4. Metodologia e desenvolvimento dos ensaios

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1 46 4. Metodoloia e desenvolviento dos ensaios Usou-se nos ensaios u rupo erador erkins, odelo TAG 1006, que se encontrava pado desde o ano de 005. Foi necessário coloc e funcionaento novaente o rupo erador, no odo diesel puro e se ca, e então se instalou u sistea de conversão iesel-gás, desenvolvido na própria universidade. Este sistea peritiu o controle eletrônico da vazão de ás natural junto co u sistea de copressão de ás natural. Já que os bicos injetores trabalha co ua pressão aior ( b fornecida pela CEG pa o LEV (1b. Instalou-se tabé u sistea de restrição de eletrônico; os sisteas eletrônicos e conjunto fora avaliados verificando se o ipacto das isturas -cobustível sobre as eissões e desepenho do rupo erador. Os testes de eissões de CO, NO e HC fora baseados na nora NB de acordo co ua pesquisa já feita no LEV (Eúsquiza, 006. Foi estabelecido u sistea dissipador de ca elétrica (Fiura 15 e testado co o rupo erador. O ensaio foi realizado co ua velocidade constante de 1800 M pa ua freqüência de 60 Hz de 0 V entre as linhas do trifásico. rieiraente foi realizado no odo iesel puro, e então, no odo iesel-ás, viando entre 16%, 5%, 60%, 7%, 90% e 100% da ca áxia.. a facilit o entendiento do experiento os procedientos do ensaio fora divididos e três fases, a prieira no odo iesel puro, a seunda no odo iesel-ás e o terceiro no odo iesel-ás co restrição de fluxo de Modo iesel uro O objetivo foi deterin as curvas cacterísticas do rupo erador e desepenho e eissões, e produzir outros dados, a fi de cop co os ensaios no odo iesel-ás. Foi retirado o filtro de e, e seu lu, usado u tabor co bocais calibrados pa a edida do consuo de. Foi retirada a conexão de união da entrada de diesel na boba de alta pressão co o tanque de azenaento próprio do rupo erador, e fixado u novo tanque de azenaento diretaente liado ao edidor de vazão de diesel (coriolis, alé disso,

2 47 foi necessário conect o retorno de diesel na entrada da boba de alta pressão, pa que o edidor de vazão teste só o consuo líquido. Foi colocada depois do silenciador, na saída dos ases de escape a sonda de edição de eissões. Viando a ca elétrica pa 1800 rp constantes, fora adquiridos os seuintes dados: Aperae e ua linha das três linhas do trifásico (A; Voltae entre linhas do trifásico (V; Consuo de óleo diesel (k/h; Teperatura na entrada do tabor de ( C; Teperatura na entrada do tabor de ás natural ( C; Teperatura da saída do copressor ( C; Teperatura de áua na saída do intercooler ( C; Teperatura de áua na entrada do intercooler ( C; Teperatura de entrada no coletor de adissão ( C; Teperatura no escapaento ( C; ressão de entrada no tabor de (psia; ressão na desca do copressor (psia; ressão diferencial no tabor de (inh O; Concentração do onóxido de cbono: CO (pp; Concentração dos óxidos de nitroênio: NO x (pp; Concentração dos dióxidos de nitroênio: NO (M; Concentração dos hidrocbonetos não queiados HC (M. As aquisições de dados fora feitas depois de alcanç a estabilidade e cada ponto de edição (ca elétrica x rotação. As edições das eissões fora obtidas através do equipaento portátil, ca Texto, e fora azenadas e ipriidas pelo eso. Os deais pâetros fora edidos e obtidos pelo sistea de aquisição da NACIONAL INSTUMENTS e intervalos de u inuto. Os resultados obtidos representa u ponto do total dos ensaios.

