CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO ANÁLISE COMPARATIVA DA UTILIZAÇÃO DE DIESEL E BIODIESEL NO FUNCIONAMENTO DE UM GRUPO GERADOR

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO ANÁLISE COMPARATIVA DA UTILIZAÇÃO DE DIESEL E BIODIESEL NO FUNCIONAMENTO DE UM GRUPO GERADOR CURITIBA 2007

2 ANDRÉ LUÍS PUQUEVICZ BERNARD DYCK LEONARDO MENEGHINI PIRES ANÁLISE COMPARATIVA DA UTILIZAÇÃO DE DIESEL E BIODIESEL NO FUNCIONAMENTO DE UM GRUPO GERADOR Trabalho de conclusão de curso apresentado para obtenção de título de Engenheiro Mecânico, no Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Positivo. Orientadora: Prof.ª Giovana de Fátima Menegotto CURITIBA 2007

3 DEDICATÓRIA Dedicamos este trabalho à Deus, aos nossos pais e às nossas companheiras pelo incentivo, ajuda e compreensão durante a realização deste trabalho. Amamos vocês. ii

4 AGRADECIMENTOS Ao pesquisador do LACTEC Luciano Fedalto, pelo empréstimo dos equipamentos utilizados. Aos eletricistas da Eulide Madeiras, pela montagem do quadro de lâmpadas. Ao Gerente Técnico da Branco Motores, Gilmar, pelo conhecimento repassado sobre o funcionamento do grupo-gerador utilizado neste trabalho. À Minoru Ikeda, Especialista do LACTEC em Análise de Dados e responsável pela Área de Metrologia, pelos ensinamentos repassados e apoio na verificação dos instrumentos. Ao professor Laurindo, do TECPAR CERBIO, pelo fornecimento do biodiesel utilizado neste trabalho e pelo conhecimento repassado sobre o funcionamento de motores estacionários à diesel. Aos laboratoristas do TECPAR - CERBIO, pelas informações repassadas sobre o biodiesel utilizado. Aos grandes amigos, formandos 2007 do curso de Engenharia Mecânica do UnicenP, pela ajuda durante a realização deste trabalho. Aos laboratoristas Bereta e Luiz, do Bloco do Bosque do UnicenP, pela ajuda durante os ensaios. Ao coordenador do curso de Engenharia Mecânica do UnicenP, Marcos Rodacoski, pela compra do grupo-gerador e infra-estrutura disponibilizada. À todos os professores de Engenharia Mecânica do Unicenp, que ajudaram direta ou indiretamente na realização deste trabalho. À nossa Orientadora, Giovana de Fátima Menegotto, pelo seu empenho e noites de sono perdidas por nossa causa. Ao nosso relator, Wilson Radi Maftoum, pelos ensinamentos repassados sobre análise de dados, pelas suas opiniões construtivas e realizadas neste trabalho. Ao nosso colaborador, Mariano Pacholok, pela colaboração, auxílio e pelas suas opiniões construtivas para a realização deste trabalho. A UnicenP pelas condições oferecidas. iii

5 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... vii LISTA DE TABELAS... ix RESUMO... x 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS GERAIS OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESCOPO DO TRABALHO ESTRUTURA DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA HISTÓRICO SITUAÇÃO ATUAL DO BIODIESEL Cenário Mundial Cenário Brasileiro VANTAGENS E DESVANTAGENS DO BIODIESEL E DO DIESEL FORMAS DE OBTENÇÃO DO BIODIESEL Transesterificação UTILIZAÇÃO DE BIODIESEL EM GERADORES FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO Funcionamento do Motor de Ciclo Diesel Ciclo Diesel Teórico Comparação entre Ciclo Diesel Teórico e Ciclo Diesel Real GERADOR Princípio do Eletromagnetismo e Funcionamento do Gerador Corrente alternada Potência Elétrica FONTES DE ERRO NOS ENSAIOS Temperatura Ambiente Pressão Barométrica Trocas de Óleo iv

6 3.4.4 Incerteza dos Instrumentos de Medição TESTE T PARA MÉDIAS DESENVOLVIMENTO LOCAL DE REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS METODOLOGIA DE ENSAIO Seqüência de Ensaio METODOLOGIA DE VERIFICAÇÃO DOS INSTRUMENTOS MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Grupo-gerador Carga Resistiva Diesel e Biodiesel Óleo Lubrificante do Motor Alicate Amperímetro Digital Multímetro Digital Reservatório de Combustível Mangueiras Auxiliares Termopar Cronômetro RESULTADOS E DISCUSSÕES PROPRIEDADES FÍSICAS DAS MISTURAS VALORES OBTIDOS DURANTE OS ENSAIOS Ensaios com 18 Lâmpadas Ensaios com 9 Lâmpadas CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL Ensaios com 18 Lâmpadas Ensaios com 9 Lâmpadas ENERGIA ESPECÍFICA Ensaios com 18 Lâmpadas Ensaios com 9 Lâmpadas RENDIMENTO DO SISTEMA Ensaios com 18 Lâmpadas Ensaios com 9 Lâmpadas TESTE T PARA MÉDIAS v

7 5.6.1 Valores Obtidos Durante os Ensaios Consumo Específico de Combustível e Energia Específica Rendimento do Sistema CONCLUSÃO RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS GLOSSÁRIO GLOSSÁRIO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOCUMENTOS CONSULTADOS ANEXOS APÊNDICE 1 - MEDIÇÕES DOS ENSAIOS COM 18 LÂMPADAS APÊNDICE 2 - MEDIÇÕES DOS ENSAIOS COM 9 LÂMPADAS APÊNDICE 3 EXEMPLO DE PLANILHA UTILIZADA PARA REALIZAR O TESTE T PARA MÉDIAS vi

