Motores Térmicos. 9º Semestre 5º ano
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- João Pedro Cunha Madureira
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1 Motores Térmicos 9º Semestre 5º ano
2 22 Motores Alternativos - Tópicos Introdução Óleos Vegetais In Natura Biodiesel Etanol C 2 H 6 O Metanol CH 4 O Propano Gás Natural Comprimido (CNG) Veículos eléctricos Tecnologia de células de combustível Eficiência das Instalações Veículos híbridos Políticas a Implementar na Área 2 Prof. Jorge Nhambiu
3 22.1 Introdução Porque o recurso a combustíveis alternativos? Avanço da economia mundial; Crescimento da demanda; Preços altos dos produtos energéticos; Capacidade de refino no limite; Forte dependência em energéticos não-renováveis; Condições climáticas em alteração; Instabilidade geopolítica e conflitos bélicos em importantes países supridores de energia, o que faz o aumento do preço dos produtos energéticos a níveis insustentáveis. 3 Prof. Jorge Nhambiu
4 22.2 Óleos Vegetais In Natura Vantagens: Fonte abundante e diversificada; Processamento já dominado; Não contém enxofre na composição, minimizando emissão de, SO 2. Desvantagens: Alta viscosidade, dificultando alimentação no motor; Liberta resíduos no motor, prejudicando a sua vida útil; Pode liberar componentes tóxicos, se a combustão não for completa. 4 Prof. Jorge Nhambiu
5 22.2.1Consequência dos Uso dos óleos in natura nos Motores Diesel 5 Prof. Jorge Nhambiu
6 22.3 Biodiesel Biodiesel é a denominação genérica para os ésteres de ácidos graxos resultantes da reacção entre um TRIGLICERÍDEO e um ÁLCOOL. A esta reacção química dá-se o nome de e TRANSESTERIFICAÇÃO, ou seja, a transformação de um éter em outro Os triglicerídeos são os principais componentes dos óleos vegetais e das e gorduras animais. O álcool pode ser o metanol ou etanol. Do ponto de vista de uso como combustível, a principal diferença entre o biodiesel e um óleo vegetal é a sua menor viscosidade, facilitando a alimentação do motor e gerando menor quantidade de resíduos que danificam o motor. 6 Prof. Jorge Nhambiu
7 Vantagens do Biodiesel Fonte abundante e diversificada (a mesma dos óleos in natura). Ambientalmente benéfico. Não é tóxico. É Biodegradável. Menos poluente. Não contém enxofre na composição. Reduz o aquecimento global (ciclo fechado de carbono). O Poder calorífico, cetanagem e viscosidade similares aos do Gasóleo mineral. Pode ser usado no motor diesel sem qualquer alteração. Pode ser misturado ao gasóleo mineral em qualquer proporção (B2, B5, B20). Permite valorizar os sub-produtos de actividades agro-industriais, com a fixação do homem no campo. Culturas regionais. Adapta-se à cultura vegetal dominante na região. 7 Prof. Jorge Nhambiu
8 Misturas Gasóleo e Biodiesel B2 B10 Biodiesel Gasóleo B20 B Prof. Jorge Nhambiu
9 Variação Percentual das Emissões Benefícios Ambientais do Biodiesel Impacto Médio das Emissões de Biodiesel 20% 10% 0% 0% -10% 20% 40% 60% 80% 100% -20% -30% -40% NOx PM CO HC -50% -60% -70% -80% Percentagem de Biodiesel 9 Prof. Jorge Nhambiu
10 Matérias Primas para a Produção de Biodiesel 10 Prof. Jorge Nhambiu
11 Rendimento das candidatas Material oleaginoso Conteúdo de óleo (%) Coco Babaçu Gergelim Polpa de palma (dendê) Caroço de palma (palmiste) Amendoim Colza Girassol Jatropha Açafrão Oliva Algodão Soja Prof. Jorge Nhambiu
12 Algumas Matérias Primas Mamona Copra - coco Jatropha Palma 12 Prof. Jorge Nhambiu
13 Os produtos da transesterificação Fase rica em estéreis etílicos Fase rica em glicerina impurezas e excesso de etanol 13 Prof. Jorge Nhambiu
14 Tratamento dos Produtos da transesterificação Lavagem do Biodiesel Purificação da glicerina formada 14 Prof. Jorge Nhambiu
