USO DE BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL PARA ACIONAMENTO DE MOTORES STIRLING

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1 USO DE BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL PARA ACIONAMENTO DE MOTORES STIRLING ROBLEDO WAKIN BARROS Universidade Federal de Itajubá / Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP Brasil. Tel. (35) HUrobledo@unifei.edu.brU MARIA EUGÊNIA CORIA ARADAS Universidade Federal de Itajubá / Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP Brasil. VLADMIR RAFAEL MELIAN COBAS Térmicos NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP Brasil. ELECTO EDUARDO SILVA LORA Universidade Federal de Itajubá / Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP Brasil. Resumo A busca pelo aumento da capacidade instalada de energia elétrica, aliado a necessidade de se reduzir emissões de poluentes, vem dando força às fontes alternativas de energia. Atualmente há programas no mundo inteiro de incentivos a tais fontes. No Brasil se tem o PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia. Um exemplo de fonte de energia alternativa é o uso da biomassa como combustível. Na geração de eletricidade, a biomassa pode ser utilizada diretamente, ou seja, fazendo a sua combustão direta, sendo transformada a energia térmica em energia elétrica, ou pode ser transformada em gás ou líquido, utilizando-se posteriormente tecnologias como motores de combustão interna e turbinas a gás para a geração de eletricidade a partir destes combustíveis. Poucas tecnologias permitem a geração de energia elétrica a partir da queima direta da biomassa. Dentre estas tecnologias se tem o uso de motores Stirling. Isto é possível devido ao fato de os motores Stirling serem de combustão externa, não havendo contato do gás de trabalho com os gases provenientes da combustão. Sendo assim, o que se necessita nos motores Stirling é uma fonte de calor, independendo do combustível que será utilizando, podendo inclusive se trabalhar com energia solar. Neste trabalho será apresentada tal tecnologia, detalhando os diferentes tipos de motores Stirling conforme sua configuração, além de apresentar o motor Stirling ST 05 G, que é um motor de 500W adquirido pela Universidade Federal de Itajubá. Também são apresentados os resultados de testes realizados com o mesmo motor e a instalação para se trabalhar com resíduos de madeira como combustível. Palavras-chave: biomassa, energia alternativa, geração distribuída, motor Stirling, motor de combustão externa. Abstract The search to increase the electrical generation, together with the need to decrease the pollution emission, has encouraged the alternative energy sources. Nowadays around the world there are a lot of alternative energy sources incentive programs. In Brazil have PROINFA - Alternative Energy Sources Incentive Program. An example of alternative energy sources is the use of biomass as combustible. In the electrical generation, the biomass can be used directly, having it s directly