8 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - ALGUMAS SEMENTES UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE BIODIESEL FIGURA 2 - DESENHO ESQUEMÁTICO DO REATOR FIGURA 3 VALORES DE CONSUMO ENCONTRADOS NOS ENSAIOS REALIZADO POR FERRARI, FIGURA 4 - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA X MISTURA DE BIODIESEL FIGURA 5 PRINCÍPIOS OPERATIVOS E NOMENCLATURA DOS MOTORES TÉRMICOS FIGURA 6 - EXEMPLO DE UM CILINDRO (MOVIMENTO RETILÍNEO) E UM VIRABREQUIM (MOVIMENTO CIRCULAR) FIGURA 7 - EXEMPLO DE UM MOTOR DO CICLO DIESEL FIGURA 8 - PRIMEIRO ETAPA DO CICLO DIESEL FIGURA 9 - SEGUNDA ETAPA DO CICLO DIESEL FIGURA 10 - TERCEIRA ETAPA DO CICLO DIESEL FIGURA 11 - QUARTA ETAPA DO CICLO DIESEL FIGURA 12 - RELAÇÃO PRESSÃO X VOLUME DO CICLO DIESEL FIGURA 13 RELAÇÃO TEMPERATURA X ENTROPIA DO CICLO DIESEL FIGURA 14 RELAÇÃO ENTRE PRESSÃO E VOLUME DO CICLO DIESEL REAL FIGURA 15 - FUNCIONAMENTO DO GERADOR ELEMENTAR FIGURA 16 - TENSÃO EM CORRENTE ALTERNADA FIGURA 17 - EXEMPLO DE ONDAS DE CORRENTE E TENSÃO DE UM CIRCUITO RESISTIVO. 28 FIGURA 18 EXEMPLO DE ONDAS DE CORRENTE E TENSÃO DE UM CIRCUITO INDUTIVO FIGURA 19 EXEMPLO DE ONDAS DE CORRENTE E TENSÃO DE UM CIRCUITO CAPACITIVO FIGURA 20 TRIÂNGULO DE POTÊNCIAS FIGURA 21 REPRESENTAÇÃO DA IGUALDADE ENTRE DOIS CONJUNTOS DE VALORES FIGURA 22 - DESENHO ESQUEMÁTICO DA SALA DE ENSAIOS FIGURA 23 - ORGANIZAÇÃO DA SALA DE ENSAIOS FIGURA 24 - ORGANIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS FIGURA 25 - GRUPO-GERADOR BRANCO BD-2500CFE FIGURA 26 QUADRO DE LÂMPADAS FIGURA 27 - RESERVATÓRIO DE COMBUSTÍVEL FIGURA 28 - COMPARAÇÃO ENTRE O PCI DAS MISTURAS EM RELAÇÃO AO PCI DO DIESEL 49 FIGURA 29 - RELAÇÃO TENSÃO MÉDIA X TEMPERATURA PARA O ENSAIO B0 COM 18 LÂMPADAS FIGURA 30 - COMPARATIVO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL COM O "B0" COM 18 LÂMPADAS FIGURA 31 - COMPARAÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO EM RELAÇÃO AO B0 COM 9 LÂMPADAS vii

9 FIGURA 32 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO CEC COM 9 LÂMPADAS FIGURA 33 - COMPARAÇÃO DA ENERGIA ESPECÍFICA EM RELAÇÃO AO B0 COM 18 LÂMPADAS FIGURA 34 - COMPARAÇÃO DA ENERGIA ESPECÍFICA EM RELAÇÃO AO B0 COM 9 LÂMPADAS FIGURA 35 COMPARAÇÃO DA ENERGIA ESPECÍFICA EM RELAÇÃO AO B0 COM 9 LÂMPADAS EXCLUINDO OS VALORES DE B5 E B FIGURA 36 - RENDIMENTO DO SISTEMA COM 18 LÂMPADAS FIGURA 37 - COMPARATIVO ENTRE A ENERGIA ESPECÍFICA E O PCI FIGURA 38 - RENDIMENTOS DOS ENSAIOS UTILIZANDO ÓLEO USADO EM FRITURAS FIGURA 39 - RENDIMENTO DO SISTEMA COM 9 LÂMPADAS FIGURA 40 - CONSUMO ESPECÍFICO PARA ENSAIOS COM 18 LÂMPADAS FIGURA 41 - ENERGIA ESPECÍFICA PARA ENSAIOS COM 18 LÂMPADAS FIGURA 42 - CONSUMO ESPECÍFICO PARA ENSAIOS COM 9 LÂMPADAS FIGURA 43 - ENERGIA ESPECÍFICA PARA ENSAIOS COM 9 LÂMPADAS viii

10 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - MISTURAS DE DIESEL-BIODIESEL UTILIZADAS NO EXPERIMENTO TABELA 2 - CONSUMO EM LITROS POR HORA DE DIESEL, MISTURAS DE DIESEL-BIODIESEL E BIODIESEL TESTADOS EM GERADOR DE ENERGIA YANMAR TABELA 3 - CONSUMO DE COMBUSTÍVEL DE MISTURAS DE DIESEL-BIODIESEL DE PALMA E BIODIESEL QUANDO COMPARADOS AO DIESEL PURO TABELA 4 - PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMBUSTÍVEIS TABELA 5 - VALORES PARA O TEMPO E TEMPERATURA COM 18 LÂMPADAS TABELA 6 - VALORES PARA A TENSÃO E CORRENTE ELÉTRICA COM 18 LÂMPADAS TABELA 7 - VALORES PARA A POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICAS COM 18 LÂMPADAS TABELA 8 - VALORES PARA O TEMPO E TEMPERATURA COM 9 LÂMPADAS TABELA 9 - VALORES PARA A TENSÃO E CORRENTE ELÉTRICA COM 9 LÂMPADAS TABELA 10 - VALORES PARA A POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICAS COM 9 LÂMPADAS TABELA 11 - CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL COM 18 LÂMPADAS TABELA 12 - CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL COM 9 LÂMPADAS TABELA 13 - ENERGIA ESPECÍFICA DOS ENSAIOS COM 18 LÂMPADAS TABELA 14 - ENERGIA ESPECÍFICA DOS ENSAIOS COM 9 LÂMPADAS TABELA 15 - RENDIMENTO DO SISTEMA COM 18 LÂMPADAS TABELA 16 - RENDIMENTO DO SISTEMA COM 9 LÂMPADAS TABELA 17 - TESTE T PARA VALORES DE TENSÃO COM 18 LÂMPADAS TABELA 18 - TESTE T PARA VALORES DE CORRENTE COM 18 LÂMPADAS TABELA 19 - TESTE T PARA VALORES DE POTÊNCIA COM 18 LÂMPADAS TABELA 20 - TESTE T PARA VALORES DE TENSÃO COM 9 LÂMPADAS TABELA 21 - TESTE T PARA VALORES DE CORRENTE COM 9 LÂMPADAS TABELA 22 - TESTE T PARA VALORES DE POTÊNCIA COM 9 LÂMPADAS TABELA 23 - TESTE T PARA VALORES DE TEMPERATURA COM 9 LÂMPADAS TABELA 24 - TESTE T PARA VALORES DE CEC COM 18 LÂMPADAS TABELA 25 - TESTE T PARA VALORES DE ENERGIA ESPECÍFICA COM 18 LÂMPADAS TABELA 26 - TESTE T PARA VALORES DE CONSUMO ESPECÍFICO COM 9 LÂMPADAS TABELA 27 - TESTE T PARA VALORES DE ENERGIA ESPECÍFICA COM 9 LÂMPADAS TABELA 28 - TESTE T PARA RENDIMENTO DO SISTEMA COM 18 LÂMPADAS TABELA 29 - TESTE T PARA RENDIMENTO DO SISTEMA COM 9 LÂMPADAS ix

