda de petróleo emergindo
economias, destaca-se a necessidade de desenvolver um processo econômico e energético
para produção sustentável de combustíveis e produtos químicos, inserido dentro das
preocupações políticas e ambientais sobre o uso dos combustíveis fósseis (Huber et al., 2006).
Essa necessidade de fontes alternativas de energia tem incrementado o interesse no uso da
biomassa, por ser um combustível renovável capaz de reduzir emissões de CO
2
e enxofre.
Nesse contexto, o Brasil é o maior produtor e consumidor mundial da “bioenergia” (Peláez-
Samaniego et al., 2008). Os altos índices de utilização da biomassa no Brasil estão
relacionadas a fatores, tais como a diversidade climática e a abundância de recursos
agroflorestais (Campos, 2008).
A biomassa é um dos muitos grupos de resíduos sólidos. São geradas principalmente
na agricultura, silvicultura, alimentação e fabricação de papel. Os constituintes de biomassa a
princípio não são tóxicos, porém, se mal processados pode vir a ser um significante poluente,
principalmente em aterros e processo de incineração descontrolados (Sainz-Diaz et al., 1997).
A biomassa, geralmente e de forma errônea, é tida como um combustível inferior, quando na
verdade deveria ser considerada uma fonte equivalente aos combustíveis de origem fóssil
(Adão, 2006).
A biomassa é uma importante fonte de energia para muitos países, mas suas formas
tradicionais de uso, que envolvem o consumo não-sustentável e de baixa eficiência de
conversão, não se manterão por muito tempo. Nesse sentido, as perspectivas futuras para ela
estão voltadas para os setores energéticos modernos: a eletricidade e os combustíveis líquidos
e gasosos em substituição ao uso direto de combustíveis sólidos (Faaij et al., 2005).
Considerada como a maior fonte renovável de energia (Song et al., 2004) a biomassa
pode ser usada de forma ambientalmente sustentável (Faaij et al., 2005). Pode-se considerar
que a queima de combustível obtido a partir dela não contribui para o aumento de dióxido de
carbono na atmosfera (Darmstadt et al., 2004), uma vez que, replantando-a garante-se que o
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 3
dióxido de carbono emitido pela sua combustão será absorvido e retorna para um novo ciclo
de crescimento da planta (McKendry, 2002).
Com relação aos demais poluentes, a biomassa apresenta um teor desprezível de
enxofre e nitrogênio, que gera emissões de SO
2
e NO
x
muito baixas quando comparadas a
qualquer outro combustível fóssil convencional (Qi et al., 2007), sendo assim, o uso de
biomassa como fonte alternativa poderia trazer benefícios ao ambiente (Goodrum et al.,
2003).
O uso da biomassa como fonte potencial de combustíveis automotivos, de produtos
químicos e de materiais deu um novo impulso à prática da pirólise nas últimas duas décadas,
destacando-se como uma das mais promissoras tecnologias para conversão em combustíveis
líquidos (Qiang et al., 2009). O controle de alguns parâmetros da pirólise resulta em produtos
diferentes, como material líquido e sólido, que podem ter aplicações variadas (Faaij et al.,
2005).
O principal objetivo no processo de pirólise é a obtenção de produtos com maior
densidade energética e propriedades de uso melhores (ibid). A geração de energia pela
combustão direta de madeira em caldeiras apresenta uma eficiência máxima de 26%. Uma
maneira mais eficiente de aproveitar esta energia é queimando o bio-óleo gerado pela pirólise
da madeira (Gupta et al., 2010).
A pirólise é um processo de conversão térmica que implica na ruptura de ligações
carbono-carbono e na formação de ligações carbono-oxigênio. A proporção de produtos
gasosos, líquidos e sólidos formados depende do controle de alguns parâmetros do processo
(Tsai et al., 2006).
O líquido resultante deste processo é tradicionalmente chamado de alcatrão pirolítico,
e recentemente recebeu o nome de biocombustível, bio-óleo bruto ou bio-óleo (Faaij et al.,
2005). O bio-óleo trata-se de uma mistura complexa de ácidos, alcoóis, aldeídos, ésteres entre
outros (Diebold, 2000). As moléculas de tamanhos diferentes são devido às reações de
despolimerização e fragmentação dos três principais constituintes básicos da biomassa:
celulose, hemicelulose e lignina (Diebold e Czernik, 1997). Estudos visando o
aperfeiçoamento da pirólise rápida para a produção de bio-óleo vêm sendo desenvolvidos
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 4
apontando diversas metas. O objetivo principal, no entanto, tem sido a extensa produção de
hidrocarbonetos combustíveis (Adjaye e Bakhshi, 1995).
A composição do bio-óleo depende do tipo de biomassa, das condições de processo,
do equipamento, da eficiência na separação do carvão e na condensação dos gases. O mesmo
pode ser considerado como uma microemulsão na qual a fase continua é uma solução aquosa
dos produtos da fragmentação da celulose e hemicelulose, que estabiliza a fase descontínua
que são as macromoléculas de lignina pirolítica (Bridgwater, 2003). Desde a crise dos óleos
ocorrida na metade dos anos 70, esforços consideráveis estão sendo feitos para converter
biomassa de madeira em combustíveis líquidos (Mohan et al., 2006).
O bio-óleo apresenta baixa estabilidade térmica que é causada pela reatividade de
muitos dos compostos presentes no óleo (Garcia-Perez et al., 2006) e que, durante a
estocagem podem reagir entre si formando moléculas maiores e, consequentemente causar
mudanças nas propriedades físico-químicas, como o aumento da viscosidade. Como esses
processos podem ocorrer em função do tempo de estocagem, o conjunto dos mesmos é dito
envelhecimento (Diebold e Czernik, 1997).
O bio-óleo é solúvel em solventes polares, mas completamente imiscível em
hidrocarbonetos, podendo sofrer reações de polimerização e de condensação ao longo do
tempo. Essas reações são favorecidas na presença de ar e luz, resultando em aumento da
viscosidade e separação de fases (Bridgwater, 2003). A sua viscosidade é afetada pelos
alcoóis, onde uma adição de 5% de metanol no óleo de pirólise de madeira resulta na
diminuição desta propriedade em cerca de 35% (Qi et al., 2007).
Os problemas mais significativos do uso do bio-óleo como combustível é a baixa
volatilidade, alta viscosidade, coqueificação e corrosividade (Czernik e Bridgwater, 2004).
Mesmo assim, o bio-óleo pode ser usado como um substituto de óleo combustível ou diesel
em muitas aplicações estáticas incluindo caldeiras, fornos, máquinas e turbinas (Bridgwater e
Peacocke, 2000). No entanto, o bio-óleo deve ser aperfeiçoado ou misturado para ser usado
diretamente em máquina à diesel (Huber et al., 2006). As experiências relevantes no uso de
bio-óleo para geração de eletricidade foram relatadas por Chiaramont et al. (2007). Apesar de
não existirem ainda normas e especificações definidas para o bio-óleo, Oasmaa e Meier
(2005) propuseram especificações do produto para as referidas aplicações.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 5
Visando realizar estudo a respeito da utilização do bio-óleo como combustível, através
da avaliação da eficiência pela 1ª Lei da Termodinâmica, foi utilizado um queimador
infravermelho de leito cerâmico macroporoso acoplado a um sistema semi-automático de
controle e alimentação, para realizar a queima conjunta do bio-óleo com gás liquefeito de
petróleo (GLP).
A utilização conjunta do GLP permite que o bio-óleo seja queimado mais facilmente,
pois o gás e o queimador infravermelho permitem que as temperaturas envolvidas na
combustão cheguem a valores próximos dos 800°C. Isso é explicado por Howell (1996), que
afirma que a inserção de uma estrutura cerâmica de alta emissividade faz com que a mistura
do comburente e do combustível seja pré-aquecida antes da zona de reação, promovendo um
aumento na taxa de reação química, aumento da temperatura máxima na zona de reação,
podendo chegar a valores acima da temperatura adiabática de chama e menor emissão de
poluentes.
Essa dissertação é composta de 6 capítulos. No capítulo II, são apresentados os
aspectos teóricos que fundamentam a compreensão do trabalho. No capítulo III, referente ao
estado da arte, são apresentados os diversos estudos relacionados ao tema e as respectivas
metodologias e técnicas empregadas. O capítulo IV mostra os aspectos relacionados à
metodologia e materiais empregados para a realização desse trabalho teórico-experimental.
No capítulo V, têm-se os resultados e discussões dos ensaios realizados. O capítulo VI mostra
as conclusões obtidas e as recomendações para trabalhos posteriores.
1.1 - Justificativa
Os meios atuais de geração e consumo de energia buscam utilizar modelos híbridos
para diminuição do consumo de combustível e diminuição das emissões provenientes da
combustão.
A combustão é um elemento importante de pesquisa em programas de
desenvolvimento para aplicação em projetos de engenharia envolvendo o melhoramento
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 6
contínuo nas performances de equipamentos como fornalhas, aquecedores e queimadores.
Este melhoramento contínuo é importante na eficiência térmica do equipamento e no controle
de emissões poluentes.
A utilização conjunta de mais de um combustível em um queimador infravermelho,
por exemplo, pode contribuir para que os objetivos e metas de proteção ambiental sejam
atingidos. A queima conjunta de bio-óleo com GLP só pode se tornar possível se o
combustível líquido for atomizado (na forma de pequenas gotículas) no interior da câmara de
combustão.
O bio-óleo em combustão apresenta baixa poluição, número de cetanos menor do que
o diesel, e uma ignição não muito boa, porém após iniciada de rápida estabilização. Por causa
da formação de grandes partículas de carbono, a chama é muito brilhante e a transferência de
calor por radiação é intensificada (Zhang et al., 2009).
A diluição do bio-óleo com álcool etílico absoluto tem como principal objetivo
diminuir a viscosidade do fluido, e melhorar a estabilidade e atomização. Diebold (2000) fez
uma revisão dos mecanismos físicos e químicos da estabilidade do bio-óleo e mostrou que a
adição de solventes como metanol e etanol melhoram a sua estabilidade e diminui a
viscosidade.
As ondas infravermelhas emitidas por este queimador são uma forma de energia por
radiação eletromagnética, semelhante às ondas do rádio no espectro das freqüências. A
energia radiante infravermelha emitida depende do material da superfície, além da
temperatura envolvida (Trimis e Turst, 1996). A proposta do trabalho para utilização do
queimador infravermelho visa exatamente adequar sua característica de produzir grande
quantidade de calor radiante, superior àquela obtida em condições normais de combustão.
A necessidade de baixas emissões de poluentes para minimização do impacto
ambiental aliada a segurança operacional, como resistência à corrosão em altas temperaturas,
resistência à choques térmicos, baixa inércia térmica e durabilidade, conferem a esse tipo de
queimador características excepcionais para sua utilização. As principais características desse
tipo de combustor são:
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 1: Introdução
Aluisio Azevedo Neto 7
- Intensidade de fogo de 100 a 10.000 kW/m
2
;
- Combustão homogênea;
- Respostas rápidas (taxa de aquecimento excelente);
- Resfriamento rápido;
- Baixas perdas de carga.
1.2 - Objetivos
1.2.1 - Geral
Analisar o desempenho de um queimador infravermelho funcionando com uma
mistura de gás liquefeito de petróleo e bio-óleo.
1.2.2 - Específicos
1. Estudar o grau de diluição do bio-óleo que permita a atomização do mesmo;
2. Adequar um sistema de alimentação e atomização do bio-óleo;
3. Desenvolver uma bancada de testes para funcionamento com o bio-óleo;
4. Analisar proporção de GLP e bio-óleo diluído atomizado para funcionamento do
queimador;
Capítulo 2
Fundamentação Teórica
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 9
Capítulo 2 - Fundamentação Teórica
2.1 - Queimadores
2.1.1 - Definição
Segundo Vlassov (2001) o queimador é um equipamento encarregado de processar a
queima de uma mistura ar/combustível numa câmara de combustão. O combustível, seja ele
sólido, líquido ou gasoso, somente apresenta uma boa combustão se forem criadas condições
necessárias e adequadas. A construção desse equipamento depende de vários fatores como,
por exemplo: consumo, pressões disponíveis para o combustível, pressão do ar na entrada do
queimador, das temperaturas empregadas, entre outros.
A função do queimador é fazer com que o combustível e o oxidante fiquem em
contato o tempo e a temperatura suficientes para ocorrer e completar a reação de combustão.
Uma vez que a maioria das reações de combustão acontece na fase gasosa, o contato eficiente
depende do tempo, da temperatura e da turbulência (Bizzo, 2008).
Os combustíveis líquidos são queimados sempre em suspensão, sob duas diferentes
tecnologias: na forma atomizada em minúsculas gotículas e pela injeção direta de combustível
previamente evaporado. Para combustíveis mais viscosos, é preferível a utilização da
atomização, porque durante a evaporação em condutos pode ocorrer à formação de coque, que
pode entupir o queimador.
2.1.2 - Queimadores para gás
Os queimadores de gás são classificados em 3 tipos, quanto ao local onde o gás
combustível é misturado com o ar de combustão:
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 10
a) Queimador de pré-mistura: o gás é misturado com o ar de combustão a montante do
queimador, e a mistura combustível, com baixo excesso de ar, é introduzida na câmara de
combustão.
b) Queimador de chama de difusão: o gás e o ar são alimentados separadamente na
fornalha, e a mistura é realizada ao mesmo tempo que a combustão, pelo processo de difusão
turbulenta.
c) Queimador de tipo intermediário: ar e gás são misturados parcialmente no
queimador, e a mistura sofre adição de ar, por difusão, no interior da fornalha. Quanto maior
for a mistura dentro do queimador, melhor o seu desempenho.
2.1.3 - Queimadores infravermelhos
De acordo com Espinoza (2004) o queimador infravermelho é um equipamento onde a
combustão desenvolve-se na saída da tela cerâmica refratária porosa e a chama produzida
aquece a superfície da tela e o calor é transmitido principalmente por radiação infravermelha.