15 22.4 Etanol C 2 H 6 O Produzido da destilação de grão ou outra biomassa Índice de octano 111 Sendo uma combinação que tem oxigénio, pode produzir mais poder calorífico que gasolina quando usado na mesma máquina Consegue-se ligeiramente menos Potência/litro que com gasolina o que significa que a quilometragem percorrida com este combustível será ligeiramente mais reduzida que com gasolina se nenhuma modificação interna no motor for feita 6, 20 kw h /litro vs Gasolina 8,43 kw h / litro O preço médio nos EUA é de (E85 $1.54 regular-$1.66) 15 Prof. Jorge Nhambiu
16 22.5 Metanol CH 4 O Mais simples que o álcool Destilado de carvão ou gás natural Índice de octano 113 Altamente corrosivo 4,33 kw h/litro 16 Prof. Jorge Nhambiu
17 22.6 Propano Evapora a uma baixa temperatura Baixas emissões 6.5 kw h/ litro Índice de octano Prof. Jorge Nhambiu
18 22.7 Gás Natural Comprimido (CNG) Índice de octano 130 Tem que ser armazenado em tanques de alta pressão ( bar) 2,942 kw h / litro 18 Prof. Jorge Nhambiu
19 22.8 Veículos eléctricos 19 Prof. Jorge Nhambiu
20 22.8 Veículos eléctricos 20 Prof. Jorge Nhambiu
21 Baterias Baterias são actualmente o vínculo fraco em veículos eléctricos Pacote de bateria pesa mais de 500 kg Bateria de chumbo e ácido Preço $2,000 Os ciclos de carga completa é de 200 Dão para percorrer aproximadamente 80 km O tempo de recarga das baterias, em horas, é de 10 horas Baterias híbridas de molibdénio e níquel (NiMH) O preço ronda os $20,000 Permitem milhares de ciclos de carga Dobro do alcance das baterias de chumbo baterias ácidas 21 Prof. Jorge Nhambiu
22 Recarga das baterias 22 Prof. Jorge Nhambiu Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu 22
23 Recarga das baterias Carga por indução 23 Prof. Jorge Nhambiu
24 Travagem Regenerativa Muitos veículos eléctricos usam o freio regenerativo Quando os freios são aplicados o motor eléctrico converte-se de uma fonte de energia à um gerador Os motores produzindo energia eléctrica ajudam a reduzir a velocidade o veículo A electricidade produzida pelo motor quando o automóvel está travando é usada para carregar as baterias 24 Prof. Jorge Nhambiu
25 22.9 Tecnologia de células de combustível Células de combustível produzem electricidade por uma reacção química entre hidrogénio e oxigénio Os subprodutos são água e calor 25 Prof. Jorge Nhambiu
26 22.9 Tecnologia de células de combustível 15 to 35% 30 to +50% As células de combustível atingem rendimentos de conversão que ultrapassam os 50 %
27 22.9 Tecnologia de células de combustível Célula de combustível de um autocarro de passageiros, MAN
28 Problemas com o Hidrogénio O hidrogénio não é muito denso (não comprimido é aproximadamente 1/3000 menos denso que a gasolina) Se comprimido requer tanques muito pesados e muito baixa temperatura de armazenamento A produção de hidrogénio requer o uso de electricidade que normalmente é criada queimando carvão (um combustível fóssil) 28 Prof. Jorge Nhambiu
29 Reformadores de hidrogénio Os reformadores de combustível são usados para superar os problemas associados ao armazenamento de hidrogénio O hidrogénio de um combustível líquido ou gasoso armazenado no veículo é quimicamente extraído e por meio de um reformador de combustível O metanol e CNG são comummente usados em reformadores de combustível 29 Prof. Jorge Nhambiu
30 Reformador de hidrogénio Uma mistura de metanol e vapor de água é passada por uma câmara de combustão contendo um catalizador. Mal que o metanol (CH 3 OH) aquece o catalizador este transformase em monóxido de carbono e hidrogénio (CO + H 2 + H 2 ) O vapor de agua transforma-se em hidrogénio e oxigénio (H 2 +O) O oxigénio combina com o monóxido de carbono para criar dióxido de carbono (CO 2 ) O resultado final (CH 3 OH + H 2 O) = (CO 2 + H 2 + H 2 + H 2 ) 30 Prof. Jorge Nhambiu
31 Desvantagens das Células de Combustível Custo: 400 /kw (7 x preço de um motor convencional) Célula completa: ,00 (motor 3 000,00) Fiabilidade Resposta a regimes transientes Problemas com baixas temperaturas (abaixo de 0 ºC) Contaminação com H 2 Adaptação ao veículo Necessidade de Hidrogénio (produção, transporte e armazenamento)!!