3 Modo iesel Gás U dos objetivos do presente trabalho foi reproduzir o desepenho do rupo erador epreando bi-cobustível, utilizando diferentes taxas de substituição até o nível áxio de substituição. epois de obtidos os dados, estes seria copados co os dados no odo diesel puro. Foi necessário fazer ua ontae do controle eletrônico de injeção de ás natural, focando no elhor funcionaento do sistea. Sendo assi, foi preciso utiliz u sistea secundário de copressão de ás natural, que conta co três copressores, acessórios de conexões e seurança, e dois tanques de azenaento. O sistea de copressão era ua pressão de b, sofrendo ua pequena queda durante o trajeto percorrido pelo ás até a entrada do tabor. E seuida, passa por u filtro que ajuda na conservação dos bicos injetores, antindo assi a qualidade do ás natural. A função dos bicos é reul a vazão, viando o tepo de abertura e u ciclo, deterinando, portanto, o duty cicle. Fazendo aluns outros ajustes e verificações no rupo erador, foi possível d início aos ensaios. Coeçou-se viando o tepo de abertura dos bicos injetores (duty cicle, co ua pressão constante na entrada dos bicos e do tabor de ás de,7 b. O procediento consistiu e fix a rotação x ca elétrica e então injet ás natural, coeçando co u tepo de abertura baixo (aproxiadaente 10% de duty cicle. Na tela do coputador foi adaptada a edição e tepo real da taxa de substituição, co o objetivo de avali as seuintes porcentaens de taxa de substituição: 10%, 0%, 40%, 60% e 80%. Co 80% de taxa de substituição, e trabalhando e altas cas, foi possível observ o fenôeno de detonação de fora audível (batida de pino. A injeção de óleo iesel foi controlada pelo overnador eletrônico, que é responsável por atu diretaente sobre a haste de acionaento da boba injetora de diesel, eso no oento e que o ás natural é injetado, naturalente o otor do rupo erador te a tendência de auent a rotação. Sendo assi, o sensor do overnador, situado no eixo de counicação do otor (pick up co o erador, ede o auento de rotação. A unidade de controle do overnador atua na retração da haste de acionaento da boba injetora até che ao equilíbrio novaente. Alé das edidas feitas no odo diesel puro, no odo iesel-ás fora reistradas as seuintes edidas:

4 49 Teperatura do tabor de edição de ás natural ( C; ressão diferencial no tabor de ás natural (inh O; ressão absoluta do ás natural (psia. As edições de poluentes fora reistradas e ipriidas pelo Testo, nos esos pontos de edição da potência elétrica do odo diesel puro. 4.. iesel ás co restrição de a che ao principal objetivo do presente trabalho, que é a redução de eissões, se optou pelo uso do étodo da restrição pcial de de adissão. Assi, tentou-se enriquecer a istura -ás, até encontr u nível de restrição, onde pudesse atender na redução dos níveis de eissões, antendo, portanto, o desepenho do otor de fora estável. a restrinir o no coletor de adissão, utilizou-se ua válvula borboleta, de controle eletrônico, instalada entre a saída do intercooler e a entrada ao coletor de adissão (Fiura 7. Mantendo-se constante a ca elétrica x rotação, co ua taxa de substituição constante, iniciou-se o processo de fechaento pcial da válvula borboleta, até observ u funcionaento anoral do otor. E teros de porcentae, e ua faixa de 0 até 100% de restrição, sendo 0 a operação do otor co a válvula borboleta copletaente aberta, e 100% a válvula copletaente fechada, foi possível cha a u liite de 60% de restrição e cas pciais e 50% e cas elevadas, sendo esta últia liitada pela falha de cobustão co fortes ruídos, queda de rotação e excesso de fuaça preta. E altas cas, a restrição de é dificultosa pelo fato das condições de teperatura e pressão sere elevadas e relação ao que o otor espera, poré, é possível realiz ua operação noral, diinuindo a taxa de substituição. Foi reistrado o desepenho do rupo erador no odo diesel co restrição de, onde se observou que, quando o foi reduzido, o overnador sofreu ua queda na rotação, refletindo diretaente no auento da injeção de diesel. eistra-se os acréscios do consuo de diesel co a restrição pcial de. a elhor copreensão e baseando-se no real consuo de diesel de u rupo erador, aplica-se nele ua restrição de na adissão. As edidas de taxa de

5 50 substituição são calculadas e teros de consuo de diesel real co restrição de, e não e teros de consuo de diesel no odo oriinal e se restrição de. O objetivo seria anter ua taxa de substituição zero, evitando assi, obter taxas de substituição neativas nos resultados. a cada ponto de reistro de ca elétrica x rotação fixos, e tendo ainda as edidas no odo iesel-ás, fora capturados, e porcentae, a restrição de desepenhado pela borboleta propriaente. As aquisições de dados fora as esas das fases anteriores edução de ados otência elétrica Observada ( el A potência elétrica erada nu sistea trifásico co ua ca resistiva é: el ôtencia elétrica (kw; V Voltae (voltio; I Aperae (apère. el V I (1 ôtencia ao eixo (kw; el ôtencia elétrica (kw; η Eficiência do rupo erador (- - 0,9. G η (1 el G Vazão Mássica de ( : As propriedades fora avaliadas, levando e consideração a pressão, teperatura e uidade, sendo utilizada a seuinte expressão:

6 51 ρ _ u 600 ρ V bocal Nbocal d π _ u (14 4 Vazão ássica de úido (k/h; Massa específica do abiente (k/ ; V N bocal bocal Velocidade no bocal de edição de (/s; Núero de bocais; d iáetro do orifio do bocal de edição de (. Massa específica do abiente ( ρ ρ (7,15 + T ab (15 ρ T ab Massa específica do abiente (k/ ; ressão Boétrica (ka; Constante do abiente (kj/kk; Teperatura abiente ( C. Constante do abiente ( + w _s vapor 1+ w (16 _s vapor Constante do abiente (kj/kk; Constante do seco - 0,87 kj/kk; Constante do seco - 0,4615 kj/kk; w azão de uidade (-. azão de uidade ( w

7 5 0,6 Ur sat w ( U r sat (17 w azão de uidade (-; U r sat Uidade relativa (-; ressão de saturação do vapor de áua (ka; ressão Boétrica (ka. a deterin a pressão do vapor d áua e condições de saturação, utilizaos a seuinte equação (Jones, 198: sat (8, , lotab + 0, Tab 14,1/ Tab (18 T sat ab ressão de saturação do vapor de áua (ka; Teperatura abiente ( C. Velocidade no bocal de edição de (/s (Fox, 1985: Cd V bocal (19 ρ V bocal Cd Velocidade no bocal de edição de (/s; Coeficiente de desca do bocal de (-; ressão diferencial no tabor de (a; ρ Massa especifica do abiente (k/. Coeficiente de desca do bocal ( Cd (Bean, 1971: Cd 6 Cd (0 6 0,9775 0,00065 (10 / e a Coeficiente de desca do bocal de (-; a 1/ e < 10 e Núero de eynolds na anta do bocal de edição de (-.

8 5 Nuero de eynolds na anta de edição do bocal de ( e e 4 _ t (Bean, 1971 (1 µ d π e Núero de eynolds na anta do bocal de edição de (-; µ _ t Vazão de teórico (k/h; Viscocidade dinâica do (N.s/ ; d iâetro do orificio do bocal de edição de (. Vazão ássica teórica de ( _ t π d Nbocal ρ _ t ( 4 _ t Vazão de teórico (k/h; d iâetro do orificio do bocal de edição de (; N ρ bocal Núero de bocais; Massa específica do abiente (k/ ; ressão diferencial no tabor de (a. a o cálculo da viscosidade, foi utilizada a correlação de Sutherland (Fox, 1985 µ b T S + T / ab ab ( µ Viscosidade dinâica do (N.s/ ; b 1/ 6 Constante de correlação pa o (k/.s.k - 1, ; S Constante de correlação pa o (K - 110,4; T ab Teperatura abiente ( C.

9 54 Vazão ássica de seco ( _ s 1 + w _ u _ s (4 _ s _ u Vazão de seco (k/h; Vazão de úido (k/h; w razão de uidade ( Vazão Mássica de Gás Natural ( 600 ρ V bocal _ Nbocal π d (5 4 V ρ Vazão de ás natural (k/h; bocal _ N d bocal Massa específica do abiente (k/ ; Velocidade no bocal de edição de ás (/s; Núero de bocais; iáetro do orifio do bocal de edição de ás (. Massa específica do ás natural ( ρ (Wylen, 1995 ρ (7,15 + T (6 ρ Massa específica do abiente (k/ ; ressão no tabor de ás (ka; Constante do ás (kj/kk - 0,471; T Teperatura do ás ( C.

10 55 Velocidade no bocal de edição do ás natural ( V bocal _ Cd V bocal _ (7 ρ V bocal _ Cd Velocidade no bocal de edição de ás (/s; Coeficiente de desca do bocal de ás (-; ressão diferencial no tabor de ás (a; ρ Massa especifica do ás (k/. Coeficiente de desca do bocal de ás ( Cd (Bean, 1971 Cd (8 6 0,9975 0,0065 (10 / e a Cd Coeficiente de desca do bocal de ás (-; a 1/ e < 10 6 e Núero de eynolds na anta do bocal de edição de ás (-. Núero de eynolds na anta do bocal de edição de ás ( e e 4 _ t (Fox, 1985 (9 µ d π e Núero de eynolds na anta do bocal de edição de ás (-; d _ t µ Vazão de ás teórico (K/h; Viscocidade dinâica do ás (N.s/ ; iâetro do orificio do bocal de edição de ás (. Vazão ássica teórica de ás ( _ t