O queimador infravermelho oferece uma troca de calor através da radiação associada a
um substancial volume de gases aquecidos. Ele é construído sob uma base metálica na qual
um leito cerâmico fica inserido, nesse espaço é onde ocorre a reação de combustão.
Conforme Malico (1999) a combustão infravermelha envolve a estabilização de uma
chama no interior de uma matriz cerâmica. À entrada do queimador, a fase sólida encontra-se
a uma temperatura superior à dos reagentes gasosos já que é aquecida por radiação emitida
pela matriz cerâmica para jusante. Como consequência, após entrarem na matriz cerâmica, o
ar e o combustível pré-misturados são aquecidos por convecção à medida que atravessam os
furos do leito cerâmico. O inverso ocorre na zona de combustão, onde a energia do
combustível é transformada em energia térmica. Nessa região a temperatura da fase gasosa é
superior à da fase sólida, que é, portanto, aquecida por convecção.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 11
Pelo exposto, a matriz cerâmica pode ser encarada como um trocador de calor que
transfere para os reagentes uma fração energética química liberada pelo
combustível/comburente. Devido a este mecanismo de feedback de energia dos produtos de
combustão para os reagentes é possível queimar combustíveis de menor poder calorífico, com
limites de inflamabilidade alargados, obtendo-se velocidades de chama superiores. Outras
vantagens da combustão no interior de matrizes cerâmicas estão relacionadas com as emissões
de poluentes, já que embora as taxas de transferência de calor possam ser elevadas, as
temperaturas na zona de reação são relativamente baixas e a combustão muito eficiente o que
conduz a baixos índices de emissão de NO
x
e CO. (Malico, 1999)
2.2 - Termodinâmica de sistemas de geração de potência
A termodinâmica é a parte da física que trata da transformação da energia térmica em
energia mecânica e vice-versa. Seus princípios dizem respeito a alguns sistemas bem
definidos, normalmente uma quantidade de matéria. Um sistema termodinâmico é aquele que
pode interagir com a sua vizinhança, pelo menos de duas maneiras. Uma delas é,
necessariamente, transferência de calor.
2.2.1 - 1ª Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio de conservação
de energia, pode ser descrita como “a soma da energia mecânica e da quantidade de calor (que
é igual à energia total) de um sistema isolado é constante”. Nesse caso, a energia total do
sistema inicial é igual à energia do sistema final, qualquer que seja o caminho seguido pelo
sistema para passar do estado inicial ao final. A energia total do sistema é função do estado
deste e não do caminho seguido pelo mesmo para chegar a esse estado (Van Wylen et al.,
2009).
A definição da primeira lei diz que, para um dado ciclo percorrido por um sistema, a
integral cíclica do calor é igual a integral cíclica do trabalho, conforme apresentado na
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 12
Equação (1). Portanto, o calor líquido transferido durante um ciclo deve ser igual ao trabalho
líquido realizado (Van Wylen et al., 2009).
ߜܳ =
ߜܹ (1)
Onde:
δQ = integral cíclica do calor
δW= integral cíclica do trabalho
Temos que a variação da energia interna entre dois estados do sistema pode ser
determinada pela diferença entre as quantidades de calor e de trabalho trocados com o meio
ambiente. Matematicamente, essa lei pode ser escrita conforme a Equação (2).
ܷ݀ = ߜܳ− ߜܹ (2)
Onde:
dU = variação da energia interna entre dois estados do sistema
δQ = quantidade de calor recebida ou cedida pelo sistema
δW
= quantidade de trabalho realizado pelo sistema
Desta forma, a eficiência de primeira lei de um processo de conversão de energia é
dada pela razão da energia útil pela energia total consumida, conforme a Equação (3). O
conceito de Primeira Lei da Termodinâmica é extremamente útil para se poder avaliar e
melhorar a eficiência energética de equipamentos de usos finais (ibid).
ߟ
ଵୀ
ா ú௧
ா ௦௨ௗ
(3)
Onde:
η
1
= Rendimento da primeira lei da termodinâmica
2.2.2 - 2ª Lei da Termodinâmica
A segunda lei não contraria a lei da conservação da energia, porém, ela estabelece que
a energia perde a sua capacidade de realizar trabalho durante os processos de conversão, uma
vez que nem todo calor transferido de um corpo pode ser transformado em trabalho. Portanto,
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 13
é impossível haver um processo cujo único resultado seja tomar calor de um sistema e
convertê-lo em trabalho, pois nenhuma máquina térmica que toma calor Q
1
a T
1
e que entrega
calor Q
2
a T
2
pode efetuar mais trabalho (W) que uma máquina térmica reversível. Alguma
energia é sempre perdida por dissipação para uma região de menor temperatura, causando a
chamada irreversibilidade (Strapasson, 2004).
Em geral, se diz que a eficiência é a razão entre o que é produzido (energia pretendida)
e o que é usado (energia gasta), porém estas quantidades devem ser claramente definidas.
Simplificadamente pode-se dizer que a energia pretendida num motor térmico é o trabalho e a
energia gasta é o calor transferido da fonte a alta temperatura. A eficiência térmica, ou
rendimento térmico, é definida pela Equação (4), conforme Van Wylen et al. (2009).
ߟ
்
=
ௐ ( ௧ௗௗ)
ொ
ಹ
( ௦௧)
=
ொ
ಹ ష
ொ
ಽ
ொ
ಹ
= 1 −
ொ
ಽ
ொ
ಹ
(4)
Onde:
rendimento térmico total
calor transferido a baixa temperatura
calor transferido a alta temperatura
Deste enunciado, conclui-se que é impossível uma máquina térmica ter rendimento de
100 %, pois pela definição de rendimento térmico, o rendimento seria 100% se Q
L
= 0 (ou
seja, se houvesse apenas uma fonte de calor) ou se Q
H
fosse infinito. Assim, uma máquina
térmica tem que operar entre dois reservatórios térmicos - recebendo calor, rejeitando uma
parte do calor e realizando trabalho.
2.3 - Viscosidade
A viscosidade é a propriedade dos fluidos correspondente ao transporte microscópico
de quantidade de movimento por difusão molecular, ou seja, quanto maior a viscosidade,
menor será a velocidade em que o fluido se movimenta. Ela pode ser definida como a
resistência que o fluido oferece a deformação por cisalhamento (tensão de cisalhamento).
=
T
η
=
L
Q
=
H
Q
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 14
A definição de viscosidade está relacionada com a Lei de Newton, que diz que a
tensão de cisalhamento é diretamente proporcional ao gradiente da velocidade aplicada no
fluido. Os fluidos que satisfazem os critérios de Newton são conhecidos como fluidos
newtonianos, como por exemplo, a água e a maioria dos gases. Os fluidos não newtonianos
têm um comportamento mais complexo e não linear.
2.3.1 - Viscosidade dinâmica
Viscosidade dinâmica é a medida da resistência interna que o fluido forma contra o
fluxo. Esta viscosidade tem como unidade o Pa.s, em unidades do SI, sendo também
usualmente representada em centipoise (cP). O valor da viscosidade dinâmica varia de fluido
para fluido e, para um fluido em particular, esta viscosidade depende muito da temperatura.
Os gases e líquidos possuem comportamento diferente com relação à dependência da
temperatura, conforme mostra a Tabela 2.1.
Tabela 2.1. Comportamento dos fluidos com relação à viscosidade
Fluido
Comportamento
Fenômeno
Líquidos
A viscosidade diminui
com a temperatura
Observa-se um pequeno espaçamento
entre moléculas e ocorre a redução da
atração molecular com o aumento da
temperatura
Gases
A viscosidade aumenta
com a temperatura
Observa-se um grande espaçamento entre
moléculas e ocorre o aumento do choque
entre moléculas com o aumento da
temperatura
2.3.2 - Viscosidade cinemática
A viscosidade cinemática é a relação entre a viscosidade dinâmica e a massa específica
do fluido, conforme mostrado na Equação (5). No SI, sua unidade é m
2
/s, sendo também
usualmente utilizado o centistoke (cSt).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 15
ߴ =
ఓ
ఘ
(5)
Onde:
ϑ = viscosidade cinemática do fluido [m
2
/s]
µ = viscosidade dinâmica do fluido [Pa.s]
ρ = massa específica do fluido [kg/m
3
]
2.3.3 - Medição de viscosidade
Para medir as viscosidades existem diversos aparelhos de medição, tais como
viscosímetros e reômetros. O parâmetro mais importante a ser controlado é a temperatura da
medição, pois o resultado depende muito desta característica. As classes de viscosidades têm
vários institutos de classificação, sendo o mais conhecido o SAE.
2.4 - Combustão
O processo de combustão envolve diversas reações químicas que liberam energia, na
forma de calor e luz. As principais reações desse processo ocorrem entre os componentes do
combustível e o oxigênio do ar atmosférico, ou ar de combustão. Entretanto, outras reações
são possíveis, como entre os componentes do ar ou entre os componentes do próprio
combustível.
A energia liberada no processo de combustão normalmente é quantificada pelo poder
calorífico de um combustível, o qual é definido como a quantidade de calor desprendido pela
combustão completa de uma unidade de volume ou massa do combustível.
Se quantidade de calor for medida com a condensação do vapor d’água formada na
queima da fase gasosa, o poder calorífico é chamado de poder calorífico inferior (PCI). Caso a
água gerada na combustão seja considerada na fase líquida, tem-se o poder calorífico superior
(PCS). A diferença entre eles é, portanto, exatamente a entalpia de vaporização da água
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 16
fornecida pela queima do hidrogênio contido no combustível e da água contida no
combustível como unidade do mesmo (Garcia, 2002).
2.5 - Gás Liquefeito do Petróleo - GLP
O GLP, gás liquefeito de petróleo, é constituído por hidrocarbonetos que são
produzidos no início da destilação do petróleo, ou durante o processamento do gás natural.
Dependendo da origem e dos processos de tratamento a que foram submetidos, podem
apresentar variações na composição. Desse modo, o GLP obtido do gás natural não contém
hidrocarbonetos insaturados, ao passo que, quando é obtido a partir de gases de refinarias
(petróleo), esses hidrocarbonetos podem aparecer em quantidades variáveis. Para o GLP
proveniente do petróleo, os hidrocarbonetos que aparecem em maiores proporções são os
compostos de três átomos de carbono (propano e propeno) e de quatro carbonos (butano e
buteno). Pequenas quantidades de etano e pentano também podem ocorrer (Vaz et al., 2008).
O GLP tem amplo emprego tanto em aquecimento doméstico como industrial.
Apresenta grandes vantagens sobre os combustíveis sólidos ou líquidos, devido ao seu alto
poder calorífico, que é da ordem de 11.500 kcal/kg, ou seja, 48.150 kJ/kg (Liquigás, 2010).
2.6 - Obtenção do bio-óleo
2.6.1 - Biomassa
Biomassa pode ser definida como qualquer fonte de carbono fixo. O termo usado
descreve toda a matéria de origem vegetal, seja ela floresta nativa ou plantada, as culturas
agrícolas e seus resíduos, como bagaço de cana, casca de arroz ou de café, galhos de árvores,
óleos vegetais, ou de espécies plantadas, além do lixo urbano e do esterco de animais. O
Brasil é um país naturalmente rico em biomassa. Os processos de transformação desses
recursos em energia, combustíveis e produtos como alimentos e materiais são inúmeros.
A biomassa precisa ser convertida a combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos que
serão usados para gerar eletricidade, fornecer calor ou para mover automóveis. Essa
conversão é feita através de processos termoquímicos, bioquímicos e mecânicos. Combustão,
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 17
gaseificação, pirólise e liquefação são exemplos de processos termoquímicos. Dentre os
processos bioquímicos há a fermentação, para converter açúcar em etanol, e a digestão
anaeróbica para produção de biogás. Os processos mecânicos não são exatamente um
processo de conversão, uma vez que eles não alteram o estado físico da biomassa. Exemplos
de processos mecânicos são a compactação de resíduos na forma de peletes, moagem ou
picagem de palha, extração mecânica do óleo em filtro prensa (Bridgwater, 2006).
A biomassa utilizada neste estudo foi a serragem de madeira, que a partir de dados
fornecidos pelo Instituto de Tecnologia do Paraná, apresentam valores de poder calorífico de
9.000 kJ/kg (10% de base úmida) e 19.000 kJ/kg (base seca).
2.6.2 - Pirólise
O termo pirólise é utilizado para caracterizar a decomposição térmica de materiais
contendo carbono, na ausência de oxigênio. Assim, madeira, resíduos agrícolas, ou outro
qualquer tipo de material orgânico se decompõe, dando origem a três fases: uma sólida, o
carvão vegetal; outra gasosa e finalmente, outra líquida, comumente designada de bio-óleo. A
proporção relativa das fases varia como função da temperatura, do processo e do tipo de
equipamento empregado. Geralmente a temperatura situa-se na faixa de 400ºC a 1000°C. A
presença de oxigênio é variável pelo tipo de matéria orgânica empregada no processo, sendo
que a introdução de oxigênio permite a continuidade do processo de pirólise com aumento de
rendimentos. Observa-se um melhor rendimento na recuperação de subprodutos, baixo
impacto ambiental, e aplicabilidade do bio-óleo em escala industrial.
É interessante ressaltar que a definição dada para o processo de pirólise exclui a
presença de oxigênio, embora na prática muitos processos de pirólise sejam conduzidos com
alimentação de ar. Isto se justifica pelo fato de que sendo o processo como um todo
endotérmico, calor é requerido para o seu pleno desenvolvimento. Nada mais lógico, portanto,
que tentar conduzir o processo de tal forma que o oxigênio adicionado possibilite a combustão
de parte dos produtos combustíveis formados, gerando, portanto o calor necessário ao
processo.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 18
A grande aplicação do processo de pirólise tem sido na produção de carvão vegetal,
cujo rendimento pode chegar ate 40% em peso, em relação à matéria-prima. O bio-óleo,
principal subproduto e composto basicamente de alcatrões solúveis e insolúveis e ácido
pirolenhoso que contem produtos químicos valiosos como o ácido acético, metanol e acetona.
