ANÁLISE EXPERIMENTAL E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE UM GRUPO GERADOR A BIODIESEL

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1 ANÁLISE EXPERIMENTAL E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE UM GRUPO GERADOR A BIODIESEL Mucio Pinto Guimarães Júnior 1 ; Jorge Recarte Henríquez Guerrero 2 1 Estudante do Curso de Engenharia Mecânica - CTG UFPE; mucio_guimaraes@yahoo.com.br, 2 Docente/pesquisador do Depto de Engenharia Mecânica CTG UFPE. rjorge@ufpe.br. Sumário: Neste trabalho, será apresentada uma análise energética e exergética de um Grupo Gerador. Utiliza como carga de consumo elétrico, um banco de resistências. Tratará de um estudo teórico-experimental, onde os parâmetros necessários para realização das análises energética e exergética do sistema, foram obtidos em sua maioria em ensaios realizados numa bancada experimental de Grupos Geradores localizada no laboratório de Micro-Cogeração do Depto. de Engenharia Mecânica da UFPE. Os parâmetros obtidos nos ensaios foram os de Temperatura e vazão da água de arrefecimento na entrada e saída do radiador; Temperatura e velocidade do ar do processo de combustão; Temperatura e vazão mássica do combustível; Temperatura do ambiente; Temperatura e velocidade dos gases de exaustão; Temperatura, velocidade e umidade do fluxo de ar de refrigeração do radiador. A composição do diesel foi obtida através da literatura e para a realização da análise foi desenvolvido um modelo matemático baseado na primeira e a segunda lei da termodinâmica. Esse estudo foi realizado com o motor operando em vazio, ou seja, sem carga, e operando com a carga resistiva. O sistema operando com a carga resistiva apresentou eficiência energética de aproximadamente 0,38, eficiência exergética de 35,6% e uma taxa de destruição de disponibilidade de 3,63 kj/s. Palavras ave: análise exergética; grupo gerador; biodiesel INTRODUÇÃO A produção de biodiesel no Brasil pode apresentar um caráter de desenvolvimento econômico, social e de potencialização do agronegócio, principalmente na agricultura familiar. Por outro lado, existe também um aspecto ambiental benéfico associado ao uso de biodiesel como combustível. A queima de biodiesel em motores de combustão interna pode ser realizada com menor impacto ambiental se comparado ao óleo diesel. Uma das vantagens do biodiesel é ser adequado para o uso nos motores diesel já existente, sem alterações, que fornece uma alternativa de combustível renovável para esses tipos de equipamentos. Alguns fatores contribuem para a cautela no uso do biodiesel puro, pois, o uso de B100 (100% biodiesel) acarreta uma perda de aproximadamente 5% a 7% na potência máxima, e no uso de suas misturas. A perda de potência varia e depende da porcentagem do biodiesel misturado ao óleo diesel. Por outro lado, o biodiesel apresenta uma baixa estabilidade em relação a processos de oxidação durante o processo de armazenamento, o que pode resultar em problemas de desgastes prematuros nos componentes do motor. O presente estudo compreende uma análise energética e exergética num grupo gerador para avaliar o potencial energético residual que possa ser utilizado em processos secundários que demandem energia térmica.

2 MATERIAIS E MÉTODOS O estudo por ter um aspecto preponderantemente experimental, foi realizado numa bancada experimental de Grupos Geradores localizada no laboratório de Micro-Cogeração do Depto. de Engenharia Mecânica da UFPE. A bancada experimental é composta por: (a) um Grupo Gerador Diesel do fabricante LEON HEIMER S.A.; (b) Analisador de Energia da EMBRASUL; (c) Anemômetro de Fio Quente VT-50; (d) Anemômetro de Hélice com termo-higrômetro modelo WM-1800; (e) Balança; (f) Data Logger Data Taker DT85; (g) Manômetro Digital MP 100; (h) Termopares dos tipos T, J, K da ECIL T. I.; (i) Termômetro Infravermelho Mira Laser Digital TD-985; (j) Tubo de Pitot. O ensaio tem início com a partida do grupo gerador, inicialmente operando em vazio, sendo registrado o peso inicial de combustível. As tomadas de velocidade no coletor de ar do processo de combustão são realizadas em quatro pontos predefinidos. A medição de velocidade do ar de arrefecimento na saída do radiador é feita em nove pontos predefinidos. Esses dois procedimentos e o peso do combustível são repetidos em intervalos de tempo de 5 minutos. É então ligada ao grupo gerador a carga resistiva, onde os mesmos procedimentos realizados para o grupo gerador em vazio são repetidos com o grupo gerador com a carga resistiva. O modelo matemático é apresentado a seguir. De acordo com a figura 1 e a equação da primeira lei da termodinâmica, os fluxos de massa de combustível, o ar de combustão, a água de refrigeração, e os gases de exaustão carregam energia térmica através das fronteiras do sistema e representam as somatórias na equação 1. Figura 1. Volume de controle aplicado ao Grupo Gerador O primeiro termo no lado esquerdo da equação é igual a zero sob as condições de regime permanente. O termo ΣW na equação representa a potência produzida no grupo gerador e o termo ΣQ representa duas parcelas de energia, sendo uma delas a energia liberada pelo processo de combustão (potencial energético do combustível) e a outra representando as perdas térmicas por convecção e radiação no corpo do motor. de dt = mh & mh & + Q& W& e s 1 As energias associadas aos fluxos de massa citados acima podem ser representados, de forma genérica, pela equação 2. Por sua vez, a energia liberada pelo processo de combustão pode ser representada pela equação 3. As perdas térmicas por convecção e radiação no corpo do motor, são representadas pela equação 4. O coeficiente de transferência de calor por convecção, h, foi obtido de correlações empíricas que atendem as condições do problema. E & = mc & T T ) p ( ref 2 Q& combustão = m& combpci 3

