UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO DISPOSITIVO ECOTURB/GLP SOBRE O PODER CALORÍFICO DO GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO por Luiz Alberto Rovaris Eduardo Gerhardt Thiago Gonçalves Fernandes Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, novembro de 2008.
ii RESUMO Este trabalho avalia a influência do dispositivo ECOTURB/GLP composto por multicristais de Turmalina negra injetado em polipropileno, fabricado e comercializado pelo grupo Valmeron Tecnologia e Saúde Plena, sobre a eficiência do gás combustível liquefeito de petróleo (GLP). O fabricante declara que o mesmo aumenta a eficiência energética do gás e conseqüentemente reduz seu consumo de 25% a 30%. A avaliação é feita com o uso de um calorímetro para combustíveis gasosos do tipo Junkers. O calorímetro permite a medição da energia do combustível, denominada poder calorífico. Nesse trabalho utiliza-se o poder calorífico inferior do gás analisado, sendo essa uma característica muito importante de um combustível, que indica a quantidade de energia liberada por unidade de massa consumida em uma combustão. O procedimento compara o poder calorífico inferior em duas situações distintas, uma com o dispositivo instalado e outra sem o dispositivo. Os testes foram efetuados nas instalações do laboratório LETA do GESTE-UFRGS. Ao final dos ensaios concluiu-se que o dispositivo não tem qualquer influência sobre o poder calorífico do gás.
iii ABSTRACT ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ECOTURB/GLP DEVICE OVER THE HEAT VALUE OF LP-GAS FUEL This study evaluates the influence of the device ECOTURB / LPG composed of crystals of black Tourmaline injected into polypropylene, manufactured and marketed by the group Valmeron Technology and Health Full on the fuel efficiency of liquefied petroleum gas (LPG). The manufacturer says that it increases the energy efficiency of gas and consequently reduces their consumption by 25% to 30%. The evaluation is done using a calorimeter for gaseous fuels the kind Junkers. The measure allows calorimeter energy of fuel, calorific value denominated in that work using the low calorific gas analysis, which is a very important characteristic of a fuel which indicates the amount of energy released per unit weight consumed in combustion. The procedure compares the lower calorific value in two different situations, one with the device installed, and another without the device. The tests were done on the premises of the laboratory LETA of the GESTE-UFRGS. At the end of the tests concluded that the device has no influence on the calorific value of gas.
iv SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 1 página 2 PODER CALORÍFICO 1 2.1 Formas de determinar o poder calorífico 2 2.2 Calorímetro 3 3 PROCEDIMENTO DE TESTE 5 4 VALIDAÇÃO 7 5 INCERTEZA DE MEDIÇÃO 8 5.1 Incerteza de medição para vazões 8 5.2 Incerteza de medição para temperaturas 8 5.3 Incerteza propagada 9 6 RESULTADOS 9 6.1 Experimento 1 10 6.2 Experimento 2 11 7 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES 12 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 13 9 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 13
1 1 - INTRODUÇÃO A eficiência de uma fonte energética é uma característica que desperta grande interesse. Ela é expressa por toda a energia que uma unidade de combustível é capaz de entregar a um sistema, sendo denominada o poder calorífico do combustível. Além da relação custo benefício, soma-se a crescente conscientização quanto ao uso racional dos recursos energéticos. Neste contexto, desenvolvem-se diversos combustíveis e dispositivos com a promessa de um aumento no desempenho energético comburente. Este é o caso de um dispositivo disponibilizado no mercado, denominado ECOTURB/GLP. De acordo com as informações disponibilizadas por seu fabricante, existe a promessa de um aumento na eficiência energética da queima de gás GLP, com alcance de 25 a 30% de economia em volume de gás. Ainda conforme o fabricante, o dispositivo é composto por cristais de turmalina negra, injetados em polipropileno, que seriam os responsáveis pela ação sobre o gás. Neste trabalho será verificada a influência do dispositivo ECOTURB sobre o poder calorífico do gás GLP. Para o mensuramento do poder calorífico, utilizou-se um calorímetro para gás do tipo Junkers. 2 - PODER CALORÍFICO: Durante um processo de combustão a energia química de um combustível é transformada em energia molecular cinética ou potencial de seus produtos. Relacionada à energia da combustão está a quantidade de calor que pode se obter da combustão completa. Esta quantidade de calor é o seu poder calorífico, que é a característica que mais desperta a atenção em um gás combustível. No processo de resfriamento dos produtos da combustão, a condensação do vapor de água gerado na combustão libera certa quantidade de calor, o seu calor latente. Assim, o poder calorífico de um combustível varia entre um valor mínimo, quando não há condensação, e um máximo quando é completa. [MORAN e SHAPIRO, 2006] O poder calorífico de um combustível é então a quantidade de calor produzida, ou gerada, pela combustão completa de uma unidade de combustível, podendo ser uma unidade de massa (kg) ou unidade de volume (m³). No caso do uso de unidade de volume, deve-se fazer referência as condições de temperatura e pressão.