Na maioria dos processos pirolíticos a fase gasosa é utilizada como fonte de energia
suplementar ao processo e o seu rendimento pode variar desde 5% a 20% em peso,
dependendo da temperatura em que o processo se realiza.
A pirólise recebe diferentes denominações dependendo das condições utilizadas. Na
pirólise lenta, ou carbonização, são empregadas baixas temperaturas e longos tempos de
residência favorecendo a produção de carvão vegetal. Altas temperaturas e longos tempos de
residência favorecem a formação de gases. Temperaturas moderadas e baixo tempo de
residência dos gases favorecem a produção de líquidos (bio-óleo). Na Tabela 2.2 são
mostrados alguns exemplos do perfil de rendimentos dos produtos para diferentes condições
de processo da pirólise (Bridgwater, 2003).
Tabela 2.2. Rendimentos típicos obtidos para diversos tipos de pirólise. (Adaptado
de Bridgwater, 2003)
Processo Condições operacionais
Líquido
(%p/p)
Sólido
(%p/p)
Gás
(%p/p)
Pirólise lenta
(Carbonização)
Temperatura baixa ~ 400ºC
Tempo de residência - horas/dias
30 35 35
Pirólise rápida
Temperatura moderada ~ 500ºC
Tempo de residência dos vapores
baixo ~ 1 s
75 12 13
Pirólise tipo
Gaseificação
Temperatura elevada ~ 800ºC
Tempo de residência dos vapores
longo
5 10 85
Na Tabela 2.3 são mostrados alguns tipos de pirólise com suas respectivas condições
operacionais típicas.
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Aluisio Azevedo Neto 19
Tabela 2.3. Produtos típicos obtidos para diversos tipos de pirólise (Adaptado de Mohan et al., 2006)
Processo
Tempo de
residência
Temperatura
(ºC)
Taxa de
aquecimento
Produto Principal
Pirólise lenta
(Carbonização)
horas/dias 300 – 500 Muito baixa Carvão vegetal
Pirólise
convencional
5 – 30 min 400 – 600 Baixa
Bio-óleo, carvão e
gases
Pirólise rápida 0,5 – 5 s 400 – 650 Alta Bio-óleo
Pirólise flash
- Líquidos
- Gases
< 1 s
< 1 s
400 – 650
> 650
Alta
Alta
Bio-óleo
Químicos e gás comb.
Ultra-rápida < 0,5 s 1000 Muito alta Químicos e gás comb.
A pirólise rápida para produção de líquidos é uma rota bastante atrativa uma vez que o
líquido, de maior densidade, pode ser transportado, estocado e manuseado com maior
facilidade e menor custo que a biomassa sólida de menor densidade.
Os principais requerimentos do processo de pirólise rápida são:
• Altas taxas de aquecimento e de transferência de calor, requerendo uma biomassa
finamente moída;
• Temperatura de reação controlada em torno de 500°C;
• Baixo tempo de residência dos vapores, tipicamente menor que 2 s;
• Resfriamento rápido dos vapores.
O processo de pirólise rápida compreende uma etapa de secagem da biomassa,
tipicamente para menos de 10% de umidade afim de minimizar a quantidade de água no
produto líquido, moagem da biomassa para obter tamanho de partículas suficientemente
pequeno, reação de pirólise, separação do carvão dos gases e vapores e condensação rápida
dos vapores e coleta do bio-óleo.
O rendimento de líquido, bio-óleo, atinge um máximo para temperaturas em torno de
500ºC e seu valor é de cerca de 65%. Considerando bio-óleo+água, o rendimento máximo é
de cerca de 70%. O rendimento de gás aumenta e o de carvão vegetal diminui com o aumento
da temperatura (Bridgwater, 2003).
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Aluisio Azevedo Neto 20
2.6.3 - Bio-óleo
O bio-óleo, conhecido também como óleo de pirólise, líquido de madeira, óleo de
madeira, condensado da fumaça, destilado da madeira, é um líquido de coloração marrom
escura, quase negra, e odor característico de fumaça com composição elementar próxima a da
biomassa. O bio-óleo é uma mistura complexa de compostos oxigenados com uma quantidade
significativa de água, originada da umidade da biomassa e das reações, podendo conter ainda
pequenas partículas de carvão e metais alcalinos dissolvidos oriundos das cinzas. A sua
composição depende do tipo de biomassa, das condições de processo, do equipamento e da
eficiência na separação do carvão e na condensação. O bio-óleo pode ser considerado como
uma microemulsão na qual a fase contínua é uma solução aquosa dos produtos da
fragmentação da celulose e hemicelulose, que estabiliza a fase descontínua que são as
macromoléculas de lignina pirolítica (ibid).
Bio-óleo é uma fonte de energia alternativa atraente por vários motivos. Mais
notavelmente, ele é totalmente renovável e facilmente criado a partir de resíduos comuns.
Usando como matéria-prima da biomassa, como madeira, o processo de pirólise resulta em
taxas muito baixas de emissões de dióxido de carbono e óxidos de enxofre. A energia
produzida com bio-óleo é também mais limpa do que a energia gerada por combustíveis
fósseis: Durante a combustão de uma turbina a gás usando bio-óleo, a mesma libera 50%
menos óxidos de nitrogênio. No curto prazo, o bio-óleo poderá ser usado facilmente no lugar
do tradicional óleo combustível em fornos e caldeiras. No longo prazo, o desenvolvimento de
grandes plantas de refino de bio-óleo abrirá uma ampla gama de aplicações para o mesmo.
Tanto como fonte energética, como de produtos químicos, bio-óleo é um dos mais versáteis
combustíveis de biomassa existente.
Esse produto apresenta características diferentes do óleo combustível. Possui um teor
elevado de oxigênio (35 - 40%p/p) e de água (15-30%), acidez alta (pH ~ 2,5), maior
densidade (1,2 kg/l), menor poder calorífico superior (17 MJ/kg), que representa cerca de
40% do poder calorífico do óleo combustível (43 MJ/kg) (Almeida, 2008). A Tabela 2.4
apresenta dados básicos entre bio-óleo obtido a partir da pirólise da madeira e óleos
combustíveis derivados de petróleo (Oasmaa e Czernik, 1999).
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Aluisio Azevedo Neto 21
Tabela 2.4. Propriedades típicas de bio-óleo da pirólise da madeira e de óleos combustíveis (Adaptado
de Oasmaa e Czernik, 1999)
Propriedade física Bio-óleo Óleo Combustível
Teor de umidade (%) 15 - 30 0,1
pH 2,5 -
Densidade (kg/m
3
) 1200 940
Composição química
C (%) 54 - 58 85
H (%) 5,5 - 7 11
O (%) 35 - 40 1
N (%) 0 - 0,2 0,3
Cinzas (%) 0 - 0,2 0,1
PCS (MJ/kg) 16 - 19 40
Viscosidade (a 50ºC) (cP) 40 - 100 180
Sólidos 0,2 - 1 1
Resíduos de destilação maior que 50 1
2.7 - Calor
2.7.1 - Equação fundamental da calorimetria
A quantidade de energia térmica, Q, necessária para alterar a temperatura de um
material de uma temperatura inicial, T
0
, a uma temperatura final, T
f
, depende da capacidade
de calor do material, de acordo com a relação apresentada pela Equação (6).
q m.c. T
= ∆
(6)
Onde:
q = quantidade de energia trocada [kJ]
m = massa do corpo [kg]
c = calor específico [kJ/kg.K]
∆T= temperatura da superfície emitente [K]
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Aluisio Azevedo Neto 22
2.7.2 - Mecanismos de transferência de calor
Mecanismo de transferência de calor é o processo pelo qual o calor flui de um corpo
de alta temperatura para um de baixa. O corpo quente é denominado fonte e o corpo frio
receptor. Naturalmente, a transmissão de calor se dá da fonte para o receptor, e são três os
modos de transmissão: condução, convecção e radiação - muito embora nos processos de
troca térmica quase sempre ocorre combinação de dois ou três destes modos. É possível
quantificar processos de transferência de calor em termos de equações e taxas apropriadas
(Incropera et al., 2008).
Está implícito, na definição acima, que um corpo nunca contém calor, mas calor é
identificado como tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é, portanto, um
fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura.
A condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma
região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido,
líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser
visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas
menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas.
Para a condução térmica, a equação da taxa é conhecida como lei de Fourier, expressa
pela Equação (7). A mesma é utilizada para se obter fluxo de calor transferido por condução
através de uma parede unidimensional, de acordo com Incropera et al. (2008).
ݍ
= −݇.ܣ.
ௗ்
ௗ௫
(7)
Onde:
ݍ
= fluxo de calor por condução [W]
k = condutividade térmica do material [W/m.K]
A = área de seção transversal material [m
2
]
dx = comprimento do trajeto do calor [m]
dT = gradiente de temperatura [K]
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 23
A razão do sinal menos na equação é que como o calor flui do ponto de temperatura
mais alta para o de temperatura mais baixa, o balanço dará negativo.
A transferência de calor por convecção ocorre entre um fluido em movimento e uma
superfície, quando os dois se encontram a diferentes temperaturas. A transferência acontece
tanto pelo movimento molecular aleatório quanto pelo movimento global do fluido. Ela pode
ser natural (ou livre), mista ou forçada, dependendo das condições de escoamento do fluido.
A Equação (8) é utilizada para se obter a quantidade do fluxo de calor transferido por
convecção, independentemente da natureza particular do processo de convecção, de acordo
com Incropera et al. (2008).
ݍ
௩
= ℎ
ܣ
௧
∆ܶ (8)
Onde:
q
ୡ୭୬୴
= fluxo de calor transferido por convecção [W]
A
t
= área de transferência de calor [m
2
]
h
c
= coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m
2
K]
∆T = diferença de temperatura entre a superfície e a do fluido [K]
A radiação pode ser definida como o processo pelo qual calor é transferido de uma
superfície em alta temperatura para uma superfície em temperatura mais baixa, quando tais
superfícies estão separadas no espaço, ainda que exista vácuo entre elas. A energia assim
transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma de ondas eletromagnéticas.
A taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m
2
) é conhecida também
como poder emissivo, que é previsto pela Lei de Steffan-Boltzmann, onde a temperatura de
superfície deve ser considerada em unidades absolutas (K) e σ é a constante de Steffan-
Boltzmann. A Equação (9) é utilizada para se obter a quantidade de fluxo de calor transferido
por radiação, de acordo com Incropera et al. (2008). A emissividade (ε) é uma propriedade
radiante da superfície que define uma relação entre a capacidade de emissão do material
comparado com um componente ideal, conhecido como corpo negro. Ela depende do tipo de
material usado na superfície, seu acabamento e sua cor.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 24
ݍ
ௗ
= ߝ.ߪ.ܣ.൫ܶ
௦௨
ସ
− ܶ
௩௭
ସ
൯ (9)
Onde:
q
୰ୟୢ
= fluxo de calor por irradiação [W]
=
ε
emissividade, propriedade radiativa da superfície, 0≤
ε
≤ 1
=
σ
constante de Stefan-Boltzmann, (
σ
= 5,67.10
-8
W/m
2
.K
4
)
A = área da superfície emitente [m
2
]
T
sup
= temperatura da superfície emitente [K]
T
viz
= temperatura da vizinhança [K]
2.7.3 - Calor específico
Calor específico é uma grandeza que caracteriza a facilidade ou dificuldade de um
determinado material variar sua temperatura quando troca energia na forma de calor. É
importante ressaltar que esta característica depende apenas do material de que é feito o corpo.
O calor específico de um dado material sofre variações de acordo com a temperatura.
Rigorosamente, pode-se dizer que, de algum modo, ele depende da temperatura inicial e do
intervalo de temperatura.
2.8 - Medição e registro de temperatura
Os termopares são os sensores de temperatura mais utilizados. Sua simplicidade e
confiabilidade são o maior apelo à sua utilização. São de baixo custo, podem medir uma vasta
gama de temperaturas e podem ser substituídos sem introduzir erros relevantes.
Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de
metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o
nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao
instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde
flui a corrente.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 2: Fundamentação Teórica
Aluisio Azevedo Neto 25
O termopar do tipo K é recomendável para uso em atmosferas oxidantes ou inertes na
sua faixa de trabalho. Por causa de sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J e
E, e por isso, são largamente usados em temperaturas superiores a 540ºC.
2.9 - Medição de vazão
Medição de vazão é a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que
passam por um determinado local na unidade de tempo. A quantidade total movimentada
pode ser medida em unidades de volume (litro, mm
3
, cm
3
, m
3
, galões, pés cúbicos) ou em
unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades
acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m
3
/hora, galões/min). A quantidade do
fluido pode ser medida em volume (vazão volumétrica) ou em massa (vazão mássica),
(Delmee, 2003).
Neste trabalho, a realização da medição da vazão volumétrica do GLP foi realizada
por meio de um rotâmetro. A medição da vazão volumétrica do bio-óleo diluído, foi realizada
utilizando a Equação (10). Para converter a vazão volumétrica em vazão mássica foi utilizada
a Equação (11) (ibid). A vazão de gás foi utilizada para determinação do consumo do
combustível. A vazão de bio-óleo diluído, para determinar a proporção da mistura com o
GLP.