32 22.10 Eficiência das Instalações Motores de combustão Eficiência térmica 33% Rendimento mecânico 85% 0.33 x.85 = 28% rendimento total Células de combustível eléctricas Eficiência das células de combustível (s/reformador) 80% Eficiência das células de combustível (c/reformador) 40% Eficiência do motor eléctrico/inversor 80% Eficiência total sem reformador 0.80 x 0.80 = 64% Eficiência total com reformador 0.40 x 0.80 = 32 % 32 Prof. Jorge Nhambiu
33 Eficiência da instalação a electricidade Bateria electricidade Eficiência da central térmica - 40% Eficiência do carregamento 90% Eficiência do Inversor/motor 72% 0.40 x 0.90 x0.72 = 26% eficiência total 33 Prof. Jorge Nhambiu
34 22.11 Veículos híbridos Um veículo híbrido usa duas ou mais fontes de potência para se locomover Diesel locomotiva eléctrica Nuclear submarino eléctrico Gasolina carro eléctrico 34 Prof. Jorge Nhambiu
35 Tipos de Veículos a Gás natural Um veículo bi-fuel pode operar alternadamente a GN ou a gasolina. Muitos são concebidos para comutar automaticamente para a gasolina quando o reservatório de gás se esgota. As viaturas ligeiras geralmente são bi-fuel. A autonomia em quilómetros com GN e com gasolina depende das capacidades dos reservatórios respectivos. Um veículo dual-fuel funciona tanto exclusivamente com diesel como com diesel e gás natural simultaneamente. Num veículo dual-fuel, a combustão do carburante diesel serve para fazer a ignição do GN. Um VGN dedicado funciona exclusivamente a GN. Os VGNs podem ser veículos alimentados a gasolina (ciclo Otto) convertidos para GN. A maior parte dos dedicados, entretanto, é produzida por fabricantes de equipamento original. 35 Prof. Jorge Nhambiu
36 Kits de Conversão Kit de conversão 1ª geração 2ª geração 3ª geração 4ª geração 5ª geração 36 Veículos Características Valor (US$) Carburados (mecânico e electrónico) Carburados ou com injecção electrónica Injecção electrónica multiponto Accionamento pneumático para a liberação do fluxo de gás; Regulação mecânica e manual da vazão do gás, com chave comutadora de três estágios. Alimentação do gás através de um misturador; Possuem emuladores de bicos injectores e de sonda lambda. Controle electrónico da vazão da mistura GNV+ar em função da sonda lambda, rotação e carga do motor; Accionamento electrónico da alimentação por um motor de passo. Injecção de gás por bicos injectores de forma paralela no colector de admissão; Redutor de pressão de dois estágios; Eliminação da ocorrência do retorno de chama. Injecção de gás por bicos injectores de forma sequencial no colector de admissão; Redutor de pressão de dois estágios; Eliminação da ocorrência do retorno de chama; Menor comprometimento de desempenho do motor. Prof. Jorge Nhambiu , , ,000.0
37 Kits de Conversão Válvula eléctrica de gasolina 1 Válvula de cilindro 2 Cilindro de armazenamento 3 Chave comutadora 4 Tubulação de gás de alta pressão 5 Válvula de abastecimento 6 Manómetro 7 Regulador de pressão 8 Misturador 37 Prof. Jorge Nhambiu
38 Ottolização Ottolização Transformação do Ciclo Diesel em Otto Redução da taxa de compressão; Instalação de sistema de alimentação e ignição do GNV; Eliminação do sistema de alimentação de Diesel. Kit de Conversão 38 Prof. Jorge Nhambiu
39 Ottolização Substituição da cabeça do motor; Sistema de ignição por velas; Pistões modificados; Colector de admissão modificado; Sistema de armazenamento de gás; 39 Prof. Jorge Nhambiu