11 RESUMO Esse trabalho apresenta uma análise comparativa do funcionamento de um grupogerador, utilizando-se diesel fóssil e biodiesel etílico de soja como combustível. Para elaboração deste estudo foram realizados ensaios práticos, para avaliar o consumo específico de combustível, a energia específica e o rendimento do gerador, quando abastecido com diferentes misturas de diesel e biodiesel. O grupo-gerador utilizado neste trabalho foi o BD-2500 CFE, da marca Branco, com potência máxima de 2 kva. As análises de funcionamento do gerador foram realizadas com duas faixas de carga resistiva para os combustíveis diesel mineral puro e biodiesel puro, e para as taxas de misturas de biodiesel de 2%, 5%, 10%, 20% e 50%. Os resultados obtidos foram analisados, observando-se um maior consumo de combustível e um maior rendimento, com o aumento da taxa de biodiesel. A variação da carga elétrica aplicada ao grupo-gerador mostrou-se relevante, observando-se que quando utilizado a plena carga, seu funcionamento é mais viável. x

12 1 INTRODUÇÃO O Brasil possuía uma frota estimada de veículos de 24,07 milhões de unidades em Destes, aproximadamente 2,69 milhões eram veículos movidos a diesel (ANFAVEA, 2007). Porém, apesar de representarem apenas 11% da frota nacional, estes veículos consumiram aproximadamente 30,43 milhões de metros cúbicos de óleo diesel, muito superior aos 17,66 milhões de metros cúbicos de gasolina consumidos no mesmo período (BRASIL, 2006). Este alto consumo de óleo diesel, aproximadamente 73% maior que o consumo anual de gasolina, ocorre principalmente graças a caminhões pesados, cuja frota de 1,41 milhão (ANFAVEA, 2007) é responsável por 60,5% de todo transporte de carga, realizado no país (GEIPOT, 2001). Além de sua larga aplicação em transportes rodoviários, o óleo diesel é um combustível amplamente utilizado em transportes urbanos, ferroviários, aquaviários, geradores de energia, motores estacionários, equipamentos de construção, etc. O óleo diesel é um combustível fóssil derivado do petróleo, o qual permite a obtenção de variados combustíveis através da sua destilação em diferentes temperaturas. O óleo diesel é obtido quando esta destilação é realizada em temperaturas próximas de 350º C (VLASSOV, 2001). O biodiesel é um combustível derivado de óleos vegetais e gordura animal, tratando-se assim de uma fonte renovável. Este combustível é obtido através de uma reação conhecida como transesterificação, a qual consiste na adição de metanol ou etanol mais um catalisador ao óleo vegetal ou gordura animal, resultando em glicerina e ésteres de ácidos graxos, popularmente conhecidos como biodiesel (FERRARI, 2005). A atual preocupação com uma eminente crise energética, sendo um dos principais motivos a baixa quantidade de petróleo ainda existente, aumentou a procura por fontes de combustíveis renováveis, ou biocombustíveis, e vem sendo tratada mundialmente com grande importância. O Brasil apresenta-se como grande potência produtiva de biocombustíveis devido a sua vasta extensão territorial cultivável. Visando este aproveitamento territorial foi criado o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB). Este programa tem o objetivo de criar empregos e melhorar a renda de famílias

13 2 pobres, possibilitando uma maior integração entre as regiões do país (PORTAL DO BIODIESEL, 2007). A lei /2005 foi criada para subsidiar o PNPB e tornar o biodiesel economicamente viável. Segundo esta lei, a partir de janeiro de 2008 será obrigatória a adição de 2% de biodiesel a todo óleo diesel comercializado em território nacional, e esta taxa aumentará gradativamente ao longo dos anos, sendo que até 2013 esta taxa deve ser de 5% (BRASIL, 2005). A taxa da mistura de biodiesel e diesel é usualmente representada pela letra B seguida de um número, onde B é utilizada para identificar que esta é uma mistura de biodiesel e o número representa a porcentagem de biodiesel contida na mistura. Por exemplo, um combustível identificado por B2 possui 2% de biodiesel e 98% de diesel comum. Devido à obrigatoriedade de comercialização do B2 e posteriormente B5 em todo país, torna-se necessário o estudo dos efeitos deste combustível em motores de ciclo Diesel. Atualmente vários estudos a esse respeito vêm sendo realizados em motores utilizados por veículos leves e pesados, porém existem poucas análises sobre os efeitos que esta adição pode causar em motores estacionários, como geradores compactos. 1.1 OBJETIVOS GERAIS Análise comparativa do funcionamento de um grupo gerador a diesel quando abastecido com diferentes misturas de biodiesel ao diesel derivado do petróleo, avaliando as conseqüências que estas variações de combustíveis podem causar no desempenho do gerador. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Análise do consumo de combustível e da potência de um grupo gerador a diesel abastecido com diferentes taxas de biodiesel misturado ao diesel (B0, B2, B5, B10, B20, B50 e B100), quando aplicadas cargas elétricas resistivas de potência máximas de 900 W e 1800 W.

14 3 1.3 ESCOPO DO TRABALHO Neste trabalho é feita uma análise comparativa entre diversas misturas de biodiesel e suas possíveis vantagens/desvantagens. Este trabalho não tem como foco realizar um estudo sobre biocombustíveis bem como combustíveis alternativos. Não faz parte deste estudo realizar qualquer tipo de análise de emissões para os testes realizados, realizar análise das peças do grupo gerador para verificar possíveis danos que o biodiesel possa vir a causar nas mesmas, bem como medir qualquer outra variação sofrida pelo motor além do consumo e potência gerada por um grupo gerador. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho foi estruturado de maneira a facilitar sua compreensão e análise sobre o assunto abordado. Ele está dividido nos seis capítulos descritos abaixo: Capítulo 1 Introdução. Capítulo 2 Revisão Bibliográfica, contendo um breve histórico sobre o diesel e biodiesel, uma visão da situação atual do biodiesel no cenário brasileiro e mundial, descrições detalhadas sobre o biodiesel, bem como ensaios realizados com grupos-geradores utilizando misturas de diesel e biodiesel. Capítulo 3 Fundamentação Teórica, onde serão explicados os princípios de funcionamento dos componentes do grupo-gerador, e também a influência de possíveis fontes de erros nos ensaios. Capítulo 4 Desenvolvimento, o qual contém uma explicação detalhada da metodologia utilizada durante a realização dos ensaios. Capítulo 5 Resultados, onde são apresentados os resultados encontrados durante os ensaios, bem como uma análise estatística dos mesmos. Capítulo 6 Conclusão, apresentando as principais conclusões possibilitadas pelo estudo, comentando os resultados finais e as dificuldades encontradas durante a realização do mesmo. Também serão apresentadas recomendações para futuros estudos.