ܳ =
௧
(10)
Onde:
Q = vazão volumétrica [m
3
/s]
V = volume do fluido [m
3
]
t = tempo de escoamento [s]
݉ሶ = ܳ∙
ρ
(11)
Onde:
mሶ = vazão em massa [kg/s]
Q = vazão volumétrica do fluido [m
3
/s]
ρ = massa específica do fluido [kg/m
3
]
Capítulo 3
Estado da Arte
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 3: Estado da Arte
Aluisio Azevedo Neto 27
Capítulo 3 - Estado da Arte
3.1 - Introdução
Conforme Weiss e Loeck (2002) a primeira utilização em série da tecnologia
infravermelha foi realizada pelo célebre Henry Ford, que efetuou a troca de filamentos de
lâmpadas elétricas comuns por filamentos mais potentes que produzissem radiação suficiente
a valores próximos do espectro infravermelho em processos de secagem de pintura em
automóveis.
Os primeiros queimadores infravermelhos a gás surgiram entre as décadas de 20 e 30 e
eram do tipo lâmpada com filamento. A faixa de utilização se resumia em fornos, fornalhas e
equipamentos da indústria têxtil. Na década de 50 houve uma evolução no que diz respeito a
sua estrutura, pois o conceito de “porosidade” começou a ser implantado porque se alcançava
mais eficiência, maior estabilidade de chama e limites de flamabilidade mais alargados (ibid).
Apesar dessa tecnologia ser conhecida há bastante tempo, somente nos últimos 10
anos é que se deu mais importância aos estudos referentes ao desenvolvimento e aplicação
desses queimadores.
A seguir serão apresentados alguns trabalhos correlatos sobre combustão
infravermelha, além de trabalhos que tratam sobre bio-óleo.
3.2 - Pesquisas com queimadores infravermelhos
Weiss e Loeck (2002) publicaram artigo técnico que tratava sobre a utilização de
queimadores infravermelhos a gás para diversos segmentos industriais. De início foi abordado
o histórico dos primeiros modelos utilizados para fins específicos (principalmente em
processos de secagem de superfícies). Foram apresentadas vantagens técnicas, como por
exemplo, características de queima, segurança operacional e impacto no meio ambiente.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 3: Estado da Arte
Aluisio Azevedo Neto 28
Segundo os autores, esse queimador apresenta uma característica bem interessante, que é a
larga banda de formas e tamanhos do seu conjunto estrutural.
Silva (2003) realizou uma pesquisa com o intuito de verificar qual a potência e as
alterações que acontecem nas condições de funcionamento de um queimador infravermelho
atmosférico e também constatar as mudanças que se evidenciam necessárias nos parâmetros
de pressão definidos pelo fabricante a fim de conseguir uma maximização da eficiência da
combustão. Foram avaliados diferentes diâmetros de bico injetor para verificar o
comportamento da queima, possibilitando uma otimização do equipamento. Vários testes
foram feitos com diferentes configurações e diferentes pressões de trabalho.
Espinoza (2004) desenvolveu um protótipo de queimador de ar forçado que utilizava
placa cerâmica refratária como suporte de queima com o intuito de verificar as características
de funcionamento do queimador desenvolvido, com vistas à redução dos custos de fabricação.
O trabalho relaciona a temperatura máxima obtida na superfície do leito cerâmico com a
temperatura máxima atingida pela tela metálica do protótipo apresentado. Verificou-se,
conforme as condições estabelecidas, que os valores de temperatura da superfície da placa
foram influenciados pela temperatura adiabática da chama que teve redução devido ao grande
excesso de ar. Através da análise dos produtos da combustão na saída dos gases, utilizando
um analisador de gases, verificou-se que o baixo teor de CO
2
encontrado foi influenciado pelo
tamanho da placa cerâmica.
Barcellos et al. (2007) estudaram e desenvolveram um novo conceito de caldeira não-
convencional que é constituída de um queimador poroso, o qual promove um processo de
combustão estável, com elevado nível de eficiência e baixas emissões. Os resultados quanto à
eficiência térmica do sistema, à estabilidade de combustão e às emissões da caldeira, são
realizados com a caldeira fundamentalmente operando com o gás natural, com misturas ar-
combustível ultrapobres. O protótipo desenvolvido atingiu boas eficiências térmicas,
produzindo níveis de emissões de NOx e CO em torno de 2 ppm.
Farias (2009) utilizou um queimador infravermelho a gás como fonte térmica para o
funcionamento de um protótipo de um microgerador termoelétrico para fornecimento de
energia elétrica. O protótipo apresentou uma eficiência de conversão química para elétrica de
0,31% e aproveitamento térmico de cogeração da ordem de 33,2%, resultando numa
eficiência global de 33,51%. A eficiência exergética próxima da energética mostrou que o
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 3: Estado da Arte
Aluisio Azevedo Neto 29
aproveitamento útil da energia primária fornecida pelo queimador infravermelho foi
satisfatório, embora o microgerador proposto tenha apresentado, ainda, um baixo desempenho
devido à subutilização da área aquecida pelo número reduzido de módulos termoelétricos,
como também, um gradiente térmico abaixo do ideal informado pelo fabricante dos módulos
devido à baixa eficiência do sistema de arrefecimento.
3.3 - Estudos sobre bio-óleo
Adão (2006) realizou uma pesquisa, objetivando monitorar a viscosidade do bio-óleo
em 2, 5, 10, 15 e 20% (v/v) de etanol durante período de 15, 30, 45 e 60 dias de estocagem a
temperatura ambiente (22°C) avaliando a possibilidade de uso do biocombustível, obtido
através do processo de esterificação (catálise ácida em etanol) da fração mais ácida (pH = 2)
do bio-óleo, em mistura ou como aditivo aos principais combustíveis fósseis automotivos
(diesel e gasolina) comercializados no Brasil. Como resultado verificou que a variação na
viscosidade no bio-óleo e no bio-óleo/etanol foi constatada e mostrou-se mais acentuada no
bio-óleo com 5% de etanol. Além disso, a concentração melhor para armazenamento do bio-
óleo foi em 10 e 15% de etanol, pois o aumento de viscosidade do óleo durante o período e
nas condições de monitoramento foi mais discreto. Contudo, a mistura com a gasolina
constituiu emulsões estáveis, porém a adição do biocombustível ao diesel comercial não foi
favorável mesmo com a utilização de tensoativos.
Almeida (2008) estudou o co-processamento do gasóleo com o bio-óleo, oriundo da
pirólise rápida da palha da cana, no processo de craqueamento catalítico (FCC) verificando
seu efeito nos rendimentos e na qualidade dos produtos. Além disso, também verificou a
influência de diferentes catalisadores no processo de pirólise catalítica de biomassa visando a
obtenção de um bio-óleo de melhor qualidade, ou seja, com um menor teor de oxigenados,
que possa ser co-processado em refinarias de petróleo. Os estudos de pirólise catalítica foram
conduzidos em um reator TGA-Vortex a 450-550°C utilizando como matéria-prima a lignocel
e a palha da cana-de-açúcar. Foram testados catalisadores ácidos, contendo ZSM-5, e básicos,
MgO e hidrotalcita. Os catalisadores básicos favoreceram as reações de descarboxilação,
enquanto que os ácidos favoreceram as reações de descarbonilação e de desidratação. A
desoxigenação via descarboxilação é a rota mais indicada para produzir biocombustíveis a
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 3: Estado da Arte
Aluisio Azevedo Neto 30
partir do bio-óleo, uma vez que são produzidos produtos com maior relação H/C e
conseqüentemente com maior conteúdo energético. Portanto, os catalisadores básicos são os
mais indicados. Os resultados sugerem que o co-processamento de bio-óleo, obtido via
pirólise catalítica, com uma carga oriunda de petróleo no processo de FCC é uma rota com
potencial para obtenção de biocombustíveis. O uso da infra-estrutura existente para produção,
distribuição e transporte de biocombustíveis seria outro aspecto atrativo do ponto de vista
econômico.
Zhang et al. (2009) estudou as características de combustão e de cinética química do
bio-óleo derivada da casca de arroz e milho por termogravimetria, que não apenas pode
fornecer dados de base mais confiáveis sobre a queima dos bio-óleos, como também fornece
uma referência de qualidade de avaliação dos mesmos. A análise das caracteristicas de
combustão mostra que ele é de fácil volatilização e queima. Com relação a cinética da
combustão, utilizando o método de Coats Redfern, determinou-se a ordem da reação e a
energia de ativação correspondentes em faixas de temperatura diferentes. O autor concluiu
que as diferenças na energia de ativação refletem-se por haver diferentes mecanismos de
reações nas diferentes faixas de temperaturas ensaiadas a partir do processo de combustão dos
bio-oleos.
Oasmaa et al. (2010), objetivou obter, através da pirólise rápida da madeira e de
resíduos da agricutura, um bio-óleo como uma alternativa para substituir os combustíveis
fósseis, bem como resultados de uma avaliação técnico-econômica. Para isso foi feita uma
análise ampla a respeito de vários ítens em comparação com os óleos combustíveis, tais como:
custo, disponibilidade, preço, tecnologias de produção, composição, poder calorífico, entre
outros. Ele verificou que quando a matéia-prima era de madeira, havia uma maior rendimento
de líquido orgânico, enquanto que com resíduos agrícolas esse rendimento era menor, devido
principalmente a presença de grandes quantidades de metais alcalinos. Além disso, a
qualidade dos bio-óleos avaliados no trabalho foram bons, com teores de água menores que
30% e de resíduos sólidos menores que 0,5%. Com relação aos teores de nitrogênio, enxofre e
cloro foram maiores para a biomassa agrícola.
Gupta et al. (2010), em seu trabalho apresentou uma profunda revisão a respeito de
combustíveis alternativos como solução para problemas da diminuição das reservas de
combustíveis fósseis e preservação ambiental. O mesmo mostrou que o uso de bicombustíveis
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 3: Estado da Arte
Aluisio Azevedo Neto 31
em automóveis e aplicações de aquecimento vem crescendo dia-a-dia, havendo uma ampla
gama de oportunidades de utilização em outros setores, tais como turbinas a gás e segmento
aeronáutico, a partir da realização de estudos para adaptação destas máquinas. Foi frisado que
a utilização de biocombustíveis produzidos a partir de biomassa, tais como plantas ou
resíduos orgânicos, é importante e imprescindível, pois com os mesmos pode ser reduzida a
dependência da produção de petróleo e emissão de gases causadores do efeito estufa. Vários
biocombustíveis foram analisados neste artigo, tais como bio-óleo de pirólise, bio-diesel, bio-
etanol, metanol, biogás, entre outros, sendo atualmente pesquisado o uso deles em turbinas a
gas, principalmente no segmento de geração de energia, por diversos pesquisadores.
Capítulo 4
Materiais e Métodos
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 33
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
4.1 - Introdução
Neste capítulo, serão apresentadas as metodologias utilizadas nos experimentos
realizados no Laboratório de Energia da UFRN. Primeiramente, foram realizados testes para
determinar a proporção de diluição do bio-óleo com álcool etílico absoluto, juntamente com
testes de viscosidade e poder calorífico, para em seguida queimá-lo em uma bancada
experimental, desenvolvida para testes do queimador infravermelho, funcionando
simultaneamente com GLP e bio-óleo diluído atomizado com ar comprimido.
4.2 - Bio-óleo utilizado
4.2.1 - Produção da matéria-prima
O bio-óleo utilizado foi fornecido pelo Laboratório de Biomassa e Biocombustíveis da
UFRN, obtido a partir de pirólise rápida realizada com a biomassa de serragem de madeira. O
processo consiste na injeção da biomassa na planta de pirólise do laboratório, com um reator
de leito fluidizado funcionando a cerca de 500ºC, onde ocorre a reação. Após a pirólise
rápida, temos como produto o carvão e os gases de pirólise. Por gravidade o carvão cai em
reservatórios e os gases seguem, onde sofrem uma “lavagem” para eliminar pequenas
impurezas, e após condensação, se transforma no bio-óleo utilizado neste estudo.
4.2.2 - Diluição do bio-óleo
Um dos problemas enfrentados com o bio-óleo foi a alta viscosidade apresentada,
além do envelhecimento rápido e polimerização.
A adição de etanol ao bio-óleo pode ocasionar alteração na viscosidade do mesmo
através de três mecanismos propostos por Oasmaa et al. (2004). O primeiro trata-se da
diluição física sem afetar a velocidade de reações químicas, o segundo da diminuição da
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 34
velocidade de reações pela diluição ou mudança na microestrutura, e o último das reações
químicas entre o solvente e os componentes do bio-óleo que previnem uma possível
polimerização.
Adão (2006) realizou estudo de diluição com etanol absoluto, com objetivo de conter
ou retardar o processo de envelhecimento e aumento da viscosidade do bio-óleo. Foi
adicionado 2, 5, 10, 15 e 20% de etanol absoluto e essas amostras foram avaliadas durante um
período de 60 dias a temperatura ambiente (22ºC), através do monitoramento da viscosidade.
Considerando todas as diluições do bio-óleo com etanol, esperava-se que a mistura
contendo 2 % do álcool fosse a condição mais desfavorável para armazenamento. No entanto,
o bio-óleo com 5 % de etanol apresentou a maior variação de viscosidade, cujo valor ao longo
de 60 dias chegou ao dobro daquele determinado inicialmente. Esta provavelmente foi a
melhor condição para polimerização, oxidação e outras reações ou processos físicos que
contribuem para o envelhecimento do bio-óleo durante a estocagem (ibid).
Outro fator importante para reações de envelhecimento é o grande teor de sólidos do
bio-óleo. A elevada área superficial específica dos sólidos presentes no bio-óleo apresenta
propriedades catalíticas que favorecem as reações de oxidação e polimerização (ibid).
Foi observado nas amostras fornecidas pelo Laboratório de Biomassa e
Biocombustíveis, que no fundo dos frascos do bio-óleo havia a formação de uma borra ou
“goma” (material resinoso semi-sólido) (Figura 4.1).
Figura 4.1. Borra de bio-óleo que se localiza no fundo dos frascos
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 35
A goma é ocasionada em função da reação dos hidrocarbonetos insaturados presentes
com o oxigênio do ar, fazendo com que os componentes sofram reações de oxidação e
polimerização (Santos et al., 2003).