40 Tecnologia Diesel - Gás Tecnologia Diesel - Gás Adaptação do Motor Original a Diesel Não é preciso instalar sistemas de ignição Kit de conversão Principio de Funcionamento Aspiração da mistura ar + Gás Natural Injecção Piloto de Diesel Escape dos Gases 40 Compressão da Mistura ar + Gás Natural Prof. Jorge Nhambiu Explosão da mistura ar + Gás Natural
41 Tecnologia Diesel - Gás Chama Piloto Admissão Compressão Combustão <Modo Gasóleo> Admissão de Gás Vantagens: Os motores DC podem operar a 100% da carga usando somente gasóleo -41- Gás: 95% Gasóleo: 5% Admissão Compressão Injecção <Modo Duplo Combustível> Prof. Jorge Nhambiu
42 Tecnologia Diesel - Gás Menor custo de operação combustível principal: Gás Natural Amigo do ambiente Redução drástica de emissões de NO x, SO x e CO 2 Operação estável sistema piloto de injecção opera com qualquer um dos combustíveis gás natural ou gasóleo Excelente fiabilidade componente principal: motor do ciclo Diesel Combustão limpa e menor custo de manutenção Utilização eficaz dos recursos existentes Prof. Jorge Nhambiu -42-
43 Tecnologia Diesel - Gás <Componentes instalados para a conversão> Tanque Gas Válvula principal Valvula reguladora de pressão S Bomba Filtro de ar Bomba injectora Ar Gás de Escape Medidor de RPM Turbocompressorr Controlador Da válvula Came Governador Injector A Válvula de admissão de gás Intercooler Ar comprimido Água Controlador principal (Combustível, Gasoso) Pistão A Ao Turbocompressor Prof. Jorge Nhambiu
44 22.12 Tipo de veículos híbridos Paralelo O motor eléctrico ou o motor térmico podem dar potência a transmissão a qualquer hora Série O motor eléctrico é a única fonte de potência conectada à transmissão O motor a gasolina é conectado a um gerador que mantém a bateria carregada e pode prover electricidade extra durante um pico 44 Prof. Jorge Nhambiu
45 Veículo a gasolina Comb(gasolina) Transmissão Unidade de Potência (MCI) 45 Prof. Jorge Nhambiu
46 Veículo eléctrico Unidade de Potência (motor/controlador) Transmissão Comb. (baterias) Freios regenerativos (energia retorna a bateria 46 Prof. Jorge Nhambiu
47 Veículo híbrido em série Gerador Comb (baterias) Unidade de Potência (motor/controlador) Transmissão Unidade de Comb. auxiliar Unidade de Potência auxiliar Freios Regenerativos 47 Prof. Jorge Nhambiu
48 Veículo híbrido paralelo Comb. (baterias) Unidade de Potência (motor/controlador) Freios regenerativos Transmissão Unidade de Comb. auxiliar Unidade de Potência auxiliar 48 Prof. Jorge Nhambiu
49 Veículo híbrido combinado Comb (baterias) Unidade de Potência (motor/controlador/gerador) Unid Comb. Auxiliar Unidade de Potência auxiliar Gerador 49 Prof. Jorge Nhambiu
50 Perdas de energia em MCI 50 Prof. Jorge Nhambiu
51 Perdas de energia em veículos Híbridos 51 Prof. Jorge Nhambiu
52 22.13 Políticas a Implementar na Área Trabalhar para a transformação dos biocombustíveis em commodities energéticos; Definir os projectos prioritários e os prazos para a implementação do corredor de exportação de combustíveis alternativos; Privilegiar as parcerias com o sector privado para os investimentos necessários; Induzir os investimentos necessários para atender a crescente demanda internacional pelo produto; Reduzir os Impostos na importação de veículos híbridos e a gás natural. 52 Prof. Jorge Nhambiu
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