2 combustion, and transforming the thermal energy liberated in electrical energy, or can be transformed in gas or liquid, and after use technology as internal combustion engine and gas turbine to generate electricity with these combustibles. Few technologies can be used to generate electricity burning directly to the biomass. Among these technologies, have the Stirling engine. It is possible to use this engine because the Stirling engines are external combustion engines, and it has not contact between the work gas and the flue gas. In this way, the Stirling engine needs a heat source, independent of the combustible type that will be used, including solar source. In this work will be present this technology, the different kinds of Stirling engines according to their configuration, moreover will be present the ST 05 G Stirling engine, which is a 500W engine, acquired by University Federal of Itajubá. Also are present the tests results of this engine, and the installation to work with wood waste as combustible. 1 Introdução O termo biomassa engloba a matéria vegetal gerada através da fotossíntese e os seus derivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais contem energia química provida da transformação energética da radiação solar. Essa energia química pode ser liberada diretamente por combustão, ou convertida através de algum processo em outras fontes energéticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal como o álcool e o carvão vegetal. (LORA, 2003). Certamente o primeiro combustível utilizado pela humanidade foi biomassa. Com a descoberta dos combustíveis fosseis seu uso ficou mais restrito. Com a redução constante das reservas de combustíveis fosseis, sendo estes não renováveis, aliado à grande poluição causada com a queima dos mesmos, o uso da biomassa como combustível volta a ganhar força. Os motores Stirling, também conhecidos como motor de combustão externa, apresentam a vantagem de poder operar com diversos tipos de combustíveis, uma vez que a combustão ocorre externamente ao motor. E, portanto, uma aplicação de interesse para essa tecnologia é o uso de biomassa, por exemplo, resíduos de madeira, como combustível. 2 Histórico O motor Stirling foi inventado em 1816 pelo reverendo Robert Stirling, na Escócia, e apresentou na época, a vantagem de ser um motor mais seguro comparado com os motores a vapor utilizados até então, principalmente pelo menor nível de pressão utilizado pelo motor inventado por Stirling. O motor Stirling teve um uso comum até os anos de 1920, quando os motores de combustão interna e os motores elétricos o tornaram redundante. O motor Otto foi inventado em 1877 e o motor diesel em 1893, e estes apresentavam maior potencia comparado aos motores Stirling da época. (HIRATA, 1995). Além disso, os motores Stirling requeriam uma atenção especial em sua manufatura, que tinha uma tolerância mais estreita do que a requerida pelos motores de combustão interna. A combinação de um menor custo de manufatura e uma maior potência gerada pelos motores de combustão interna levaram ao desaparecimento comercial do motor Stirling. Após a segunda Guerra Mundial, com a invenção da classe dos aços inoxidáveis, e com o aumento do conhecimento matemático que explica a operação do ciclo do motor Stirling, acarretou no desenvolvimento de um motor mais barato e mais eficiente. Quando a tecnologia do motor aumentou, a sua capacidade de usar qualquer combustível disponível passou a gerar interesse em seu principio novamente. Devido ao motor Stirling ser de combustão externa, e não requerer re-enchimento, ele é indicado para regiões isoladas, onde se necessitam geração de potência, ou seja, trabalhando como geração distribuída.

3 3 Classificação dos motores Stirling conforme a configuração Os motores Stirling são divididos em geral em três grupos, Alfa, Beta e Gama, de acordo com a configuração dos cilindros e pistões. O motor Stirling tipo Alfa apresenta basicamente dois pistões, sendo um de compressão e um de expansão, e estes são defasados de 90. Há um lado quente (espaço de expansão) e um lado frio (espaço de compressão), unidos entre si. Os dois pistões fazem o gás fluir entre ambos espaços, e os mesmos dois pistões geram potência de saída. Na configuração Alfa (Figura 3.1), o motor tem dois pistões que são conectados em serie pelo trocador de calor de aquecimento, o regenerador e o trocador de calor de resfriamento. (MELLO, 2001). Embora possua a configuração mais simples, o motor Alfa apresenta a desvantagem de ambos os pistões necessitarem de vedação por conter gás de trabalho. Esses motores podem ser construídos em configurações compactas, com múltiplos cilindros e elevadas potências de saída, necessárias nas aplicações automotivas. Figura 3.1 Motor na configuração Alfa. Os motores Stirling Beta e Gama são chamados de motores Stirling de deslocamento, sendo que o gás de trabalho é movimentado entre os espaços de alta e baixa temperatura pelo pistão de deslocamento. A compressão e expansão do gás de trabalho são feitos pelo pistão de trabalho. Na configuração Beta, os pistões de deslocamento e trabalho estão alinhados em um único cilindro. Pela sobreposição entre cada movimento de ambos os pistões, uma taxa de compressão maior do motor é obtida, e pode-se obter maior potência que o motor Stirling tipo Gama. Entretanto, as hastes do pistão de deslocamento e o de trabalho estão alinhadas, o que torna o mecanismo complicado. (HIRATA, 1995). O motor Beta apresenta a configuração clássica, patenteada em 1816 por Robert Stirling. Um esquema do motor Stirling tipo Beta é apresentado na Figura 3.2. Figura 3.2 Motor na configuração Beta