11 56 π d Nbocal ρ _ t (0 4 _ t Vazão de ás teórico (k/h; d iâetro do orificio do bocal de edição de ás (; N bocal ρ Núero de bocais; Massa específica do ás (k/ ; ressão diferencial no tabor de ás (a. a o cálculo da viscosidade ás natural, foi utilizada a correlação de Sutherland, dito anteriorente. ortanto, eso que o ás utilizado nos testes tenha ua porcentae de 90% de coposição de etano, assuios ua viação da viscosidade do ás natural siil ao do etano. (Fox, b T µ S + T / (1 µ Viscosidade dinâica do ás (N.s/ ; b 6 1/ Constante de correlação pa o ás - 1, k/.s.k ; S Constante de correlação pa o ás - 44,5 K; T Teperatura do ás ( C Consuo Específico de Cobustível (cec A seuinte equação é escrita a ptir da razão entre a vazão de cobustível e a potência disponível no eixo do otor (Taylor, 1985 cec ( / kwh (

12 57 cec 0,745( / cvh ( a fazer uso de fora direta da correlação anterior, no odo iesel-ás, usa-se o conceito de vazão ássica equivalente de diesel, e a vazão corriida, pela razão entre os poderes caloríficos inferiores do diesel pelo do ás. Te-se no nuerador u tero de eneria equivalente, caso o otor consuisse soente óleo diesel. pci + pci cecdual ( / kwh (4 pci + pci cecdual 0,745( / kwh (5 cec cec dual Consuo especifico de diesel; Consuo especifico de ás; Vazão de diesel (/h; Vazão de ás (/h; ôtencia ao eixo (KW; pci oder calorífico inferior do ás kj/k; pci oder calorífico inferior do diesel kj/k endiento Térico ( η t iesel (Taylor, 1985 η 1 t_ pci cec pci (6 iesel-gás

13 58 Tendo e conta o conceito de vazão equivalente de diesel, podeos obter a seuinte equação: η t _ dual pci pci + pci + pci pci (7 η η t_ t _ dual endiento térico no odo diesel (%; endiento térico no odo diesel-ás (%; ôtencia ao eixo (kw; pci Vazão de diesel (/s; Vazão de ás (/s oder calorífico inferior do ás kj/k; pci oder calorífico inferior do diesel kj/k; Eficiência Voluétrica ( η V A razão entre a vazão ássica de verificada é aquela e que, supondo u otor quatro tepos, onde seus cilindros fora copletaente preenchidos de a pressão atosférica, teos que: η V ρ Vn d (8 a u otor operando no odo iesel-ás, deve-se lev e consideração a assa de ás que flui pa os cilindros. η V _ dual ( + ρ Vn d (9

14 59 ηv Eficiencia voluétrica no odo diesel (%; ηv _ dual Eficiencia voluétrica no odo diesel-ás (%; Vazão de (k/s; Vazão de ás (k/s; Massa específica do abiente (k/ ; ρ ρ Massa específica da istura -ás (k/ ; V d Cilindrada total do otor ( ; n Velocidade anul édia (rps. Constante da istura ( + + (40 ensidade da istura ( ρ ρ A (7,15 + T A (41 Constante da istura -ás (kj/kk; Constante do abiente - 0,87 kj/kk; Constante do ás - 0,471 kj/kk; Vazão de (k/s; Vazão de ás (k/s; ρ Massa específica da istura -ás (k/ ; A A ressão absoluta no coletor de adissão (ka; T Teperatura no coletor de adissão ( C.

15 azão Ar-Cobustível (AC A razão entre as vazões de seco e cobustível fornecidas ao otor, indica o quão rica ou pobre é a istura do cobustível. iesel e ás natural AC _ s (4 AC _ s (4 AC AC _ s azão / diesel (k/k; azão ás / diesel (k/k; Vazão de seco (k/h; Vazão de diesel (k/h; Vazão de ás (k/h azão de Equivalência Total ( E T É a relação estequioétrica entre a razão -cobustível e a razão /cobustível real e ua deterinada condição do otor. E T AC ( AC + AC ( AC e e AC AC (44 E T 14, ,99 _ s (45