15 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A análise de desempenho do biodiesel quando misturado ao diesel derivado do petróleo é necessária para o desenvolvimento de novas técnicas para motores de ciclo Diesel, sendo indispensável um estudo específico. Este estudo proporciona resultados que serão úteis a partir de 2008 com a obrigatoriedade da adição de biodiesel ao diesel derivado de petróleo, sendo que a partir desta data a cada ano a pressão externa para adição de maiores volumes de biodiesel crescerá. Isto forçará fabricantes de motores a se adequarem a essa nova realidade, resultando em investimentos em pesquisas sobre o seu desempenho. Este capítulo apresenta uma revisão de literatura dos assuntos fundamentais para a compreensão e realização deste trabalho. 2.1 HISTÓRICO No final do século XIX, Rudolf Diesel procurava uma maneira de aumentar o rendimento dos motores existentes na época. Foi então que em 1892 ele desenvolveu um motor que, ao contrário de motores do ciclo Otto, dispensava a necessidade de uma faísca para inflamar o combustível. Em motores diesel a ignição do combustível ocorre devido ao calor resultante da elevada compressão do ar dentro das câmaras de combustão, que possuem taxas de compressão muito maiores que motores do ciclo Otto (CLAUDINO, 1999). A primeira apresentação oficial do motor de Rudolf Diesel ao mercado ocorreu em 1898, na Feira Mundial de Paris, França. Durante esta apresentação, Diesel utilizou em seu motor um tipo de biocombustível, o óleo de amendoim, o que muitos consideram ser o biodiesel original. Diesel acreditava que seu motor seria alimentado com biocombustíveis e que isso iria gerar uma maneira de pequenas indústrias e fazendeiros competirem com as indústrias que monopolizavam a produção de energia da época (YOKAYO BIOFUELS, 2003). Diesel chegou até a afirmar que [...] óleos vegetais como combustível [...] com o tempo irão se tornar tão importantes quanto o petróleo e o carvão são atualmente (BIODIESELBR, 2007). Após alguns anos, o óleo vegetal acabou sendo substituído por um resíduo do processamento do petróleo, o óleo que atualmente é conhecido por óleo diesel,

16 5 devido a influência da indústria do petróleo que estava se desenvolvendo na época. Durante a década de 20, os fabricantes de motores a diesel alteraram seus produtos com o propósito de utilizarem o óleo diesel, que possui menor viscosidade que os óleos vegetais. Isso impossibilitou a utilização destes óleos vegetais, que acabaram caindo no esquecimento (YOKAYO BIOFUELS, 2003). Pesquisas sobre a utilização de biocombustíveis em substituição a combustíveis derivados de petróleo ganharam força durante a década de 70. Nesta época houve uma alta no preço do petróleo causada, inicialmente, pela suspensão das exportações de petróleo pelos países árabes como uma forma de punição ao apoio do Ocidente dado a Israel durante a Guerra do Yom Kippur. O preço do barril de petróleo em 1979 atingiu US$ 80,00 (VARGAS, 2004), o que impulsionou pesquisas e desenvolvimento de combustíveis renováveis, como por exemplo, o álcool no Brasil, e voltou a focar a utilização de óleos vegetais em motores a diesel. Porém, devido a sua alta viscosidade, a idéia da utilização de óleos vegetais foi logo abandonada, e iniciaram-se os estudos com mono-alquil ésteres de ácidos graxos, conhecidos como biodiesel, que possuem propriedades físico-químicas similares ao diesel (YOKAYO BIOFUELS, 2003). O processo mais utilizado para obtenção de biodiesel é a transesterificação. Este processo foi desenvolvido durante os anos 40, época da Segunda Guerra Mundial, pois era necessário descobrir maneiras mais simples de se obter glicerina, material necessário para a produção de explosivos. Partindo do princípio de que a glicerina é insolúvel em ésteres, a transesterificação é uma reação entre óleo vegetal ou gordura animal com álcool, que resulta em glicerina e éster, que são facilmente separados por centrifugação (GERPEN, 2005). 2.2 SITUAÇÃO ATUAL DO BIODIESEL Atualmente, devido a preocupações como a crise energética e aquecimento global, por exemplo, o mundo voltou a se preocupar com maneiras de substituir combustíveis fósseis por biocombustíveis, fazendo as atenções se voltarem novamente para a utilização do biodiesel, surgindo novos investimentos na pesquisa e desenvolvimento do mesmo.

17 6 Problemas tanto financeiros quanto ambientais fizeram o biodiesel se tornar um produto focado pela mídia. Estudos que mostram a queima de derivados de combustível fóssil, por exemplo, o diesel, como sendo uma das principais causas de poluição e conseqüentemente do efeito estufa, a pouca quantidade de petróleo que ainda resta e o preço por barril de petróleo cada vez mais elevado, vêm aumentando o interesse do mercado sobre o biodiesel, apostando que ele possa vir a substituir o diesel fóssil Cenário Mundial Grande parte da matriz energética mundial é dependente do petróleo, fonte de diversos produtos destacando-se combustíveis como o diesel. O diesel é para todo o mundo o grande responsável pela movimentação de mercadorias, estando presente nos transportes rodoviários, ferroviários e marítimos. Com as contínuas notícias da escassez de petróleo, e conseqüentemente o diesel, o biodiesel vem ganhando força e sua importância para o mundo cresce a cada dia. Muitos países vêm investindo grande quantia de dinheiro em pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias para que este combustível ecologicamente correto e renovável torne-se viável economicamente. Já existem na Alemanha, postos de combustíveis que oferecem o biodiesel em suas bombas, demonstrando com isso que este combustível já provou ser confiável para ser aplicado em motores diesel de uso doméstico e comercial. A comissão européia colocou como meta até 2020 o uso de 10% de biodiesel por parte de veículos determinando com isso o incentivo à cultura de plantas das quais possam ser retirados óleos para conseqüente extração do combustível (MAGALHÃES, 2007). Todas essas mudanças trarão conseqüências para as nações em todo o mundo, a agricultura será vista novamente como um grande ponto de apoio para o futuro, privilegiando países com vasta extensão territorial como é o caso do Brasil, China e Índia. Estes países possuem grande foco em atividades primárias, e terão mais uma chance de serem vistos como grandes exportadores de insumos para a produção do novo combustível para a matriz energética mundial ou até mesmo do biodiesel pronto para o uso.