Por meio das informações colhidas na dissertação de Adão (2006), foi iniciada a
diluição com 10% de álcool etílico absoluto, crescendo em ordem de 5%, até atingir um
percentual máximo de 25% para a mistura. Foi observado que com percentuais inferiores a
25% não foi possível a completa homogeneização do bio-óleo. Desta forma, foi adotado
diluição padrão de 25% em todos os testes realizados neste trabalho, sendo nomeado este
combustível com o nome de BO25.
4.2.3 - Armazenamento e filtragem do BO25
O BO25 foi filtrado por meio de papel filtro comercial do tipo coador de papel médio
102 com 100% de fibras celulósicas da marca Melitta
®
(Figura 4.2). Desta forma, foram
removidas algumas impurezas ou borra presente ainda no combustível. Depois de filtrado, o
mesmo foi armazenado em becker de vidro transparente a temperatura ambiente, ao abrigo da
luz e fechado para evitar contato com o ar atmosférico.
Figura 4.2. Filtragem do BO25 com papel filtro
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 36
4.3 - Descrição da bancada de ensaios
A Figura 4.3 ilustra o diagrama esquemático do queimador infravermelho juntamente
com os equipamentos e instrumentos utilizados durante os ensaios e suas respectivas
localizações.
Figura 4.3. Esquema dos equipamentos utilizados para a realização da queima do combustível híbrido
Legenda:
1. Fonte de calor - botijão de gás GLP comercial de 13 kg;
2. Sistema de controle da chama do queimador – Manifold;
V
a
- Válvula do tipo agulha para fogo alto (vazão alta)
V
b
- Válvula do tipo agulha para fogo baixo (vazão baixa)
3. Válvula solenóide que atua no sistema de alimentação de gás GLP;
4. V
c
- Válvula de abertura/fechamento de gás (on/off);
5. Rotâmetro para medição do fluxo de GLP;
6. Bico injetor GLP - equipamento responsável por inserir o gás GLP no queimador;
V
g
1
3
6
2
7
8
V
b
V
a
E
S
V
c
4
9
11
12
10
ºC
ºC
5
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 37
7. Compressor de ar funcionado com pressão de operação de 300 kPa;
8. V
g
- Válvula do tipo agulha para regulagem do ar comprimido;
9. Eletroválvula que atua no sistema de alimentação do ar comprimido;
10. Bico injetor ar/BO25 - equipamento responsável por inserir a mistura atomizada do ar
comprimido e BO25 no queimador;
11. Queimador infravermelho;
12. Termopares para medição de temperatura.
O calor proveniente dos gases de saída do queimador infravermelho, a partir da
queima conjunto de GLP com BO25, foi utilizado para aquecer uma chapa metálica de
alumínio contendo um termopar para monitoramento da temperatura. Para medição da vazão,
foi utilizado um rotâmetro para o GLP e pipeta calibrada para o bio-óleo, a fim de determinar
e analisar o consumo de combustível híbrido. Um sistema de monitoramento de temperatura
foi interligado ao controlador para modulação de chama (alta e baixa) visando à proteção do
conjunto contra altas temperaturas.
4.3.1 - Procedimento para partida e regulagem do queimador
O procedimento de partida e regulagem do fogo alto/fogo baixo do sistema é
apresentado a seguir.
a) Todas as válvulas do sistema deverão estar fechadas (sentido horário);
b) A válvula de bloqueio do sistema de ar comprimido deverá permanecer sempre
fechada;
c) Abrir a válvula de fogo baixo (1 volta);
d) Abrir totalmente a válvula de bloqueio do botijão;
e) Abrir a válvula de abertura/fechamento de gás – on/off (¼ de volta);
f) Fazer a ignição do queimador;
g) Regular o fogo baixo, até a chama ficar com a cor azulada;
h) Ligar o sistema limitador de temperatura máxima na rede 220V. Sistema energiza
e abre a válvula solenóide;
i) Regular o fogo alto do queimador;
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 38
j) Buscar regulagem do queimador infravermelho até que o mesmo atinja a
temperatura de ensaio, a partir das válvulas de fogo alto/fogo baixo;
k) Após regulagem manter posicionamento das válvulas.
4.3.2 - Queimador infravermelho
O queimador infravermelho de 6,1 kW utilizado foi da marca Jackwal
®
(Figura 4.4). O
mesmo é fabricado por conformação de uma chapa de aço carbono formando uma carcaça
metálica revestida (esmaltada) com uma camada de vidro moído fundido. A carcaça tem as
seguintes dimensões: 170 mm de largura e 405 mm de comprimento.
Figura 4.4. Queimador infravermelho
Internamente, o queimador infravermelho possui um tubo Venturi, que é um tubo
cilíndrico-cônico que tem três seções distintas no qual o fluido que circula em seu interior
sofre variações de pressão e velocidade. Essas três seções são: cone de entrada (aumenta
progressivamente a velocidade do fluido), parte intermediária cilíndrica (onde ocorre um
pequeno abaixamento da pressão e a velocidade do fluido constante) e o cone de saída (que
diminui progressivamente a velocidade do fluido até ser igual à entrada).
O tubo Venturi do queimador infravermelho tem por objetivo provocar o arraste de ar
primário para a câmara de combustão e melhorar a relação ar-combustível.
As placas cerâmicas (três no total) contidas no interior da carcaça possuem furos que
funcionam como um microqueimador isolado, e o resultado do calor transmitido pela queima
no conjunto será a soma das energias liberadas por cada um desses microqueimadores.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 39
4.3.3 - Bicos injetores
4.3.3.1 - Bico injetor de GLP
O bico injetor de GLP utilizado foi o bico original da Jackwal
®
, com orifício de
1,4 mm (Figura 4.5).
Figura 4.5. Bico injetor de GLP
4.3.3.2 - Bico injetor de ar/BO25
Um dos objetivos desse trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de alimentação
e atomização do BO25. Foram estudadas e desenvolvidas diversas maneiras para injeção do
BO25 na câmara de combustão, se baseando principalmente em métodos gravitacionais, onde
havia uma grande dificuldade na atomização do combustível líquido. Esse problema foi
resolvido quando do desenvolvimento de sistema para injeção com ar comprimido.
Desta forma, para que o BO25 pudesse ser inserido adequadamente no queimador foi
utilizado um aerógrafo da marca Leepro Tools
®
dotado de reservatório e com regulagem do
propulsor de líquido. Interligado ao aerógrafo a linha de ar comprimido funcionando a pressão
de 300 kPa (Figura 4.6).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 40
A partir desta solução, foi possível atomizar o BO25 com ar comprimido de maneira
adequada para combustão no queimador infravermelho utilizado.
Figura 4.6. Bico injetor de ar comprimido/BO25
4.3.4 - Sistema de alimentação do gás GLP
A alimentação de gás GLP é proveniente de um botijão comercial de 13 kg, instalado
na parte externa do Laboratório de Energia. O mesmo é composto por uma válvula reguladora
de pressão e outra de bloqueio de gás. A válvula reguladora usada foi do fabricante Clesse-
Comap
®
, modelo APZ 400 com manômetro incorporado e capacidade de regulagem de 10 a
150 kPa. A pressão de regulagem de operação do sistema foi de 100 kPa.
O botijão foi conectado ao manifold do sistema por meio de uma mangueira de
borracha rígida de 3/8 polegadas de capacidade máxima de 500 psi.
Entre o manifold e o bico injetor de GLP, foi instalado um rotâmetro com objetivo de
medição e monitoramento do consumo em linha (Figura 4.7).
BO25
Ar
comprimido
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 41
Figura 4.7. Rotâmetro para medição da vazão de GLP
Este equipamento é largamente utilizado em laboratórios, indústria química,
farmacêutica, petroquímica, alimentar e mecânica, e consiste de um tubo cônico, com o
diâmetro menor do lado de baixo, dentro do qual existe um flutuador ou bóia. É através da
parte menor do tubo que o fluido entra. A bóia pode mover-se livremente na vertical, subindo
ou descendo no tubo, conforme aumenta ou diminui o fluxo. O tubo possui uma escala de
medida onde podemos ler diretamente o valor do fluxo através da borda de cima da bóia.
Convém notar que a bóia terá que ter uma densidade superior à do fluido.
Ao longo do comprimento do tubo existe uma relação entre o diâmetro da bóia e o
diâmetro interior do tubo. O diâmetro da bóia é fixo ao contrário do tubo interior do rotâmetro
que vai aumentando da base até ao topo. Se o fluxo é constante, a diferença de pressão sobre a
bóia iguala o peso efetivo da bóia e esta “fixa-se” na posição que define o fluxo. Quando este
aumenta, também a força que atua na bóia aumenta e empurra a bóia para cima. Quando o
fluxo diminui a bóia muda de posição para baixo (Figura 4.8). Nestes medidores a variação de
pressão é constante. Estes baseiam-se na variação da área de passagem do fluido entre a
parede do tubo e a bóia, com a altura (posição) da bóia.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 42
Figura 4.8. Detalhe do funcionamento do rotâmetro
4.3.5 - Sistema de alimentação do BO25
Para esse sistema de alimentação foi utilizado um sistema de ar comprimido
interligado num aerógrafo.
O ar utilizado foi comprimido por meio de um compressor da marca Schulz
®
operando
com uma pressão de 300 kPa. Para regulagem do vazão de ar comprimido foi instalada uma
válvula de agulha.
O aerógrafo é dotado de um reservátorio de líquido, e por meio da alimentação do ar
comprimido é responsável pela atomização do BO25.
4.3.6 - Sistema limitador de temperatura máxima e bloqueio de combustível
Para permitir o controle da temperatura máxima a ser atingida, utilizou-se um
controlador e indicador digital de temperatura do fabricante Tholz
®
, modelo MDH – P299
(Figura 4.9) com faixa de atuação (0 a 300ºC) ligado em série a um relé da Telemecanique
®
,
modelo CA2KN, responsável pelo acionamento da válvula solenóide e da eletroválvula que
têm como função bloquear os fluxos de combustíveis quando se atingia 270°C na superfície
de uma placa de alumínio.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 43
Figura 4.9. Controlador e indicador digital de temperatura
Uma eletroválvula ficou responsável por bloquear a injeção de ar comprimido do
sistema de alimentação do BO25 quando se atingia a temperatura máxima determinada de
270ºC e outra válvula solenóide da marca Parker
®
, modelo DT-1908, ligada a um manifold
(conjunto de válvulas reguladoras da vazão de GLP), bloqueava parcialmente o fluxo de gás
GLP (regulando fogo alto/ fogo baixo) do queimador quando atingia a mesma temperatura.
Portanto, essas válvulas eram acionadas simultaneamente (Figuras 4.10 e 4.11).
Figuras 4.10 e 4.11. Válvula solenóide e eletroválvula para bloqueio do combustível híbrido
(GLP/BO25)
Válvula
solenóide
do GLP
Eletroválvula
do BO25
Manifold
Válvula
regulagem
ar comprimido
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 44
4.3.7 - Sistema de medição de temperaturas
Nos ensaios realizados, a medição das temperaturas foi realizada por meio do
monitoramento e anotação das temperaturas envolvidas no processo, sendo controlado o
tempo por meio de um cronômetro digital de precisão.
4.4 - Procedimento de ensaio
4.4.1 - Requisitos de segurança
Foram seguidos procedimentos de segurança padrão, com o objetivo de prevenir
algum tipo de incidente e garantir a integridade física do operador do ensaio em caso de
ocorrer algum imprevisto.
A norma NBR 12313:2000 serviu de referência para o atendimento dos requisitos
mínimos de sistemas de combustão, no que diz respeito à segurança para as condições de
partida, operação e parada de equipamentos que utilizam gás. As medidas de segurança
tomadas foram:
- Utilização de equipamentos de proteção individual (EPI): máscara contra gases de
vapores orgânicos;
- Instalação de um extintor de incêndio específico para classe de incêndio B e C
próximo à bancada experimental;
- Colocação do botijão de gás GLP em área apropriada e segura antes do início do
ensaio (parte externa do laboratório de energia com circulação livre do ar atmosférico);
- Aplicação de teste de estanqueidade para detecção de vazamento de gás GLP e BO25
em todo o sistema de alimentação de combustível.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 45
4.4.2 - Ajustes preliminares
Após a conclusão da montagem da bancada experimental e a tomada dos
procedimentos de segurança, iniciou-se o teste de aquecimento do queimador infravermelho
para avaliação do seu desempenho preliminar.
Inicialmente operou-se com o queimador original utilizando gás GLP para verificação
e ajuste do funcionamento dos instrumentos de medição e do sistema de controle e proteção.
Em seguida, com o queimador infravermelho na condição de plena carga, foi atomizado o
BO25 na câmara de combustão através do bico injetor auxiliar. Essa operação objetivou
verificar a regulagem dos bicos injetores e o funcionamento do sistema de bloqueio do BO25
quando a temperatura na placa de alumínio atingia o valor programado no controlador.
De acordo com os testes realizados, observou-se que com a injeção adicional de cerca
de 10% de BO25 foi obtido os resultados mais sólidos para análise dos parâmetros, levando
em consideração as características da bancada de testes desenvolvida. Uma vez que nos
ensaios preliminares realizados com índice de adição de BO25 abaixo de 10%, ocorreram
problemas de entupimento do bico injetor projetado, e com a adição acima de 10%, os
problemas de entupimento foram na câmara de combustão causando o retorno de chama, além
de aumento demasiado das temperaturas envolvidas (acima dos limites de ensaio projetado
para a bancada).