2 2006]: A respeito do poder calorífico, ainda faz-se a seguinte distinção [MORAN e SHAPIRO, Poder calorífico superior: que é a quantidade de calor gerado pela combustão completa de uma unidade de volume ou massa do combustível, considerando condições de referência para temperatura e pressão, havendo condensação de vapor de água. Ou seja, inclui o calor latente de vaporização. Poder calorífico inferior: que é o calor gerado, nas mesmas condições que o poder calorífico superior, mas com a água formada na reação de combustão ainda em estado gasoso. Ou seja, não inclui o calor latente de vaporização. 2.1 - Formas de determinar o poder calorífico: O poder calorífico de um combustível pode ser determinado de várias formas. Teoricamente, por meio da entalpia de formação ( h ), que define-se como a quantidade de energia necessária para formar um composto, a partir de seus elementos constitutivos. Considera-se que a formação ocorre a 25 C e 1 atm. [MORAN e SHAPIRO, 2006] Empiricamente, através de expressões que consideram a composição do combustível. Uma expressão muito conhecida é a fórmula de Dulong, que permite determinar a potência calorífica de um combustível baseada nas proporções em peso de carbono total, hidrogênio útil e enxofre, que nos dá um valor aproximado do poder calorífico com grande concordância com os valores obtidos em um calorímetro. [LEE e SHUN, 2000] Experimentalmente, por meio de calorímetros para combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. O calorímetro é um instrumento que permite trocas térmicas, a serem determinadas pela medição direta da temperatura. Sendo assim necessária a correlação entre a troca térmica e a quantidade mensurada no calorímetro. É esta relação que determina o modelamento matemático do calorímetro. A construção do calorímetro é que determina este modelamento. O combustível é queimado dentro do calorímetro de forma a transferir o calor para o fluido de resfriamento (geralmente água), e pela mudança de propriedades do fluido de resfriamento medidas no calorímetro correlaciona-se à troca térmica. [BRISLEE, 1912] o f
3 2.2 - Calorímetro: Para combustíveis gasosos, um calorímetro usado é o calorímetro Junkers (Figura 1). O calorímetro do tipo Junkers consiste de um vaso tubular vertical. O gás é queimado em um bico de Bunsen e os produtos de combustão passam através do tubo e descem pelo espaço anular, saindo para o ambiente. [BRISLEE, 1912] Legenda: 1 entrada de água 2 câmara de combustão 3 circulação de água 4 bico de Bunsen 5 saída dos gases de combustão 6 saída de água A tomada de temperatura de entrada da água B tomada de temperatura de saída da água C tomada de temperatura de entrada dos gases Figura 1 Calorímetro (Fonte: DA SILVA et al., 2008) Mantém-se uma circulação de água pela camisa a qual circunda a câmara de combustão do calorímetro. A água é fornecida a uma vazão constante. A quantidade de água fluindo pelo calorímetro regularmente, tem sua temperatura medida por um termômetro, tanto na entrada como na saída. A água escoa através do aparelho passando por defletores que executam a mistura da água fazendo com que a temperatura medida seja a medida correta da temperatura da água. Tendo-se certeza que não há vazamento de água, e que a água flui regularmente, pode-se acionar o bico de Bunsen, e regular sua queima de gás. Na saída dos gases uma válvula borboleta permite a regulação do excesso de ar usado no experimento, a qual é geralmente usada totalmente aberta ou pela metade, já que uma exata regulação é raramente necessária. Após a introdução do queimador o escoamento de água atinge uma temperatura constante. Deve-se
4 regular a diferença de temperatura do escoamento entre 10 e 20 C preferencialmente. Medem-se os valores de vazão de água e de vazão de gás, durante o processo, e os valores de temperatura da água. Qualquer água formada durante a combustão do gás condensa no calorímetro e escoa pelo canal de condensação, podendo ser assim coletada. O volume de condensado é necessário quando se requer o conhecimento do poder calorífico superior. Assim, o poder calorífico do gás pode ser calculado. Figura 2 Balanço energético (Fonte: DA SILVA et al., 2008) Pelo balanço de energia (Figura 2) tem-se que a energia que entra é igual à energia que sai no calorímetro, e colocando em termos de potência obtemos a equação (2). E e = Es (1) PCI = g a c pa T (2) então, PCI = a c pa g T (3) onde, PCI é o poder calorífico inferior em [kj/kg], a é a vazão de água em [kg/s], g a vazão de gás em [kg/s], c pa é o calor específico da água (que é 4,178 kj/kgk), T a variação de temperatura da água de resfriamento entre a entrada e a saída de água em [ C].