18 Cenário Brasileiro Com uma crescente onda de investimento proveniente de países europeus e de outras partes do mundo para a produção de biodiesel, o Brasil se destaca por atrair boa parte deles. Esta atração não se deve por mero acaso. O país vem batendo recordes de exportação de grãos ano após ano, destacando-se no mercado mundial como um grande produtor, e com isso demonstra o grande potencial que tem por possuir vastas culturas de vegetais destinadas à produção do biodiesel. Investimentos vindos da Itália foram firmados em março deste ano entre o primeiro ministro italiano e o governo brasileiro visando a construção de quatro fábricas de biocombustíveis no país. O total previsto para o investimento poderá chegar em 1,3 bilhão de reais (MAGALHÃES, 2007). Com o surgimento deste tipo de investimento no país, os grandes agricultores vêem uma oportunidade de diversificação das culturas com uma demanda certa do produto. Porém, não é apenas através do plantio de grãos que o Brasil possui oportunidades para produzir o biodiesel. A empresa Big Frango, localizada no interior do Paraná, produz o biodiesel, que é utilizado em seus caminhões, usando a gordura retirada dos animais que são abatidos pela mesma. O desenvolvimento do processo de produção de biodiesel levou cinco anos, e atualmente a empresa economiza em torno de R$ 300 mil por mês com óleo diesel (BIG FRANGO, 2007). Internamente, o Brasil vem criando políticas de incentivo como, por exemplo, a criação da já citada lei /2005, que obriga a adição de 2% de biodiesel ao óleo diesel comercializado a partir de 2008 e maiores taxas para os anos seguintes (BRASIL, 2005). Porém, atualmente o governo estuda a possibilidade de aumentar a quantidade de biodiesel de 2% para 2,5% ou 2,8% (VERMELHO ONLINE, 2007). Tramita também na Câmara dos Deputados um projeto de lei que obriga a adição de 20% de biodiesel ao diesel comercializado no país a partir de 2018, aumentando a adição de 2% para 3% em 2008 (TERRA, 2007). Desta forma, pode-se dizer que o Brasil tem grandes chances de tornar-se uma potência na geração de biocombustíveis. Porém enquanto o Brasil inicia seu programa de geração de combustíveis alternativos, outros países já estão utilizandoos em larga escala. Na Alemanha, por exemplo, a produção em 2005 foi de

19 8 aproximados um milhão de toneladas do combustível e para 2007 a estimativa é de 3,7 milhões de toneladas (UFOP, 2007). 2.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO BIODIESEL E DO DIESEL Com o objetivo de fazer um comparativo entre o diesel e o biodiesel, serão explanadas as vantagens e as desvantagens destes dois combustíveis, demonstrando assim a viabilidade de ambos. Com uma preocupação muito grande atualmente pela procura por fontes renováveis de combustíveis, os biocombustíveis, como o biodiesel, destacam-se em relação aos combustíveis derivados do petróleo (PACHECO, 2004). O biodiesel apresenta muitas vantagens no quesito ambiental. As emissões de poluentes como o dióxido de carbono e o enxofre são reduzidos em 78% e 98%, respectivamente, sendo que o dióxido de carbono é o gás responsável pelo efeito estufa. O biodiesel é um combustível biodegradável e não tóxico, facilitando assim seu manuseio (COSTA, 1999). A emissão de gás carbônico liberado na combustão dos motores é absorvida quase que por completo pelas mesmas plantas oleaginosas que geram os óleos vegetais, como a mamona, o babaçu, a soja, o pinhão manso, entre outras, equilibrando assim o balanço negativo gerado pela emissão. No aspecto social, o biodiesel apresenta-se como uma solução para as regiões pobres do Brasil. O cultivo de plantas oleaginosas, como fonte de matériaprima, ocasiona um aumento na geração de empregos para o setor primário do país, incrementando novas tecnologias em regiões mais pobres (PACHECO, 2004). Na utilização em motores a combustão interna, o biodiesel possui algumas características vantajosas em relação ao diesel, tais como alto número de cetano, teor médio de oxigênio, melhorando a queima na câmara de combustão, maior ponto de fulgor e propriedades físico-químicas iguais ao do diesel, permitindo sua utilização direta nos motores (TORRES, 2000). Uma vantagem do diesel derivado do petróleo é o custo de seu processamento. O petróleo é refinado pelo processo de destilação atmosférica. Esta destilação promove frações de óleo diesel. A este produto são adicionados nafta, querosene e o gás óleo, resultando no óleo diesel para consumo direto (PETROBRÁS, 2007). Já a obtenção dos óleos vegetais, através da

20 9 transesterificação ainda é muito cara se comparada com o processo de refino do petróleo (PACHECO, 2004). Outra desvantagem do biodiesel é proveniente da comercialização da matéria-prima, pois a mesma depende das atividades rurais para definição de preços, tornando-o de alto custo se comparado ao diesel fóssil (FERRARI, 2005). No processamento do biodiesel, a reação de transesterificação resulta em dois subprodutos, a glicerina e o éster. Esta glicerina é utilizada em empresas de cosméticos principalmente, sendo que a demanda atual atende a tais necessidades. Um grande problema surgirá quando a produção de biodiesel aumentar, pois o mercado desta glicerina irá cair abruptamente, afetando o mercado de óleo-químico (FERRARI, 2005). Outra grande desvantagem do biodiesel em relação ao diesel é sua dependência de áreas de cultivo das plantas oleaginosas. O cultivo destas plantas pode causar um desmatamento desenfreado por áreas de cultivo, resultando na extinção de matas nativas. Há também um grande problema da intensiva produção de uma mesma cultura no mesmo solo, esgotando assim suas capacidades minerais (TORRES, 2000). O ANEXO 1 apresenta uma ficha com as especificações técnicas exigidas pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) para o diesel metropolitano, e o ANEXO 2 apresente as especificações da ANP para o biodiesel. 2.4 FORMAS DE OBTENÇÃO DO BIODIESEL Em vista de algumas dificuldades da utilização de óleo vegetal diretamente em motores, como alta viscosidade, baixa volatilidade e caráter poliinsaturado, alguns processos são utilizados para o refino deste óleo (MILLETT, 2003). Os processos mais utilizados são a diluição, a microemulsão com metanol ou etanol, o craqueamento catalítico e a transesterificação com etanol ou metanol. Dentre os quatro processos citados acima, a transesterificação é o mais utilizado para o refino do óleo devido a sua simplicidade e ao seu produto possuir características muito próximas ao diesel (FERRARI, 2005).

21 Transesterificação A transesterificação nos óleos vegetais consiste em uma reação química na qual triglicerídeos transformam-se em moléculas menores de ésteres e ácidos graxos (FERRARI, 2005). Esta reação é largamente utilizada na obtenção de componentes para cosméticos, detergentes, aditivos para alimentos e outros produtos a partir de óleos vegetais e gorduras animais (MILLETT, 2003). As matérias-primas utilizadas para o processo são o óleo vegetal ou gordura animal, álcool e catalisador. No Brasil os óleos mais utilizados originam-se da soja, amendoim, milho, babaçu, mamona, algodão, cacau e palma (figura 1). Já a gordura animal é proveniente de suínos, caprinos, bovinos e aves. FIGURA 1 - ALGUMAS SEMENTES UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE BIODIESEL FONTE: ADAPTADO DE CORRETORA MERCADO, Os álcoois para a reação de transesterificação podem ser o metanol, etanol, propanol ou butanol. Estes são álcoois de cadeia curta, facilitando assim a reação