4.4.3 - Descrição dos ensaios
O teste foi iniciado a partir da ignição do queimador infravermelho através de uma
chama piloto no bico injetor de gás GLP. O calor dos gases de exaustão foi transferido para a
placa de alumínio (dissipador térmico) através da convecção e da irradiação térmica (Figura
4.12).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 46
Figura 4.12. Queimador infravermelho em processo de combustão
O comportamento do perfil de aquecimento foi monitorado através do indicador de
temperatura da placa de alumínio, até alcançar o ponto ajustado no controlador.
Ao atingir o regime permanente de funcionamento, ou seja, quando não ocorreu mais
variação significativa na temperatura analisada, foi iniciado a injeção do BO25 no queimador
infravermelho. A partir deste momento, as medições simultâneas de consumo de gás GLP
(mL/min) e de BO25 (mL/min) foram realizadas.
4.4.4 - Atomização do BO25
Com o sistema estabilizado no regime permanente faz-se o ajuste da vazão do BO25,
determinado em testes preliminares, através da regulagem do fluxo de ar comprimido para
alimentação do bico injetor, atuando-se também na válvula de agulha de ajuste do spray. Por
ultimo posiciona-se o bico no queimador infravermelho.
Placa de alumínio
Queimador
infravermelho
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 47
4.5 - Dados dos ensaios
4.5.1 - Dados teóricos
4.5.1.1 - Composição média do ar atmosférico
A queima dos gases combustíveis pode ser feita com ar atmosférico ou com oxigênio
puro. A constituição aproximada do ar atmosférico é a seguinte:
- Em termos de volume, 20,8% O2 e 79,2% N2
- Em termos de massa, 23% O2 e 77% N2
4.5.1.2 - Composição do GLP
A composição química do GLP foi obtida junto a Liquigás Distribuidora S/A
®
e,
conforme as informações obtidas com essa empresa, os resultados obtidos pela cromatografia
gasosa do seu laboratório de análises asseveram que o GLP distribuído na região Nordeste do
Brasil tem em média 30% de propano, 60% de butano e 10% de pequenas frações de isômeros
de propano, butano, etano e pentano.
4.5.1.3 - Poder calorífico e massa específica do GLP
O poder calorífico inferior do GLP distribuído pelas refinarias da Petrobras S/A
®
no
Brasil, baseado nas informações obtidas a partir da composição química, apresenta o valor
médio de 11.500 kcal/kg (48.150 kJ/kg). Com relação a massa especifica, o valor médio é 2,1
kg/m3 (a 15,6ºC e 1 atm).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 48
4.5.1.4 - Composição do bio-óleo
Bio-óleo é uma mistura complexa de moléculas de diferente tamanhos, apresentado
cerca 55% de carbono, 38% de oxigênio, 6,5% de hidrogênio, 0,2% de nitrogênio, entre
outros (Qi, 2007).
4.5.1.5 - Massa específica do bio-óleo
A massa específica do bio-óleo é de 1.200 kg/m3 (Zhang et al., 2009).
4.5.1.6 - Composição do álcool etílico absoluto
O álcool etílico absoluto usado é do tipo PA-ACS fabricado pela QEEL
®
, onde a
mesma apresenta-se na forma pura com teor mínimo de 99,5% de CH3CH2OH e máximo de
0,2% de água.
4.5.1.7 - Poder calorífico e massa específica do álcool etílico absoluto
O poder calorífico do álcool etílico absoluto apresenta valor médio de 27.200 kJ/kg
(Feltre, 2005). A massa específica do mesmo é de 787,6 kg/m3 a temperatura de 25ºC, de
acordo com laudo técnico laboratorial da QEEL
®
.
4.5.1.8 - Massa específica do BO25
A massa específica do BO25, ou seja, bio-óleo diluído com 25% de álcool etílico
absoluto é de 1.100 kg/m
3
.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 49
4.5.2 - Dados medidos
4.5.2.1 - Procedimento para determinar a viscosidade do bio-óleo e BO25
A viscosidade do bio-óleo e BO25 foram determinados experimentalmente através de
reômetro da marca Haake Mars
®
, modelo Thermo Scientific do Laboratório de Tecnologia de
Tensoativos I da UFRN, conforme mostrado na Figura 4.13.
Figura 4.13. Reômetro da UFRN utilizado para medir a viscosidade
Para o teste de viscosidade foi introduzido no cilindro de testes do reômetro, a
quantidade de 11,7 mL do fluido a ser analisado, sendo iniciado o ensaio a uma temperatura
de 27ºC. Ao atingir 5 minutos de ensaio, com pontos medidos a cada 30 segundos, foi
encontrada a curva de cisalhamento do fluido. Com os dados da tensão e da taxa de
cisalhamento informados pelo reômetro é encontrada a viscosidade do fluido.
4.5.2.2 - Procedimento para determinar o poder calorífico do bio-óleo e BO25
O poder calorífico do bio-óleo e BO25 foram determinados experimentalmente através
de uma bomba calorimétrica da marca Parr Instrument Company
®
do Laboratório de
Termodinâmica Aplicada da UFRN (Figura 4.14).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 50
Figura 4.14. Bomba calorimétrica. 1-invólucro, 2-recipiente, 3-reator, 4-agitador, 5-termômetro
Antes da realização do ensaio para determinar o poder calorífico do bio-óleo e do
BO25, é necessário realizar uma calibração da bomba calorimétrica, com objetivo de se obter
a constante da mesma, que servirá para determinar os poderes caloríficos dos combustíveis
desejados. O acido benzóico é utilizado para esta calibração.
a) As pastilhas de acido benzóico são aquecidas com intuito de eliminar umidade;
b) As pastilhas de acido benzóico são pesadas para obter a sua massa. Cada grama de
acido benzóico vale 6318 cal;
c) Medir 10 cm de fio fusível níquel-cromo, onde cada cm do fio vale 2,3 cal;
d) Colocar o fio nos orifícios do eletrodo;
e) As pastilhas são colocadas no interior do reator, em contato com o fio;
f) Fechar o reator, e pressurizar com 30 atm de oxigênio;
g) Colocar exatamente 2 litros e água destilada dentro recipiente;
h) Mergulhar o reator no recipiente e checar se não há formação de bolhas na
superfície do líquido indicando a ocorrência de vazamentos;
i) Inserir os fios de ignição, fechar a bomba;
j) Instalar o termômetro de Beckmann para medição da variação da temperatura da
água no ensaio;
k) Ligar o agitador que tem o objetivo de criar uma corrente de água e assim facilitar
a troca de calor entre o reator e a água em torno;
l) Aguardar a estabilização da temperatura e anotar o valor desta quando constante;
m) Dar ignição através da passagem de corrente elétrica pelo fio;
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 51
n) Inicio do processo de combustão do acido benzóico;
o) Observar o aumento de temperatura e anotar valor desta quando constante;
p) Desmontar a bomba seguindo o processo contrário ao da montagem;
q) Medir com precisão o comprimento dos pedaços de fio fusível remanescentes;
r) Calcular a constante da bomba calorimétrica, conforme equação posterior;
A bomba possui um invólucro protetor destinado a isolar perfeitamente o recipiente do
meio exterior. A partir da massa do acido benzóico (e consequente determinação do calor
relativo à sua queima), da massa queimada do fio fusível (e consequente determinação do
calor relativo a sua queima) e da medição da variação da temperatura da água provocada pela
combustão da amostra de acido benzóico, pode-se calcular a constante da bomba
calorimétrica usando a Equação (12).
ܭ
=
ொ
భ
ାொ
మ
∆்
(12)
onde:
K
bomba
= constante da bomba calorimétrica [cal/ºC]
Q
1
= calor relativo à queima do combustível [cal]
Q
2
= calor relativo à queima do fio fusível [cal]
∆T = variação da temperatura da água - T
f
– T
i
[ºC]
Com a constante da bomba calorimétrica, deve-se repetir o procedimento para
determinação do poder calorífico, trocando o acido benzóico pelo combustível desejado, neste
caso, bio-óleo e BO25. Utilizando a Equação (12), será determinado o calor relativo à sua
respectiva queima. Dividindo pela massa empregada, é determinado o poder calorífico
superior do combustível, conforme Equação (13).
ܲܥܵ =
ொ
భ
್ೠೞíೡ
(13)
onde:
PCS = poder calorífico superior do combustível [cal/g]
Q
1
= calor relativo à queima do combustível [cal]
m
combustível
= massa de combustível utilizado no ensaio [g]
∆T = variação da temperatura da água - T
f
– T
i
[ºC]
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 52
A diferença entre o PCS e PCI é a entalpia de vaporização da água formada pela
queima do hidrogênio contido no combustível e da água já contida do combustível como
unidade do mesmo. De acordo com a ASTM D5291-10, a relação matemática entre eles é
expressa na Equação (14).
ܲܥܫ = ܲܥܵ− 218,13 ݔ ܪ (14)
onde:
PCI = poder calorífico inferior [kJ/kg]
PCS = poder calorífico superior [kJ/kg]
H = porcentagem da massa de hidrogênio presente no combustível [%]
4.5.2.3 - Tempo de escoamento versus vazão volumétrica de gás GLP
Existem diversas técnicas para se determinar a vazão de um fluido. No caso específico
desse trabalho, optou-se por utilizar a medição da vazão volumétrica de GLP com um
rotâmetro e controle do tempo de escoamento em fogo alto e baixo por meio de um
cronômetro digital de precisão, quando o queimador infravermelho operava em regime
permanente, com o botijão de 13 kg.
O rotâmetro utilizado estava calibrado para o gás N
2
O, havendo a necessidade de
converter as suas medidas para o gás GLP. Para isso, foi utilizada a Equação (15).
ܳ
ீ
=ܳ
ே
మ
ை
∙
ெ
ಿ
మ
ೀ
ெ
ಸಽು
(15)
onde:
Q
GLP
= vazão volumétrica do GLP [m
3
/s]
ܳ
ே
మ
ை
= vazão volumétrica do N
2
O [m
3
/s]
ܯ
ே
మ
ை
= massa molecular do N
2
O [u]
M
GLP
= massa molecular do GLP [u]
Para a conversão de vazão volumétrica para vazão mássica foi utilizado a
Equação (11).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 53
4.5.2.4 - Tempo de escoamento versus a variação de volume de BO25
A vazão de BO25 foi medida simultaneamente com o GLP, utilizando uma pipeta de
vidro calibrada a 25 mL para medir o volume. O tempo de escoamento foi monitorado por
meio de um cronômetro digital de precisão, com o queimador infravermelho operando no
regime permanente. Para esta operação, utilizou-se o reservatório do aerógrafo (Figura 4.15).
Figura 4.15. Reservatório para medição do consumo de BO25
Com o injetor de BO25 em pleno funcionamento, registrou-se a variação de volume no
tempo decorrido da medição. Aliado a esta medição, foi utilizado uma balança digital de
precisão com objetivo de obter uma segunda análise da variação da massa de BO25
queimado. Para a conversão de vazão volumétrica para vazão mássica foi utilizado a
Equação (11).
4.5.2.5 - Temperaturas
Um dos parâmetros mais importantes para determinação da energia térmica em
sistemas térmicos é a temperatura, que foi um dos principais focos desse trabalho para
avaliação do desempenho do queimador. Foram instalados quatro termopares tipo K para a
realização das medições das temperaturas (em °C). Três termopares foram instalados no
centro da placa de alumínio e o último no laboratório para medição da temperatura ambiente.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 54
4.5.3 - Dados calculados
4.5.3.1 - Cálculos de parâmetros físicos de queimadores
Antes de se dimensionar o queimador é necessário definir previamente os parâmetros
físicos e consumo de combustível do equipamento. Quando se utiliza como combustível um
fluido gasoso, por exemplo, é necessário ter o conhecimento sobre a compressibilidade do
mesmo, tendo em vista sua grande influência sobre o movimento dos fluidos no interior dos
queimadores.
Vlassov (2001) descreve que o regime de escoamento é chamado de supercrítico
(supersônico) quando a pressão crítica P
cr
é maior que a pressão da câmara de combustão
P
cam
. Quando P
cr
= P
cam
o regime de escoamento do bocal é denominado crítico (sônico) e
quando P
cr
< P
cam
é chamado de subcrítico (subsônico).
Considerando apenas o regime subsônico, ou seja, menor que a velocidade do som, o
bocal subsônico é usado para aumentar a velocidade do fluido somente até este patamar. Do
ponto de vista construtivo, o bocal subsônico é um canal convergente. A medida que o fluido
se movimenta no bocal, a pressão dele diminui e a velocidade aumenta. O semi-ângulo de
convergência varia no intervalo de β = 15 – 30°. A velocidade máxima que pode se alcançada
na seção de saída do bocal é a velocidade crítica ω
cr
. O bocal subsônico pode apresentar dois
regimes característicos de escoamento para o fluido. O primeiro regime de escoamento é
realizado quando a pressão absoluta do fluido p
0
é maior que a pressão mínima do fluido a
entrada do bocal p
0min
. Nesse caso, a velocidade de escoamento ω é sempre igual a velocidade
crítica ω
cr
, independente do valor de p
0
, pois ω = ω
cr
e a pressão na saída do bocal,
independentemente da pressão na câmara de combustão, será igual à pressão crítica. O
consumo G através de qualquer seção do bocal é um valor constante e em particular para a
seção crítica é calculado pela fórmula da Equação (16).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 55
ܩ =ܣ
߱
ߩ
(16)
onde:
G = consumo teórico de combustível [kg/s]
A
cr
= área da seção crítica do bocal [m
2
]
ω
cr
= velocidade do fluido na seção crítica [m/s]
ρ
cr
= densidade crítica do fluido [kg/m
3
]
Desta equação segue que, com o aumento da pressão a montante do bocal, o consumo
mássico irá aumentar. O aumento da pressão a montante do bocal não varia o valor da
velocidade crítica porque o valor dela depende somente da temperatura a montante do
queimador. O consumo só vai aumentar devido ao aumento da densidade do combustível.
O segundo regime de escoamento do fluido do bocal convergente ocorre quando a
pressão absoluta a montante do queimador p
0
é menor que a pressão na saída do bocal p
0min
.