4 Já o motor Gama tem um pistão de deslocamento similar ao do motor Beta, apesar de ser montado em diferentes cilindros (Figura 3.3). Essa configuração tem o conveniente de separar a parte quente do trocador de calor, que é associada ao pistão de deslocamento, do espaço de trabalho de compressão e expansão, associado ao pistão de trabalho. (MELLO, 2001). Comparado com o motor tipo Beta, o seu mecanismo é mais simples, e ajustes na taxa de compressão e incremento da área de transferência de calor, são relativamente fáceis de se obter. (HIRATA, 1995). Apresenta, entretanto, volumes mortos maiores, além do fato de parte do processo de expansão ocorrer no espaço de compressão, causando redução na potência de saída. (MELLO, 2001). Figura 3.3 Motor na configuração Gama. 4 Princípio de funcionamento e ciclo termodinâmico O principio de funcionamento do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns. Um motor Stirling sempre contém um gás pressurizado (ar, hélio ou hidrogênio) no cilindro, que é chamado de gás de trabalho. A Potência é gerada não pela queima explosiva de combustível no cilindro, mas pelo aquecimento e resfriamento do gás de trabalho pelo lado de fora do cilindro. O espaço interno do cilindro é preenchido com gás de trabalho. A função do pistão de deslocamento é transferir o gás da câmara quente para a câmara fria e viceversa, com o objetivo de aumentar ou diminuir a temperatura do gás de trabalho. A mudança na temperatura do gás de trabalho causa uma subseqüente mudança na pressão do mesmo, que gera força para movimentar o pistão. A potência de saída do motor é entregue ao eixo. (NAKAJIMA, 1989). O principio de funcionamento do motor Stirling é baseado em um ciclo fechado, onde o gás de trabalho é mantido dentro dos cilindros e o calor é adicionado e removido do espaço de trabalho através das paredes dos cilindros. Como exemplo serão apresentadas as etapas do ciclo para um motor Stirling tipo Beta, que estão apresentadas na Figura O pistão de trabalho é movimentado para a esquerda e o gás é comprimido. O gás é resfriado pelo exterior através do circuito de água de resfriamento, com o objetivo de obter compressão a temperatura constante; 2 3 O pistão de deslocamento é movimentado para a direita, forçando o gás a passar através do canal de conexão para o volume quente, onde o gás é aquecido por um queimador. Quando o gás é aquecido, sua pressão aumenta. Porém é importante notar que o volume nesse processo é constante; 3 4 Ambos pistões movimentam-se para a direita, devido à expansão do gás. O gás é aquecido pelo exterior por um queimador com o objetivo de se obter uma expansão a temperatura constante;

5 4 1 O pistão de deslocamento é movimentado para a esquerda, forçando o gás a passar pelo canal de conexão para o volume frio, onde o gás é resfriado pela água de resfriamento. Quando o gás é resfriado, sua pressão reduz ate a pressão inicial. É importante notar que o volume neste processo é constante. Se um regenerador for colocado no canal entre os cilindros frio e quente, o calor pode ser armazenado, quando o gás flui do cilindro quente para o frio e usado para reaquecer o gás, quando este flui de volta para o volume quente. O ciclo de Stirling, tendo um regenerador ideal (eficiência de 100%), terá todo o calor fornecido ao fluido de trabalho de fontes externas no processo isotérmico 3-4 e todo o calor rejeitado para as vizinhanças no processo isotérmico 1-2. Portanto, a eficiência térmica do ciclo Stirling, neste caso será dada pela mesma expressão do ciclo de Carnot. (MORAN, 2000). 5 Motor Stirling ST 05 G Figura 4.1 Princípio de funcionamento do motor Stirling tipo Beta. O motor Stirling ST 05 G é um motor na configuração Gama, de 500 W de potência, e que funciona com ar pressurizado como fluido de trabalho. Este motor é comercializado como um conjunto de treze peças fundidas, pela empresa alemã Viebach. A fabricação das peças restantes e a sua montagem devem ser executadas pelo cliente. É fornecido, juntamente com as peças fundidas um roteiro para a montagem e fabricação das peças restantes. O grupo NEST Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos, da Universidade Federal de Itajubá, recebeu da CEMIG este conjunto de peças fundidas no inicio do ano de A empresa Smar, situada em Sertãozinho-SP, executou a montagem do motor e a fabricação das partes que não são incluídas no conjunto. As principais partes do motor que não são fornecidas são o trocador de calor de aquecimento, o regenerador, e o radiador. Para cada um destes componentes foi fornecido um roteiro de fabricação e montagem, juntamente com relatos de experiência de outras pessoas. A Figura 5.1 apresenta o conjunto de peças fundidas adquiridas. A Figura 5.2 apresenta os tubos do trocador de calor de aquecimento, o radiador do motor, que utiliza lamelas de cobre que servem como aletas, a tampa do Carter com um manômetro acoplado, e outras peças. Na Figura 5.3 o motor Stirling ST 05 G é apresentado já montado e pronto para operação.