22 11 química, pois há um menor número de quebra de ligações entre os elementos químicos (FERRARI, 2005). Já os catalisadores podem ser originários de meios básicos, meios ácidos ou enzimáticos. São preferíveis aqueles de origem básica, alcalinos, pois permitem uma maior velocidade de reação se comparados ao de meios ácidos e enzimáticos. Esta preferência dá-se também ao fato de apresentarem menores problemas em relação à corrosão de equipamentos. Os catalisadores alcalinos mais utilizados são o KOH (hidróxido de potássio) e o NaOH (hidróxido de sódio) (DANTAS, 2006). Para o processo de transesterificação, é utilizado um reator (figura 2). Este reator é dividido em três partes principais: o cilindro, que é a parte central, o agitador, que são pás ligadas a algum tipo de motor as quais promovem a agitação do líquido, homogeneizando-o, e a camisa, que é a parte mais externa do reator, na qual circula água aquecida. FIGURA 2 - DESENHO ESQUEMÁTICO DO REATOR FONTE: OS AUTORES

23 12 O processo inicia-se com a adição do óleo vegetal ou da gordura animal no reator. Ao atingir a temperatura de aproximadamente 45 C é adicionado o catalisador e o álcool. O tempo de reação varia com a quantidade de matéria-prima e com o tamanho do reator. Para um reator médio, o tempo aproximado por batelada é de 30 a 40 minutos e possibilita uma produção de 100 L/h. A reação química dentro do reator dá origem a dois produtos, o éster e a glicerina, ambos homogeneizados em um líquido de aparência escura. Para a separação destes reagentes, e feita uma destilação, obtendo-se assim o biodiesel e a glicerina (FERRARI, 2005). 2.5 UTILIZAÇÃO DE BIODIESEL EM GERADORES Ensaios de biodiesel em motores do ciclo Diesel vêm sendo realizados em sua grande maioria utilizando motores veiculares, que possuem um regime de funcionamento diferente dos grupos geradores que trabalham em faixas de rotação constantes. Alguns estudos sobre a utilização de biodiesel em grupos geradores já foram realizados, e seus resultados permitem uma análise inicial. Ferrari (2005) realizou um estudo para avaliar a taxa de conversão de óleo neutro de soja em éster etílico (biodiesel) e o rendimento desta conversão, bem como os parâmetros físicos e químicos deste biodiesel. Também foram realizados ensaios de consumo em um gerador utilizando diesel puro e biodiesel, bem como diferentes taxas de misturas dos dois combustíveis. Na tabela 1 estão representadas as misturas utilizadas por Ferrari em seu ensaio. TABELA 1 - MISTURAS DE DIESEL-BIODIESEL UTILIZADAS NO EXPERIMENTO Combustível Quantidade de Diesel (%) Quantidade de Biodiesel (%) B B B B B B B B FONTE: OS AUTORES

24 13 O motor utilizado nos testes era da marca Yanmar do Brasil S.A., modelo NSB50, em conjunto com um gerador da marca Kohlbach S.A., a 1800 rpm e 60 Hz, sendo mantidas as mesmas condições de operação em todos os testes. Visando garantir a confiabilidade dos resultados foram feitas diversas repetições dos testes. O consumo médio foi medido e expresso em litros por hora de funcionamento do equipamento. A tabela 2 apresenta os resultados encontrados nos ensaios realizados por Ferrari. TABELA 2 - CONSUMO EM LITROS POR HORA DE DIESEL, MISTURAS DE DIESEL- BIODIESEL E BIODIESEL TESTADOS EM GERADOR DE ENERGIA YANMAR Combustível Consumo do gerador Absoluto (L/h) Relativo ao B0 B0 0,6981 B5 0,6760-3,2% B10 0,6571-5,9% B20 0,6875-1,5% B40 0,7115 1,9% B60 0,7255 3,9% B80 0,7555 8,2% B100 0, ,3% FONTE: FERRARI, A figura 3 apresenta uma representação gráfica dos valores encontrados no ensaio realizado por Ferrari (2005). FIGURA 3 VALORES DE CONSUMO ENCONTRADOS NOS ENSAIOS REALIZADO POR FERRARI, L/h 0,85 0,80 0,791 0,75 0,756 0,70 0,698 0,676 0,688 0,712 0,726 0,65 0,657 0,60 B0 B20 B40 B60 B80 B100 M istura de Biodiesel FONTE: OS AUTORES

25 14 Os ensaios de Ferrari possibilitaram concluir que uma adição de no máximo 20% de biodiesel reduz o consumo médio de combustível, sendo que o melhor resultado ocorreu com a utilização do B10, com uma redução de aproximadamente 6% no consumo quando comparada ao diesel puro. Porém, a avaliação das outras misturas utilizadas indicou um aumento progressivo no consumo médio à medida que o percentual de biodiesel na mistura aumentava. Uma comparação entre B0 e B100 demonstra um aumento no consumo médio de 13% quando utilizado apenas biodiesel (FERRARI, 2005). Em outro estudo com grupos geradores, Lin (2006) realizou ensaios com diesel, biodiesel de palma, e misturas de ambos a fim de determinar possíveis reduções de emissões, bem como suas eficiências energéticas e o consumo de combustível médio. A eficiência energética é a razão entre a energia de saída medida durante a realização do ensaio pela energia de entrada, que pode ser descrita como a energia que o combustível pode gerar ao ser queimado e é calculada com base no seu poder calorífico inferior (PCI) (LIN, 2006). Nos ensaios foram utilizadas sete combinações de combustíveis: diesel derivado do petróleo puro, B10, B20, B30, B50, B75 e B100 (biodiesel puro) (LIN, 2006). O consumo de combustível está representado na tabela 3, e pode-se observar que à medida que a quantidade de biodiesel na mistura aumentou, o consumo aumentou também. TABELA 3 - CONSUMO DE COMBUSTÍVEL DE MISTURAS DE DIESEL-BIODIESEL DE PALMA E BIODIESEL QUANDO COMPARADOS AO DIESEL PURO FONTE: LIN, Combustível Aumento (%) B0 - B10 0,56 B20 1,04 B30 3,01 B50 3,53 B100 5,35 A eficiência energética do ensaio pode ser observada na figura 4.

26 15 FIGURA 4 - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA X MISTURA DE BIODIESEL 28 27,56 27,64 Eficiência Energética (%) 27 27,42 27,16 26,95 26,72 26,72 26 B0 B20 B40 B60 B80 B100 M istura de Biodiesel FONTE: ADAPTADO DE LIN, De acordo com as conclusões feitas por Lin (2006), o aumento no consumo de combustível ocorreu devido ao menor poder calorífico inferior (PCI) do biodiesel de palma (9707 cal/g) quando comparado ao diesel puro utilizado (10485 cal/g). Através da figura 4 verifica-se que ocorre uma melhora na eficiência energética quando a porcentagem de biodiesel existente na mistura com diesel é de até 20%. A partir deste valor, à medida que aumenta o percentual de biodiesel na mistura, a eficiência energética é reduzida, estabilizando-se na faixa que vai de B75 à B100 (biodiesel puro). Segundo Lin, isto ocorre devido ao alto índice de oxigenação do biodiesel de palma. Porém, misturas com mais de 20% de biodiesel causaram uma combustão incompleta e conseqüentemente uma redução na energia liberada pelo combustível. Um comparativo entre os resultados dos ensaios de Ferrari e Lin não é possível devido as diferenças existentes entre eles, como por exemplo, o tipo de biodiesel utilizado e o fato de os ensaios terem sido realizados em grupos-geradores distintos. Porém uma análise destes ensaios possibilita concluir que a utilização de misturas com mais de 20% de biodiesel reduzem a eficiência do sistema, agravando-se à medida que a porcentagem de biodiesel aumenta, ocasionando também um aumento no consumo da mistura de combustível.