Neste caso, a pressão na saída do bocal será igual à pressão na câmara de combustão,
independentemente do valor de p
0
. A velocidade de escoamento do gás no bocal é calculada
pela fórmula da Equação (17).
߱ =
ට
ଶ
బ
(ିଵ)ఘ
బ
ට
1 − ߨ
(
ೖషభ
ೖ
)
(17)
onde:
ω
= velocidade do fluido em uma seção do bocal [m/s]
k = índice adiabático que depende das propriedades do fluido [adimensional]
p
0
= pressão absoluta do fluido a montante do queimador [Pa]
ρ
0
= densidade do fluido [kg/m
3
]
π = relação entre a pressão numa dada seção transversal e a pressão absoluta do fluido a montante do
queimador [adimensional]
Na prática, o escoamento do fluido em um bocal não é isoentrópico, porque existem
perdas de cargas devido ao atrito do fluido – parede e fluido – fluido (camada limite).
A velocidade real do fluido na saída do bocal é sempre menor que a calculada
teoricamente. Para tomar conta desta diminuição de velocidade é usado um coeficiente de
velocidade φ < 1. O coeficiente de velocidade depende de vários fatores, tais como variação
de pressão e da geometria do queimador, por exemplo. O coeficiente de velocidade varia de
φ = 0,8-0.95. A área de seção de saída do bocal é calculada pela Equação (18).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 56
ܣ =
ீ
ఝఘ
బ
ఠ
(18)
onde:
A = área na seção de saída do bocal [m
2
]
G = consumo teórico de combustível [kg/s]
ω
= velocidade do fluido em uma seção do bocal [m/s]
ρ
0
= densidade do fluido [kg/m
3
]
φ = coeficiente de velocidade [adimensional]
4.5.3.2 - Vazão mássica de GLP e BO25
Realizou-se a medição da vazão volumétrica do GLP e do recipiente de BO25, em 3
ensaios da bancada considerando o tempo de 10 minutos. Sendo posteriormente, calculado a
vazão mássica por meio da massa específica de cada combustível. Também foi calculada a
média aritmética e o desvio padrão das três amostras realizadas de cada um.
A vazão mássica média e o desvio padrão foram calculadas através das Equações (19)
e (20), respectivamente.
3
3
1
∑
=
n
lcombustíve
m
m
&
&
(19)
onde:
mሶ
ୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ୪
= vazão mássica de combustível calculada para as três amostras [kg/s]
mሶ
୬
= vazão mássica de combustível calculada para uma amostra [kg/s]
∑
=
−
−
=
N
n
combutíveln
a
mm
N
1
2
)(
1
1
&&
σ
(20)
onde:
σ = desvio padrão [kg/s]
N
a
= número de amostras
m
n
= vazão mássica de combustível calculada para uma amostra [kg/s]
m
combustível
= vazão mássica média de todas as amostras de combustível [kg/s]
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 57
4.5.3.3 - Potência térmica fornecida pelo combustível híbrido
Na determinação da estimativa da potência térmica do combustível sem adição do
BO25, utilizou-se a Equação (21), onde considerou-se a vazão mássica do gás e o poder
calorífico inferior do GLP.
GLPGLPGLPc
PCImP ×=
−
(21)
onde:
P
c-GLP
= estimativa da potência térmica do combustível sem adição de BO25 [W]
m
GLP
= vazão mássica média de todas as amostras de GLP [kg/s]
PCI
GLP
= poder calorífico inferior do GLP [kJ/kg]
Para o uso do combustível híbrido, foi preciso aplicar a conservação de massa no
sistema, assim a vazão mássica total será igual a soma das vazões mássicas do GLP com a do
BO25, conforme apresentado na Equação (22). Assim para adição de 25% de BO25, ocorre
um incremento no valor da vazão mássica total.
25%BOGLPT
mmm
+
=
(22)
onde:
m
T
= vazão mássica total [kg/s]
m
GLP
= vazão mássica do gás GLP [kg/s]
m
%BO25
= vazão mássica do BO25 conforme o percentual adicionado [kg/s]
Considerando 1 kg de combustível híbrido, efetuou-se o cálculo do poder calorífico da
mistura através da Equação (23) que soma o poder calorífico do GLP proporcional na mistura
com o poder calorífico do BO25 proporcional na mistura.
25
%%
BOGLPdual
PCIPCIPCI
×
+
×
=
(23)
onde:
PCI
híbrido
= poder calorífico inferior do combustível híbrido [kJ/kg]
PCI
GLP
= poder calorífico inferior do gás GLP [kJ/kg]
PCI
BO25
= poder calorífico inferior do BO25 [kJ/kg]
Assim pode-se encontrar a potência térmica do combustível híbrido com a adição de
BO25, utilizando os resultados das Equações (22) e (23), como mostrado na Equação (24).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 58
híbridoTBOGLPc
PCImP ×=
+− 25%
(24)
onde:
P
c-GLP+%BO25
= estimativa da potência térmica fornecida pelo combustível híbrido [W]
m
T
= vazão mássica total [kg/s]
PCI
híbrido
= poder calorífico inferior do combustível híbrido [kJ/kg]
4.5.3.4 - Balanço de energia
O balanço de energia global do queimador infravermelho pode ser visualizado na
Figura 4.16.
Figura 4.16. Balanço de energia global do queimador infravermelho
Para efeito de análise comparativa entre o GLP e o BO25, realizou-se o balanço de
energia global considerando a energia fornecida pelo combustível e o calor útil transferido da
placa de alumínio dissipadora para o ambiente.
Placa de alumínio
Combustível
Câmara de combustão
Placas cerâmicas
Ambiente
1
ܧ
ଵଶ
=
݉
௨௦௧
í
௩
×
ܲܥܫ
௨௦௧
í
௩
7
6
5
4
3
2
ܧ
ଶଷ
=
ݍ
௩
మయ
+
ݍ
ௗ
మయ
;
ܶ
ଶ
=
ܶ
ௗ
á
௧
್ೠೞ
í
ೡ
ܧ
ସହ
=
ݍ
௩
రఱ
+
ݍ
ௗ
రఱ
ܧ
=
ݍ
௩
లళ
+
ݍ
ௗ
లళ
ܧ
ଷସ
=
ݍ
యర
ܧ
ହ
=
ݍ
ఱల
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 59
Para a estimativa desses calores, foram feitas as seguintes considerações:
1. Condições em regime estacionário;
2. Transferência de calor por condução é desconsiderado devido as característica do
queimador;
3. Fator de emissividade do leito cerâmico igual a 0,8;
4. Área da superfície emissora igual 0,0712 m²;
Assim o calor transferido ao ambiente, pode ser calculada pela Equação (25) que
corresponde a soma do calor transferido por convecção e do calor transferido por irradiação.
radconvt
qqP +=
(25)
onde:
P
t
= estimativa do calor transferido à placa de alumínio [W]
q
conv
= calor transferido por convecção [W]
q
rad
= calor transferido por radiação [W]
Onde o calor transferido por convecção é dado pela Equação (26) que expressa a
relação entre o coeficiente convectivo, a área da superfície da placa de alumínio e a diferença
de temperatura da placa de alumínio (fonte emissora) e do ambiente (fonte absorvedora).
ݍ
௩
= h
c
.A
t
.∆T (26)
onde:
q
ୡ୭୬୴
= fluxo de calor transferido por convecção [W]
A
t
= área de transferência de calor [m
2
]
h
c
= coeficiente médio de transferência de calor por convecção [W/m
2
K]
∆T = diferença de temperatura entre a placa de alumínio e o ambiente [K]
O coeficiente convectivo h
c
pode ser calculado em função da massa da placa de
alumínio m, do calor específico do alumínio c
p
, da área da placa de alumínio A, do gradiente
de temperatura entre as fontes emissora e absorvedora e da variação de temperatura da placa
de alumínio em função do tempo ∂T/∂t (taxa de aquecimento) decorrido em cada ensaio.
Considerando a placa de alumínio isotérmica e a perda radioativa desprezível, temos a
estimativa do coeficiente convectivo teórico expresso pela Equação (27).
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 4: Materiais e Métodos
Aluisio Azevedo Neto 60
t
T
TTA
cm
h
ambienteplaca
p
c
∂
∂
×
−×
×
=
)(
(27)
Onde:
h
c
= coeficiente convectivo teórico [W/m
2
K]
m = massa da placa de alumínio [kg]
c
p
= calor específico do alumínio [997 J/kg.K, a 500 K]
T
placa
= temperatura média da placa de alumínio [K]
T
ambiente
= temperatura ambiente [K]
A = área da placa de alumínio [m
2
]
∂T/ ∂t = taxa de aquecimento da placa de alumínio [K/s]
E o calor transferido por radiação é dado pela Equação (28) que expressa a relação
entre o fator de emissividade, a constante de Stefan-Boltzmann, a área da superfície da placa
de alumínio, a temperatura média da placa de alumínio (fonte emissora) e a temperatura
ambiente (fonte absorvedora) elevadas a quarta potência.
ݍ
ௗ
= ߝ.ߪ.ܣ.(ܶ
ସ
− ܶ
௧
ସ
) (28)
Onde:
q
୰ୟୢ
= fluxo de calor por irradiação [W]
=
ε
emissividade, propriedade radiativa da superfície [0≤
ε
≤ 1]
=
σ
constante de Stefan-Boltzmann [
σ
= 5,67.10
-8
W/m
2
.K
4
]
A = área da saída dos gases de combustão [m
2
]
T
placa
= temperatura média da placa de alumínio [K]
T
ambiente
= temperatura ambiente [K]
4.5.3.5 - Eficiência da 1ª Lei da Termodinâmica
O cálculo da eficiência do queimador infravermelho operando com o combustível
híbrido foi obtido através da Equação (29).
ߟ
௧
=
షಸಽುశ%ಳೀమఱ
ݔ 100
(29)
onde:
η
t
= eficiência da 1ª lei (%)
P
t
= estimativa da potência térmica para aquecimento do ar do laboratório [W]
P
c-GLP+%BO25
= estimativa da potência térmica do combustível híbrido [W]
Capítulo 5
Resultados e Discussão
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 62
Capítulo 5 - Resultados e Discussão
5.1 - Introdução
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios envolvendo o bio-
óleo em questão, e na combustão do queimador infravermelho funcionando com GLP (ensaio
1) e GLP + 10% BO25 (ensaio 2).
5.2 - Resultados obtidos
5.2.1 - Ensaio de viscosidade do bio-óleo e BO25
Os testes de viscosidade foram realizados no Laboratório de Tecnologia de
Tensoativos I da UFRN, utilizando um reômetro. Nos testes foram considerados o tempo de
300 segundos, por meio da medição de 10 pontos distintos, onde os três primeiros pontos
foram desconsiderados por serem valores nulos. A Tabela 5.1 apresenta os valores para o bio-
óleo, onde o valor médio para viscosidade foi de 40,92 cP.
Tabela 5.1. Valores de viscosidade do bio-óleo
Ponto
Tempo
de ensaio
(s)
Taxa de
cisalhamento
(1/s)
Tensão de
cisalhamento
(mPa)
Viscosidade
(cP)
Temperatura
(ºC)
Torque
(N.m)
1 120
0,002521 0,09959 39,50 27,17 0,00001476
2 150
0,002827 0,114 40,48 27,16 0,00001696
3 180
0,003285 0,133 40,51 27,15 0,00001972
4 210
0,003481 0,155 44,45 27,15 0,00002293
5 240
0,004261 0,177 41,50 27,15 0,00002621
6 270
0,005132 0,204 39,79 27,13 0,00003027
7 300
0,005853 0,235 40,21 27,18 0,00003488
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 63
A Tabela 5.2 apresenta os valores para o BO25, onde o valor médio para viscosidade
foi de 10,06 cP.
Tabela 5.2. Valores de viscosidade do BO25
Ponto
Tempo
de ensaio
(s)
Taxa de
cisalhamento
(1/s)
Tensão de
cisalhamento
(mPa)
Viscosidade
(cP)
Temperatura
(ºC)
Torque
(N.m)
1 120
0,002233 0,02114 9,47 27,06 0,000003133
2 150
0,00252 0,0269 10,67 27,05 0,000003986
3 180
0,002919 0,03209 11,00 27,07 0,000004757
4 210
0,003633 0,03693 10,17 27,06 0,000005474
5 240
0,004283 0,04181 9,76 27,04 0,000006197
6 270
0,004764 0,04748 9,97 27,07 0,000007037
7 300
0,005624 0,05258 9,35 27,07 0,000007793
Com isso, a partir da diluição do bio-óleo com 25% de álcool etílico absoluto foi
possível diminuir a viscosidade em 75,4%, diminuindo também as reações de polimerização e
melhorando a atomização do BO25 no bico injetor proposto.
5.2.2 - Ensaio de poder calorífico do bio-óleo e BO25
Os ensaios de poder calorífico foram realizados no Laboratório de Termodinâmica
Aplicada da UFRN. Antes de inserir o bio-óleo e o BO25 na bomba calorimétrica, foi seguido
o procedimento do laboratório, e realizado aquecimento das amostras a 50ºC por 1 minuto,
para eliminação de possíveis gotículas de água.
Por meio do ensaio com a bomba calorimétrica foi possível encontrar o poder
calorífico superior do bio-óleo e do BO25. Os resultados foram de 16.759 kJ/kg para o bio-
óleo, e de 18.483 kJ/kg para o BO25.
A partir da diluição o poder calorífico superior foi aumentado em cerca de 10%
comparado ao do bio-óleo, havendo uma modificação nesta característica muito limitada.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 64
A partir da Equação (14), foi calculado o poder calorífico inferior do bio-óleo e do
BO25. Para o bio-óleo o valor foi de 15.341 kJ/kg e o do BO25 foi 17.065 kJ/kg, ou seja,
incremento de cerca de 11%.