6 Figura 5.1 Conjunto de peças fundidas do motor Stirling ST 05 G. O trocador de calor de aquecimento é formado por vinte e quatro tubos de diâmetro ø 8 mm e espessura de 1 mm. O material destes tubos é aço inoxidável. Já o radiador do motor é construído com trezentos e vinte lamelas de cobre. Cada lamela tem um comprimento de 84 mm. O regenerador do motor é do tipo malha de arame, e utiliza como material palha de aço. Figura 5.2 Peças pré-montadas do motor Stirling ST 05 G.

7 Figura 5.3 Motor Stirling ST 05 G. 6 Métodos e Resultados O motor Stirling ST 05 G foi ensaiado no laboratório de Sistemas Térmicos da mesma instituição, utilizando-se uma câmara de combustão para gás liquefeito de petróleo GLP. Uma foto da instalação utilizada para o ensaio do motor é apresentada na Figura 6.1. O ensaio teve como objetivo a determinação da potência do motor fabricado, uma vez que sua potencia de projeto está na faixa entre 350 a 500 W. Para a medição da potência do motor, foram utilizados um freio hidráulico, e um tacômetro. Além das medidas de torque e rotação, também se mediu a temperatura da parede externa do trocador de calor de aquecimento, uma vez que a potência atingida pelo motor depende da temperatura neste ponto. Também foram coletadas medidas da temperatura da água de resfriamento do motor na entrada e saída do mesmo, o consumo de combustível durante o experimento, e a composição dos gases de exaustão. Para a medição do consumo de combustível utilizou-se uma balança Filizola, e para a medição da composição dos gases de exaustão, utilizouse um analisador de gases modelo IMR 3000, da IMR Enviromental Equipment. A Tabela 6.1 apresenta um resumo de todos os dados coletados durante o ensaio juntamente com as grandezas calculadas posteriormente.

8 Figura 6.1 Bancada de testes do motor Stirling. Tabela 6.1 Resumo dos dados coletados: Testes T ( C) n (rpm) Força (kgf) Potencia (cv) Potencia (W) ,50 0, , ,52 0, , ,58 0, , ,61 0, , ,62 0, , ,58 0, , ,60 0, , ,52 0, , ,5 0, , ,6 0, , ,65 0, , ,31 0, , ,65 0, , ,68 0, , ,68 0, ,432 MÉDIA 0, ,6853 DESVIO PADRÃO 0, ,90072 Temperatura ambiente C 27,0 Umidade relativa % 55,0 Temperatura da água de resfriamento na entrada do motor C 20,1 Temperatura da água de resfriamento na saída do motor C 31,4 Consumo médio de combustível (GLP) kg/h 0,30 T Temperatura no centro do trocador de calor; Potencia (cv) = Força x n x 0,001 Pressão média do gás de trabalho = 7 bars. Os principais componentes dos gases de exaustão, e suas respectivas concentrações médias obtidas pelo analisador de gases durante o ensaio foram: O 2 4,2%, NO 238 mg, CO 26 mg e NO 2 2 mg.