16 61 E AC AC T azão de equivalencia total (k/k; azão / ás (k/k; azão / diesel (k/k; ( AC azão / ás estequioétrica 16,99 (k/k; _ s e ( AC azão / diesel estequioétrica 14,99 (k/k; e Vazão de diesel (k/h; Vazão de diesel (k/h; Vazão de seco (k/h Taxa de Substituição (TS É a quantidade ássica de diesel que foi substituído pelo ás natural TS _ (46 TS Taxa de substituição (%; _ Vazão de diesel no odo diesel - ás (k/h; Vazão de diesel (k/h Eissões Específicas A deterinação das eissões específicas foi realizada de acordo co as noras da Associação Brasileira de Nora Técnicas (NB Esta nora contepla e seu escopo a operação e odo iesel e não e odo bicobustível, e foi a que elhor se adaptou às necessidades, alé de ter sido utilizada e pesquisas anteriores de eissões (Eúsquiza, 006. Fora edidos os níveis de NO x, NO, HC e O e concentrações de ptes por ilhão (M. As edidas das eissões específicas [/kwh] são definidas coo a vazão ássica do poluente por unidade de potência líquida (Heywood, 1988.

17 6 CO CO ( CO s ( NO s ( NOx s HC ( HC s s NO NOx ( CO eissão específica de CO (/kwh; s ( NO eissão específica de NO (/kwh; ( NO eissão específica de NO (/kwh; x s x ( HC eissão específica de HC (/kwh; s vazão ássica de CO (/h; (47 NO NOx HC vazão ássica de NO (/h; vazão ássica de NO (/h; vazão ássica de HC(/h; otência ao eixo (KW. x Vazão ássica do ás de escape (k/h O cálculo da vazão de ases de escape pode ser deterinado a ptir da edição indireta, obtida pelas edições ássicas de de adissão e do cobustível. + (48 esc _ u _ u c Onde esc _ u _ u c vazão dos ases de escape e base úida (k/h; vazão do úido (k/h; vazão de cobustível (k/h.

18 6 O Texto (Fiura 1 utilizado ede as concentrações de eissões e base seca (se presença de uidade. Se faz necessário aplic as seuintes correlações pa a transforação e base úida: CO CO F C_ u C_ s 1 NO NO F xc _ u xc _ s 1 NO NO F C_ u C_ s 1 HC HC F C_ u C_ s 1 (49 CO concentração de CO e base úida (pp; C_ u NO concentração de NO NO HC CO NO NO HC 1 xc _ u x C_ u C_ u C_ s concentração de NO e base úida (pp; e base úida (pp; concentração de HC e base úida (pp; concentração de CO concentração de NO xc _ s x concentração de NO C_ s C_ s e base seca (pp; e base seca (pp; e base seca (pp; concentração de HC e base seca (pp; F fator de conversão de base seca pa úida (-. Fator de conversão de base seca pa base úida (- Modo iesel. c F1 1 1,85 _ s (50 1,85 relação atóica hidroênio/cbono do iesel (-. F fator de conversão de base seca pa úida (-; 1 c vazão de conbustível (k/h; _ s vazão e seco (k/h.

19 64 Modo iesel-ás. + F1 1 (relação H/C do cobustível _ s (51 Onde, confore a análise do ás natural fornecido pela CEG: (C 1,089 H 4,1568, se tê ua relação atôica hidroênio/cbono,8, e por este otivo, a elhor representação seria utilizando ua édia ponderada e função dos consuos dos cobustíveis F1 1 1,85,8 _ s _ s (5 vazão de diesel (k/h; _ s vazão de seco (k/h; vazão de ás (k/h; F 1 fator de conversão de base seca pa úida (-; 1,85 relação atóica hidroênio/cbono do iesel (-;,8 relação atóica hidroênio/cbono do ás (-. Vazão ássica das eissões (/h (NB As vazões ássicas das eissões são obtidas através da vazão do ás de escape. 0, CO CO C _ u esc _ u 0, NO NOx xc _ u esc _ u 0, NO NO C _ u esc _ u 0, HC HC C _ u esc _ u (5

20 65 CO NOx vazão ássica do CO (/h; NO HC C_ u vazão ássica do NO (/h; vazão ássica do NO (/h; vazão ássica do HC(/h; CO concentração de CO e base úida (pp; NO concentração de NO NO HC xc _ u x C_ u C_ u esc _ u concentração de NO x e base úida (pp; e base úida (pp; concentração de HC e base úida (pp; vazão dos ases de escape e base úida (/h.