5.2.3 - Temperaturas medidas
O
s pontos de medição de temperatura utilizados para verificação da transferência de
calor da placa de alumínio para o meio ambiente foram:
a) 3 termopares interligados à placa de alumínio;
b) 1 termopar para medir a temperatura ambiente;
A partir da análise das temperaturas registradas, foi observado que as temperaturas
ficaram maiores, quando foi injetado BO25 ao queimador infravermelho, havendo também
um aumento na taxa de aquecimento da placa de alumínio em função do uso do combustível
híbrido.
As temperaturas medidas na placa apresentaram valores muito próximos, e a
temperatura ambiente em todos os ensaios se manteve constante.
Considerando a metodologia empregada, foi constatado que o poder calórico diminuiu
em função da adição do BO25 na vazão mássica do combustível. Observou-se também que os
transientes de temperatura aumentaram com a inserção de combustível híbrido.
O ensaio 01, ilustrado na Figura 5.1, realizado somente com o GLP, permitiu que a
placa de alumínio fosse aquecida até 231ºC e apresentou um transiente de temperatura (entre a
temperatura da placa de alumínio e a temperatura ambiente) igual a 203ºC.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 65
Figura 5.1. Gráfico das temperaturas no ensaio 1 - GLP
Para o ensaio 2, ilustrado na Figura 5.2, realizado com GLP + 10% BO25, a placa foi
aquecida até a temperatura de 281ºC e o transiente foi de 253ºC. As temperaturas médias da
placa de alumínio foram maiores do que as obtidas no ensaio 1. Havendo um acréscimo de
21,6% em relação ao ensaio anterior.
Início do regime
permanente
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 66
Figura 5.2. Gráfico das temperaturas no ensaio 2 - GLP + 10% BO25
5.2.4 - Vazão de GLP e BO25
A Tabela 5.3 mostra os resultados das medições de consumo de combustível para cada
ensaio realizado. A vazão de GLP não variou nos dois ensaios em virtude de haver bicos
independentes para cada combustível, além da regulagem do manifold, responsável pela
chama de gás, permanecer a mesma.
Tabela 5.3. Registro das vazões do combustível híbrido
Parâmetro
Ensaio 01
Somente
GLP
Ensaio 02
GLP + 10%
BO25
Condição
Vazão do gás GLP
(kg/s)
8,51.10
-5
8,51.10
-5
Regime
permanente
Vazão do BO25
(kg/s)
-
8,62.10
-6
Vazão total
(kg/s)
8,51.10
-5
9,38.10
-5
Início do regime
permanente
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 67
Em relação ao controle do tempo de modulação fogo alto/baixo, foi observado que
durante 2/3 do tempo de ensaio, a bancada permanecia em regime de fogo baixo e 1/3 em
fogo alto, conforme mostrado na Tabela 5.4.
Tabela 5.4. Tempo de modulação de fogo alto/fogo baixo
Ensaio 1 - GLP Ensaio 2 - GLP + 10% BO25
Tempo de
ensaio (s)
Modulação
da chama
Tempo de
ensaio (s)
Modulação
da chama
0 - 14 Alto 0 - 20 Alto
14 - 24 Baixo 20 - 27 Baixo
24 - 34 Alto 27 - 38 Alto
34 - 43 Baixo 38 - 47 Baixo
43 - 52 Alto 47 - 58 Alto
52 - 67 Baixo 58 - 66 Baixo
67 - 83 Alto 66 - 80 Alto
83 - 220 Baixo 80 - 206 Baixo
220 - 248 Alto 206 - 281 Alto
248 - 255 Baixo 281 - 295 Baixo
255 - 280 Alto 295 - 306 Alto
280 - 376 Baixo 306 - 480 Baixo
376 - 426 Alto 480 - 542 Alto
426 - 540 Baixo 542 - 600 Baixo
540 - 578 Alto
578 - 589 Baixo
589 - 600 Alto
5.2.5 - Resultados obtidos para a estimativa das eficiências de 1ª Lei
A Tabela 5.5 mostra os dados calculados para estimativa do desempenho do
queimador infravermelho em função das condições estabelecidas nos ensaios experimentais.
Como citado na metodologia, procurou-se estudar o calor transferido da placa de alumínio
para o ambiente e assim realizar uma compreensão analítica desse desempenho a partir do
cálculo das eficiências da 1ª Lei da Termodinâmica.
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 5: Resultados e Discussão
Aluisio Azevedo Neto 68
Nos cálculos efetuados das potências e estimativa das eficiências do queimador
infravermelho foram considerados os seguintes aspectos: área da placa de alumínio igual a
0,0712 m
2
, massa da placa de alumínio = 0,199 kg e o calor específico do alumínio
C
p
(500 K) = 997 J/kg.K.
Tabela 5.5. Estimativa das eficiências do queimador infravermelho
Parâmetros
Ensaio 01
GLP
Ensaio 02
GLP + 10%
BO25
Condições
Poder calorífico inferior
(kJ/kg)
a
48.150
45.294
Regime
permanente
Potência térmica do
combustível (kW)
4,10
4,25
Fluxo de calor por convecção
e radiação (kW)
0,36
0,47
Eficiência da 1ª Lei da
Termodinâmica (%)
8,7
11,0
a
Considerando 1 kg de combustível
Apesar do poder calorífico, para o combustível híbrido, ter diminuído em 5,9%
comparado ao do GLP, a potência térmica foi elevada em 3,6%, em função de um aumento da
massa de combustível injetado.
As quantidades de calor transferido por convecção e radiação para o ambiente,
aumentaram em 31,2% em virtude do aumento das temperaturas envolvidas nos respectivos
ensaios. Isso acabou influenciando na elevação dos valores de eficiência do queimador
infravermelho, resultando num ganho energético útil de 26,7%.
Capítulo 6
Conclusão
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 6: Conclusão
Aluisio Azevedo Neto 70
Capítulo 6 - Conclusão
A metodologia experimental adotada nos ensaios atendeu aos objetivos propostos,
possibilitando a obtenção de resultados concretos a cerca do desempenho do queimador
infravermelho funcionando com o combustível híbrido GLP/BO25.
Os valores obtidos da viscosidade e poder calorífico do bio-óleo da pirólise da
biomassa de serragem de madeira, realizada no Laboratório de Biomassa e Biocombustíveis
da UFRN, mostraram-se condizentes com os dados apresentados por Oasmaa e Czernik
(1999).
A diluição aumentou somente em 11% o poder calorífico do bio-óleo, porém permitiu
diminuir em 75,4% a viscosidade do fluido, melhorando a atomização. Desta forma, os
resultados apresentam dados consistentes para análise dos parâmetros.
O bico injetor projetado para realizar a atomização do BO25 com o ar comprimido
atendeu ao objetivo proposto. Visualmente não foi verificada a presença de coque na matriz
cerâmica do queimador, comprovando assim que o processo de atomização foi eficiente.
Quando se utilizava BO25 que estava armazenado a mais de 15 dias, foi observado
que o bico entupia em algumas oportunidades, indicando que o bio-óleo, mesmo diluído com
álcool etílico absoluto, apresentou reações de polimerização e problemas de aumento na sua
viscosidade.
Depois dos testes realizados, foi possível a adição de 10% de bio-óleo diluído no
queimador infravermelho utilizado. Esta adição propiciou a elevação da temperatura na placa
de 231ºC, obtidos da queima somente com GLP, para 281ºC quando combinada com a
atomização de BO25. Isso se deve a melhora da oxidação da queima de combustíveis híbridos
devido ao excesso de ar da atomização do bio-óleo.
O aumento das temperaturas envolvidas nos ensaios permitiu que houvesse um
incremento de 31,2% nas quantidades de calor transferido por convecção e radiação, além de
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Capítulo 6: Conclusão
Aluisio Azevedo Neto 71
um ganho energético útil de 26,7%, em função da elevação dos valores de eficiência do
queimador infravermelho.
Nos ensaios realizados com índice de adição de BO25 abaixo de 10% ocorreram
problemas de entupimento do bico injetor projetado. Enquanto que acima de 10%, os
problemas enfrentados foram de entupimento na câmara de combustão, em função da
precipitação de combustível líquido, causando o retorno de chama na mesma e chama acima
do substrato cerâmico.
Propõem-se, como sugestão para trabalhos futuros, os seguintes itens:
Associar a diluição do bio-óleo com álcool etílico absoluto com um pré-aquecimento,
com objetivo de diminuir ainda mais a viscosidade.
Testar outros bio-óleos, resultado de pirólise de outras biomassas, inclusive o extrato
ácido, na bancada de testes desenvolvida neste estudo.
Instalar no sistema de alimentação do bio-óleo, uma válvula agulha mais precisa na
regulagem do fluxo de ar comprimido, melhorando a regulagem de injeção do bio-óleo.
Instalar válvula de controle de pressão na linha de alimentação do ar comprimido,
como forma de eliminar qualquer problema de variação da regulagem do bico injetor de bio-
óleo.
Analisar as emissões dos principais gases de exaustão geradas pela queima da mistura
de GLP e bio-óleo;
Realizar uma análise da eficiência do queimador infravermelho pela 2ª Lei da
Termodinâmica, além de uma análise exergética para verificação das eficiências úteis
considerando as perdas de energia presentes no sistema.
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Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Referências
Aluisio Azevedo Neto 73
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Aluisio Azevedo Neto 77
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Aluisio Azevedo Neto 78
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Anexos
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Anexos
Aluisio Azevedo Neto 80
Anexo A
A Tabela A.1 apresenta propriedades de bio-óleos obtidos a partir da pirólise da
biomassa de madeira.
Tabela A.1. Propriedades de bio-óleos da pirólise da biomassa de madeira
Bio-óleo
(biomassa base seca)
Bio-óleo
(biomassa base úmida)
Formula empírica CH
1,3
O
0,47
CH
1,3
O
0,47
+ 0,27H
2
O
Composição química
C (%) 57,3 46,5
H (%) 6,3 7,2
O (%) 36,2 46,1
S (%) 0,02 0,02
N (%) 0,18 0,15
Cinzas (%) <0,01 <0,01
Teor de umidade (%) 0 18,9
PCS (MJ/kg) 22,3 18,7
PCI (MJ/kg) 21,2 17,4
Densidade (kg/m
3
) ~1,25 ~1,15–1,2
Potássio (ppm) 2,7
Sódio (ppm) 7,2
Cálcio (ppm) 2,2
Cloro (ppm) 7,9
Alumínio (ppm) 2,6
Titânio (ppm) <0,2
Vanádio (ppm) 0,002
Manganês (ppm) 0,063
(Adaptado de Diebold e Czernik, 1997)
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Anexos
Aluisio Azevedo Neto 81
Anexo B
- Poder calorífico Inferior (PCI) do GLP (Liquigás, 2010).
PCI = 11.500 kcal/kg
- Massa específica do GLP (15,6ºC e 1 atm) (Liquigás, 2010).
ߩ
= 2,1 kg/m
3
A Tabela B.1 apresenta propriedades de diversos gases puros que compõem o GLP.
Tabela B.1. Propriedades de diversos gases do GLP (a 15ºC e 1 atm)
Substância
Fórmula
Peso
Molecular
Densidade
[kgf/m
2
]
Volume
específico
[m
3
/kg]
Densidade
Relativa
[Ar – 1]
Limite de
Inflamabilidade
[% gás no ar]
Temp.
adiab.
chama
[ºC]
Inferior Superior
Metano
CH
4
16,042 0,680 1,472 0,554 5 15 1918
Etano
C
2
H
6
30,068 1,286 0,778 1,049 3 12,5 1949
Propano
C
3
H
6
44,094 1,916 0,522 1,562 2,1 10,1 1967
n-Butano
C
4
H
10
58,120 2,534 0,395 2,067 1,86 8,41 1973
Isobutano
C
4
H
10
58,120 2,534 0,395 2,067 1,8 8,44 1973
Série Olefinas
Eteno
C
2
H
6
28,052 1,194 0,837 0,974 3,422 14,807 2343
Propeno
C
3
H
6
42,078 1,778 0,562 1,450 3,422 14,807 2254
Buteno
C
4
H
10
56,104 2,371 0,422 1,934 3,422 14,807 2221
Iso-Buteno
C
4
H
10
56,104 2,371 0,422 1,934 3,422 14,807 n/d
(Adaptado de Guo e Ghalambor, 2005)
Dissertação de Mestrado PPGCEP / UFRN Anexos
Aluisio Azevedo Neto 82
Anexo C
Tabela C.1. Especificações técnicas do controlador de temperatura
Controlador e indicador digital de temperatura Tholz
®
(1) Display, indica normalmente a temperatura. Quando em programação indica o mnemônico do
parâmetro ou valor a ser programado.
(2) Led, indica o estado da saída de controle S2.
(3) Tecla de programação. Utilizada para acessar ou avançar a programação dos parâmetros.
(4) Tecla de incremento. Quando em programação é utilizada para incrementar o valor do
parâmetro em ajuste.
(5) Tecla de decremento. Quando em programação é utilizada para decrementar o valor do
parâmetro em ajuste.
(6) Led, indica o estado da saída de controle S1.
(7) Led, indica o estado do temporizador. Quando intermitente indica que o temporizador esta
ativo. Quando ligado indica que a contagem do tempo foi concluída.
Gerais
Caixa plástica tipo ABS.
Acesso à programação protegido por senha.
Display de LED vermelho com três dígitos.
Dimensões
Peso aproximado: 200g.
Dimensões: 48 x 48x 95 mm.
Recorte para fixação em painel: 42,5 x 42,5 mm.
Sensor de temperatura
Termopar tipo J: -50 a 760ºC
Alimentação
Tensão: 220Vca
Saída de controle
MDH001N-XXXV-P299.
Saída de controle 1: Saída à relé: máx. 5A, carga
resistiva.
Saída de controle 2: Saída de tensão:12V/10mA.
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