3 4 4 Q & conv+ rad = has ( Ts T ) + εasσ ( Ts T ) 4 A exergia é a parcela da energia que pode ser transformada completamente em trabalho e/ou calor. Segundo Bejan et al (1996), a exergia total, equação 5, de um sistema pode ser decomposta em quatro componentes: Exergias física, cinética, potencial e química. Ex = Ex + Ex + Ex + Ex cin pot fis 5 Ex fis = m[( h h0 ) T0 ( s s0 )] 6 Excomb = mcombϕpci 7 As exergias cinética e potencial são desprezíveis e não foram consideradas nos cálculos. A definição de Kotas (1995) para a exergia física é igual à quantidade máxima de trabalho obtido quando uma corrente é levada do estado inicial até as condições de referência, por processos físicos envolvendo somente interações de pressões e temperaturas com o meio ambiente. A exergia química é igual à quantidade máxima de trabalho obtido por uma substância desde a sua condição inicial até a condição de equilíbrio químico com o meio ambiente. Por sua vez, a exergia química, para combustíveis líquidos industriais, introduzida no sistema pode ser obtida através de uma relação entre φ, que expressa uma correlação de dependência atômica entre H/C, O/C, N/C e S/C, e o PCI, como mostra a equação 7. Da equação 8, temos que os termos dex/dt e dv/dt são iguais a zero sob as condições de regime permanente. O termo Q(1-T ref /T) representa as perdas de exergia pelas transferências de calor com o ambiente. Os somatórios representam as exergias que entram e deixam o sistema (motor). E por fim Ex D representa a exergia destruída durante o processo. As eficiências energética e exergéticas podem ser expressas pelas equações 9 e 10, respectivamente. dex dt = Q & ( 1 T T ) ( W& p dv dt ) 0 + mex & mex & Ex ref e 8 η = W Q combustão 9 ε = W & Ex comb 10 RESULTADOS O perfil das temperaturas obtidas pelos termopares, figura 2, representam da melhor forma o comportamento do grupo gerador, sendo possível observar o brusco aumento de temperatura dos gases de exaustão, quando ligada a carga resistiva ao motor, representado no gráfico pela curva azul superior. s D

4 Figura 2. Curvas de temperaturas no GGD O consumo do motor quando operando em vazio, ou seja, sem carga, operando em regime permanente, é de 0,00049 kg/s. Por sua vez, quando operando com a carga resistiva, também em regime, o consumo é de 0,00086 kg/s. Tendo um aumento significativo no consumo, como o esperado. Nas figuras 3 e 4, é possível visualizar as parcelas em porcentagem dos fluxos de energia e exergia que deixam o sistema, com carga resistiva. Figura 3. Porcentagem de Energia dos produtos Figura 4. Porcentagem de Exergia dos produtos Por não ter sido possível determinar a potência do grupo gerador quando operando em vazio, só foi realizado o cálculo das eficiências quando operando com carga. Sendo elas igual a 0,3799 e 0,3559, a eficiência energética e exergética respectivamente. Os valores obtidos correspondem a valores próximos encontrados na literatura (Santos, 2005) CONCLUSÕES Foi ensaiado um grupo gerador a diesel sem carga (em vazio) e com uma carga resistiva. Sob condições de carga o consumo de combustível do motor é maior assim como é maior também a temperatura de saída dos gases da combustão. A eficiência energética encontrada, assim como, a eficiência exergética assumiram valores que se aproxima de valores encontrados na literatura. A redução da destruição de exergia ou das irreversibilidades significaria uma melhor e mais inteligente utilização dos insumos energéticos. Sendo reduzida ainda a emissão de efluentes para o meio ambiente.

5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao PIBIC-UFPE-CNPq pela concessão de uma bolsa de iniciação científica. REFERÊNCIAS BEJAN, A., TSATSARONIS, G. e MORAN, M.. Thermal Design & Optimization. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN, T. L. e LAVINE, A.S.. Fundamentos da Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro: LTC, KOTAS, T. J.. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Flórida: Krieger Publishing Company, SANTOS, J.C.A.. Análise Energética e Exergética de Plantas de Co-Geração. Dissertação (Mestrado em Engenharia), UFRS. Porto Alegre, 2005.