27 16 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O gerador utilizado neste trabalho é formado por um alternador acoplado a um motor de combustão interna do ciclo diesel, gerando energia elétrica de corrente alternada. Por esta razão, neste capítulo são explicadas as teorias de funcionamento dos motores do ciclo Diesel e alternadores, bem como a teoria estatística utilizada na análise dos resultados e possíveis fontes causadoras de erro nos ensaios. 3.1 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Motor é todo equipamento utilizado para converter alguma forma de energia em movimento, ou seja, em energia mecânica. Esta energia pode ser de origem térmica, química, elétrica, entre outras. A divisão dos motores térmicos pode ser visualizada na figura 5. FIGURA 5 PRINCÍPIOS OPERATIVOS E NOMENCLATURA DOS MOTORES TÉRMICOS FONTE: RONCONI, Os motores de combustão interna (MCI) são aqueles que possuem uma câmara selada na qual ocorre a queima do combustível havendo assim uma troca

28 17 térmica. Essa combustão gera calor que expande o ar existente dentro da câmara, promovendo assim a movimentação das partes móveis do motor, gerando trabalho. A grande maioria dos motores, inclusive dos motores comerciais utilizados em automóveis, barcos, equipamentos de construção, entre outros, são motores de combustão interna, e funcionam por meio de êmbolos que com a explosão de combustível e conseqüente expansão da massa de ar existente dentro dos mesmos realizam movimento retilíneo. Esse movimento é então transformado em movimento circular através de uma árvore de manivelas, também conhecido como virabrequim, demonstrado na figura 6. FIGURA 6 - EXEMPLO DE UM CILINDRO (MOVIMENTO RETILÍNEO) E UM VIRABREQUIM (MOVIMENTO CIRCULAR) MOVIMENTO RETILÍNEO MOVIMENTO CIRCULAR FONTE: LAMBERTUCCI RETÍFICA, MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO No final do século XIX, Rudolf Diesel desejava criar um motor que possuísse rendimento superior aos motores existentes na época, e para isso realizou modificações em um motor do ciclo Otto adaptando-o às suas idéias, e em 1892 ele desenvolveu um motor que acabaria por receber seu nome. Ao contrário do motor idealizado por Nikolaus Otto, que utilizava gasolina ou querosene e necessitava de uma faísca para realizar a ignição do combustível, o motor de Diesel utilizava óleos vegetais como combustível e sua ignição era realizada pelo calor existente dentro da câmara de combustão causada pelas elevadas taxas de compressão. Por este

29 18 motivo, o motor diesel é considerado um motor de combustão interna de ignição por compressão (MCI-ICO) (PEREIRA, 2007) Funcionamento do Motor de Ciclo Diesel Os motores do ciclo Diesel (figura 7), assim como motores do ciclo Otto, podem ser divididos em dois grupos principais: motores de dois tempos e motores de quatro tempos, sendo o último o mais usual em MCI. Neste capítulo é explicado apenas o funcionamento de um motor de quatro tempos, modelo utilizado para os ensaios realizados neste trabalho. FIGURA 7 - EXEMPLO DE UM MOTOR DO CICLO DIESEL FONTE: VOLVO CONSTRUCTION EQUIPMENT, No ciclo Otto o motor aspira uma mistura de ar-combustível para dentro de suas câmaras de combustão. Esta mistura é de responsabilidade de um carburador ou equipamento similar, sendo que a combustão só ocorre após a ocorrência de uma faísca que é produzida pela vela de ignição. Motores do ciclo Diesel, ao contrário, aspiram somente ar para o interior de seus cilindros, sendo que o combustível é pulverizado sob altas pressões diretamente no interior da câmara. Neste ciclo, a ignição do combustível não depende de uma faísca. Como motores diesel funcionam sob elevadas pressões, a temperatura do ar dentro dos cilindros é muito elevada, e no momento em que o combustível entra em contacto com este ar aquecido ocorre a combustão (PEREIRA, 2007).

30 19 O motor de quatro tempos recebe este nome porque a cada ciclo de trabalho o pistão realiza quatro etapas, as quais estão descritas a seguir. Na primeira etapa do ciclo, o ar é aspirado para dentro da câmara de combustão. Durante esta etapa, ocorre a movimentação do pistão para baixo ao mesmo tempo em que a válvula de admissão de ar se abre. Esta movimentação do pistão aumenta o volume dentro da câmara, que é ocupado pelo ar que foi aspirado (figura 8). FIGURA 8 - PRIMEIRO ETAPA DO CICLO DIESEL FONTE: CARROSNAWEB, O volume de ar aspirado durante a primeira etapa pode ser aumentado instalando-se um sistema conhecido como turbo compressor. O turbo compressor aumenta a pressão no coletor de admissão, possibilitando que mais ar seja aspirado para dentro do cilindro. Com uma quantidade maior de ar dentro do cilindro, é possível injetar mais combustível, aumentando assim a potência final do motor (PEREIRA, 2007). A segunda etapa está representada pela figura 9. Nesta etapa ocorre a compressão e conseqüente aquecimento do ar, que foi aspirado durante a primeira etapa, podendo atingir temperaturas de 800º C.

31 20 FIGURA 9 - SEGUNDA ETAPA DO CICLO DIESEL FONTE: CARROSNAWEB, A compressão no ciclo Diesel é muito maior que no ciclo Otto, atingindo taxas de 14:1 a 24:1 (no ciclo Otto estas taxas são de 8:1 a 12:1). A taxa de compressão é a relação entre o volume total do cilindro ao se iniciar a compressão, conhecido como ponto morto inferior (PMI), pelo volume do final da compressão, conhecido por ponto morto superior (PMS). Esta taxa de compressão é diretamente proporcional ao rendimento do motor (DABAGUE, 2002). Ao fim da compressão, o combustível é injetado sob alta pressão dentro da câmara de combustão. Na terceira etapa, ocorre a ignição do combustível que já havia sido previamente injetado. Esta ignição faz com que ocorra a expansão dos gases existentes dentro da câmara, transferindo energia para o pistão e movendo-o para baixo, como pode ser visto na figura 10. FIGURA 10 - TERCEIRA ETAPA DO CICLO DIESEL FONTE: CARROSNAWEB, 2007.

