O uso do Biodiesel em Micro-turbinas a Gás: Testes de Desempenho Térmico e Emissões

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO O uso do Biodiesel em Micro-turbinas a Gás: Testes de Desempenho Térmico e Emissões Autor: Paulo Sérgio Pedroso Corrêa Júnior Orientador: Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento Co-orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Itajubá, Novembro de 2006

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO O uso do Biodiesel em Micro-turbinas a Gás: Testes de Desempenho Térmico e Emissões Autor: Paulo Sérgio Pedroso Corrêa Júnior Orientador: Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento Co-orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Curso: Mestrado em Engenharia Mecânica Área de Concentração: Conversão em Energia Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica. Itajubá, Novembro de 2006 MG. Brasil

3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO O uso do Biodiesel em Micro-turbinas a Gás: Testes de Desempenho Térmico e Emissões Autor: Paulo Sérgio Pedroso Corrêa Júnior Orientador: Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento Co-orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Composição da Banca Examinadora: Prof. Dr. Carlos Rodrigues Pereira Belchior Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento (Or) Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora (Co-Or) Prof. Dr. Osvaldo José Venturini Origem: UFRJ Origem: UFBA Origem: UNIFEI Origem: UNIFEI Origem: UNIFEI

4 Dedicatória À minha mãe, Olga, que sempre acreditou na realização deste trabalho; à amiga Joana, pelo apoio no início do mestrado; à minha irmã Fabiana que sempre admirei; ao meu irmão Diego pelo seu exemplo de vida; à minha noiva Wanessa que Amo e sempre está do meu lado para tudo; e aos meus avós Sr.Joaquim e D.Lilá.

5 Agradecimentos Ao meu Orientador, Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento, pela competência, paciência e amizade. Ao meu co-orientador Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora, pela competência, incentivo, colaboração e amizade. Ao meu amigo Prof. Dr. Arnaldo Martín Martinez Reyes pela colaboração na revisão da minha dissertação de mestrado. Aos amigos, José Joaquim, Rubenildo Viera, Manuel Rendón, Angel Brito, Hilário, Cláudião pelo permanente incentivo, colaboração, amizade, momentos de lazer e inesquecível convívio profissional. Aos Professores da Universidade Federal de Itajubá, Genésio José Menon e Osvaldo Venturini, pelo apoio e sugestões, que contribuíram para a elaboração deste trabalho. À CAPES, através do programa de bolsas, pelo apoio financeiro. Ao meu pai, Paulo Sérgio Pedroso Corrêa e a minha mãe, Olga Maria Marques Corrêa, que sempre me incentivaram na formação e no desenvolvimento cultural.

6 Ninguém é melhor que ninguém diante das possibilidades. Walter Grando

7 Resumo Corrêa, P. S. P. Jr. (2006), O Uso do Biodiesel em Micro-turbinas a gás: Testes de Desempenho Térmico e Emissões, Itajubá, 121 p. Dissertação (Mestrado em Conversão em Energia) - Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá. Diversos centros de pesquisas têm realizado estudos relacionados com a utilização do biodiesel em motores alternativos de combustão interna e constatado o grande potencial deste combustível, porém, há pouca informação sobre a utilização do biodiesel em turbinas a gás. Assim, visando suprir esta carência de informação, esta dissertação de mestrado mostra uma análise experimental da utilização do biodiesel em uma micro-turbina a gás de 30 kw, buscando avaliar a influência da utilização deste combustível no desempenho térmico e nas emissões destes acionadores primários. Foi realizada uma simulação computacional, com o software Gate Cycle (Enter Software - GE), visando determinar o desempenho térmico da micro-turbina em regime permanente. Utilizaram-se três misturas de combustíveis: B50, B100 e DF100. Os dados experimentais para a validação dos modelos foram obtidos a partir de testes da micro-turbina a gás existente no Laboratório de Turbinas a Gás e Gaseificação da Biomassa do NEST/ UNIFEI (Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída). Os resultados dos testes experimentais e os da simulação são mostrados em forma de gráficos, onde pode ser constatado que o biodiesel e suas misturas não alteram de forma significativa o desempenho térmico da micro-turbina e, ao mesmo tempo possibilitam reduções consideráveis nas emissões de contaminantes gasosos. Palavras-chave Micro-turbina a gás, Biodiesel de mamona, Diesel, Simulação.

8 Abstract Corrêa, P. S. P. Jr. (2006), The Use of Biodiesel in Gas Micro-turbines: Thermal Performance Tests and Emissions, Itajubá, 121 p. Dissertation (Master s Degree in Energy Conversion) - Institute of Mechanic Engineering, Federal University of Itajubá. Several research centers have been carrying out studies regarding the use of biodiesel in internal combustion engines and the great potential of this fuel has been confirmed. However there is scarce information on the use of biodiesel in gas turbines. Thus, aiming at this need for information, this master s degree dissertation shows an experimental analysis of the use of biodiesel in a 30 kw gas micro-turbine, trying to assess the influence of using this fuel on the thermal performance and on the emissions of these prime drivers. A computational simulation was performed using the Gate Cycle Software (Enter Software - GE), aiming at determining the thermal performance of the micro-turbine at permanent regime. The simulation was carried out using three fuel mixtures: B50, B100 e DF100. The experimental data to validate the models were attained based on tests of the gas micro-turbine installed in the Laboratory of Gas Micro-turbine and Biomass Gasification of Nest/Unifei (Excellence Group in Thermal and Distributed Generation). The results of the experimental tests and of the simulation are shown as graphics, where it is possible to observe that the biodiesel and its mixtures do not change significantly the micro-turbine thermal performance and, at the same time, make it possible for the emissions of gaseous contaminants to be considerably reduced. Key words Gas micro-turbine, Castor biodiesel, Diesel, Simulation.