9 Uma pequena caldeira da AG-Therm, que utiliza como combustível resíduo de madeira foi adquirida para ensaiar o motor Stirling ST 05 G utilizando como fonte de calor os gases provenientes da queima da madeira no interior da fornalha. A instalação do motor Stirling ST 05 G acoplado a esta caldeira está pronta e é apresentada na Figura 6.2. Alguns trabalhos utilizando-se motores Stirling em operação com biomassa são encontrados na literatura. Um trabalho que se destaca é o apresentado por Podesser (PODESSER, 1999). O objetivo de seu trabalho é o projeto, construção e operação de um motor Stirling que usa o calor proveniente da queima de biomassa em um forno. Segundo Podesser, o maior problema encontrado quando se trabalha com a queima direta da biomassa é a fuligem contida nos gases quentes. Para se evitar uma danificação precoce do motor, o trocador de calor deve ser feito com tubos especiais, mais resistentes. O motor projetado por Podesser usa como fluido de trabalho ar ou nitrogênio, tem uma potência de eixo máxima de 3kW, pressão do gás de trabalho de 33 bar, rotação de 600 rpm, e coeficiente de performance (potência de eixo/calor de entrada) de 25%. Figura 6.2 Instalação do motor Stirling ST 05 G em uma pequena caldeira a biomassa. 7 Conclusões Com o ensaio realizado com o motor Stirling ST 05 G pôde-se observar que os resultados de potência mecânica obtidos estiveram dentro da faixa de potência de projeto do motor, de 350 a 500W, e também se pôde notar que a potência máxima obtida pelo motor, aproximadamente 470W, esteve muito próxima dos 500W de projeto. Com um valor médio de consumo de combustível (GLP) durante o ensaio de 0,30 kg/h, e com uma média das medidas de potência do motor de 375,68W durante o mesmo pôde-se obter um rendimento médio do motor de aproximadamente 10%. Apesar de ser um valor baixo, uma vez que para o motor ST 05 G é esperado uma eficiência acima de 20%, quando comparado a outras tecnologias com a mesma capacidade de geração este valor se apresenta bastante satisfatório. Segundo Hsu e colaboradores, o motor Stirling pode operar em instalações de baixa potência com uma eficiência satisfatória. (HSU, 2002). Já a grande maioria dos sistemas térmicos de conversão de energia se apresentam muito ineficientes em instalações de pequena capacidade.

10 É importante salientar a possibilidade do uso de diversas fontes de calor para operação de motores Stirling. Dentre estas fontes de calor, atualmente vem se destacando em pesquisas, por serem fontes renováveis de energia: o uso da energia solar e o uso de diversos tipos de biomassa como combustíveis. Como trabalho futuro, e como uma continuidade dos trabalhos que vem sendo feitos com o motor Stirling ST 05 G, há o seu ensaio acoplado à caldeira a biomassa. Com isso se pretende avaliar a possibilidade de operação de tal tecnologia em regiões isoladas, onde não se têm recursos energéticos fósseis disponíveis, e que se tenha biomassa residual. Referencias Bibliográficas Hirata, K. Stirling Engine home page (HUhttp:// Hsu, S.T., Lin, F.Y., Chiou, J.S. Heat-transfer aspects of Stirling power generation using incinerator waste energy. Renewable Energy, 28, pp , 2003; Lora, E. E. S., Nogueira, L. A. H. Dendroenergia Fundamentos e Aplicações. Interciência, Rio de Janeiro, 2ª ed, 2003; Mello, M. G. Biomassa Energia dos Trópicos em Minas Gerais. LabMídia/FAFICH, Belo Horizonte, 2001; Moran, M. J., Shapiro, H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons 4 th ed., 2000; Nakajima, N., Ogawa, K., Fujimassa, I. Study on microengines: miniaturizing Stirling engines for actuators. Sensors and Actuators, 20, pp , 1989; Podesser, E. Electricity production in rural villages with a biomass Stirling engine. Renewable Energy, 16, pp , 1999.