32 21 Na quarta e última etapa ocorre a exaustão dos gases usados na combustão. Durante esta etapa, a válvula de escape (válvula de saída) abre-se, o pistão movimenta-se para cima e expulsa os gases para fora do cilindro (figura 11). FIGURA 11 - QUARTA ETAPA DO CICLO DIESEL FONTE: CARROSNAWEB, Após a quarta etapa, há um repetição do ciclo. É necessário realizar duas rotações na árvore de manivelas para que os quatro ciclos descritos ocorram (PEREIRA, 2007) Ciclo Diesel Teórico O ciclo Diesel teórico demonstra o funcionamento dos MCI-ICO possibilitando sua modelagem. Neste ciclo, o processo de transferência de calor ocorre à pressão constante, enquanto que no ciclo Otto esta transferência ocorre a volume constante. Abaixo é possível visualizar os diagramas Pressão versus Volume (figura 12) e Temperatura versus Entropia (figura 13) que ilustram o ciclo.

33 22 FIGURA 12 - RELAÇÃO PRESSÃO X VOLUME DO CICLO DIESEL Q Q FONTE: MPSC, FIGURA 13 RELAÇÃO TEMPERATURA X ENTROPIA DO CICLO DIESEL FONTE: MPSC, Os quatro estágios do ciclo Diesel representados nas figuras acima são os seguintes: 1 2: Compressão isoentrópica; 2 3: Recebimento de calor à pressão constante; 3 4: Expansão isoentrópica; 4 1: Rejeição de calor à volume constante (MPSC, 2007) Comparação entre Ciclo Diesel Teórico e Ciclo Diesel Real Quando comparado ao ciclo Diesel teórico, o ciclo Diesel real possui um funcionamento um pouco diferenciado, pois o ciclo real não ocorre em um sistema

34 23 fechado. Nos motores diesel, o ar que entra na câmara é expelido após a combustão e uma nova massa de ar é puxada para dentro da câmara de combustão, situação que não ocorre no ciclo diesel teórico, onde a mesma massa de ar circula durante todas as etapas. A figura 14 apresenta uma modelagem do ciclo diesel real. FIGURA 14 RELAÇÃO ENTRE PRESSÃO E VOLUME DO CICLO DIESEL REAL FONTE: ADAPTADO DE RUIZ, A área alaranjada na figura 14 representa a exaustão e posterior aspiração dos gases externos para dentro da câmara que ocorre a pressão atmosférica. Também é possível visualizar que no ciclo real a transferência de energia não ocorre a pressão constante. Neste caso, a combustão ocorre parte a pressão constante, parte a volume constante (RUIZ, 2007).

35 GERADOR O gerador é um aparelho capaz de transformar energia mecânica em elétrica. Existem dois tipos básicos de geradores: os alternadores e os dínamos. Os alternadores são geradores de corrente alternada enquanto os dínamos são geradores de corrente contínua. A transformação de energia em geradores baseia-se na Lei de Lenz, a qual afirma que quando existe indução magnética, a direção da força eletromotriz é tal, que o campo magnético dela resultante tende a parar o movimento que produz a força eletromotriz (PEREIRA, 2007) Princípio do Eletromagnetismo e Funcionamento do Gerador Em 1831, Michael Faraday (Europa) e Joseph Henry (Estados Unidos) desenvolveram métodos para transformar a energia mecânica em elétrica usando a indução magnética de imãs (COPEL, 2007). A indução magnética ocorre sempre que há movimento relativo entre um condutor e um campo magnético. Com a variação de fluxo magnético que ocorre quando é girada uma espiral ou um disco no centro de um campo magnético existe uma variação de potencial permitindo geração de eletricidade, seja ela de corrente contínua ou alternada (figura 15) (UFSM, 2007). O gerador elementar de Michael Faraday consistia em um disco de cobre que girava no centro do campo magnético formado por um imã de ferradura, com isso Faraday gerou energia elétrica de corrente contínua. Já Joseph Henry desenvolveu um gerador capaz de fornecer energia elétrica de corrente alternada. Este gerador consistia de um fio enrolado em uma armação de ferro que girava também no centro do campo magnético formado por um imã de ferradura semelhante ao usado por Faraday (COPEL, 2007). Em um grupo-gerador, a força eletromotriz é gerada pelo motor térmico que fornece energia mecânica ao gerador permitindo o seu funcionamento. O alternador por sua vez gera uma carga resistiva ao movimento do motor. Conforme explicado pela Lei de Lenz, o campo magnético resultante tende a parar a força eletromotriz, exigindo que o motor possua potência necessária para manter o movimento e

36 25 conseqüentemente manter a geração de energia elétrica pelo gerador. Quanto maior for a necessidade de geração, maior será a potência exigida do motor (UFSM, 2007). FIGURA 15 - FUNCIONAMENTO DO GERADOR ELEMENTAR FONTE: COPEL, Abaixo são descritas as etapas do funcionamento do gerador elementar apresentado na figura 15. Na etapa 1 as duas extremidades da espira ou armadura são ligadas ao gerador por escovas de carbono para haver a ligação da espira com os dois pólos do gerador através dos anéis coletores. Na etapa 2 quando a espira gira em torno do seu eixo faz com que o fluxo varie em seu interior causando uma diferença de potencial entre as extremidades da espira. Quando a espira encontra-se na posição da etapa 3 não existe fluxo magnético e a partir deste momento até que a espira se encontre novamente horizontal com os pólos do imã o sentido do fluxo muda como pode ser visto na etapa seguinte. Na etapa 4 o fluxo muda de sentido, definindo-se assim o nome de corrente alternada, pois hora é num sentido e hora no sentido contrário (UFRS, 2007). O gerador elementar utilizava imãs naturais para produzir seu campo magnético. Atualmente, porém, este campo magnético é produzido por imãs artificiais que possibilitam controlar a tensão e a corrente de forma adequada aos

37 26 padrões atuais. Imãs artificiais são formados por bobinas e alimentados com corrente contínua fornecida por uma fonte externa ao grupo motor-gerador controlada por um regulador de tensão. Esta fonte de corrente contínua recebe o nome de Excitatriz (UFSM, 2007) Corrente alternada A corrente alternada é o tipo de energia elétrica atualmente disponível na rede elétrica que abastece as residências, comércio e indústrias. Este tipo de corrente é caracterizado pela variação de tensão que ocorre em cada uma das etapas descritas na figura 15, onde a cada etapa o sistema realiza uma rotação de 90º em seu eixo, variando o fluxo magnético e conseqüentemente a tensão gerada. Portanto o nome corrente alternada vem do comportamento da sua tensão variável e é representada por uma curva senoidal (figura 16) (PEREIRA, 2007). FIGURA 16 - TENSÃO EM CORRENTE ALTERNADA Variação da Tensão V rms V p 0º 90º 180º 270º 360º Ângulo da Espira (º) FONTE: ADAPTADO DE PEREIRA, O valor eficaz de uma tensão alternada, representado na figura 16 por V rms, corresponde ao valor de uma tensão contínua que, se aplicada a uma resistência, faria com que ela dissipasse a mesma potência média caso fosse aplicada essa tensão alternada. O conceito de valor eficaz também é aplicado a corrente elétrica, e aparelhos de medição como multímetros apresentam os resultados medidos nesta