5 A Equação (1) é o balanço térmico no calorímetro, evidenciado na equação (2) onde a energia que entra (Ee) é proveniente do combustível e a energia que sai (Es) é o calor transferido para a água de resfriamento. A equação (3) é o poder calorífico inferior do gás já que não considera a energia transferida pela condensação. O poder calorífico superior pode ser calculado coletando-se a água condensada no calorímetro. Para este caso o balanço (1) fica definido em potência pela equação (4). PCS = c T + g a pa h c fg (4) então, PCS = c T + a pa g h c fg (5) onde, PCS é o poder calorífico superior em [kj/kg], é o calor latente de vaporização da água em [kj/kg]. c é a vazão de condensado em [kg/s], h fg 3 PROCEDIMENTO DE TESTE Neste trabalho fez-se uso de um calorímetro tipo Junkers, com água como fluido de resfriamento, e gás GLP como combustível. Os equipamentos utilizados foram: - Calorímetro tipo Junkers - Termômetro de mercúrio em vidro (escala -10 a 60 C, resolução 1 C) - Termômetro de mercúrio em vidro (escala -38 a 42 C, resolução 0,2 C) - Termômetro de mercúrio em vidro (escala -1 a 50 C, resolução 0,1 C) - Bico de Bunsen - Recipiente aferido de 1 litro - Relógio/Cronômetro - Medidor fluxo de gás - Mangueiras
6 O procedimento geral adotado foi: 1 montar bancada 2 Verificar presença de ar na coluna de mercúrio dos termômetros e eliminá-la. 3 Circular água pelo calorímetro 4 Abrir o gás e acender o bico de Bunsen 5 Regular a chama do queimador para uma queima estequiométrica 6 Introduzir o queimador no calorímetro 7 Regular o fluxo de água para um incremento de temperatura adequado 8 Estabilizar o sistema 9 Manter a temperatura dos gases de saída sem exceder 2 C a temperatura ambiente. 10 Iniciar o processo de medições e de coleta do condensado 11 Com os dados, efetuar cálculos de poder calorífico A bancada foi montada de forma a dar estabilidade mecânica ao calorímetro, bem como o calorímetro teve seus acessórios (mangueiras e termômetros) anexados de maneira firme e adequada. Os termômetros foram verificados visualmente em relação a sua integridade física e quanto à presença de ar na coluna de mercúrio dos mesmos. O termômetro de maior resolução foi montado na saída da água de refrigeração, o de menor resolução na saída dos gases, e o de resolução intermediária na entrada de água. Com o instrumento montado, abriu-se o fluxo de água para o calorímetro, de modo adequado sem derramamento, proporcionando uma vazão constante através do aparelho. A água foi fornecida pela rede do laboratório, à temperatura ambiente, e retornada aquecida à rede pluvial. Procedeu-se a seguir com a abertura da válvula de gás e acendimento do bico de Bunsen, regulando a mistura ar e combustível de forma a se ter uma quantia suficiente de oxigênio para a combustão ser o mais completa possível (aspecto visual da chama é de cor azul). O bico de Bunsen foi então introduzido no calorímetro, no seu suporte apropriado. Em posição, e com o auxílio de um espelho para acompanhar o aspecto da chama, o queimador pôde ser regulado pela válvula do gás, aumentando ou diminuindo a chama. Aqui uma medida pertinente foi observar a reação das temperaturas em função dessa regulagem. A temperatura de saída dos gases de combustão deve preferencialmente estar no máximo 2 C acima da temperatura ambiente, pois significa calor que não é transferido para a água. Como o calorímetro é um instrumento que possui inércia térmica, o próximo passo foi aguardar a estabilização do sistema, dada pela inalterância das temperaturas dos termômetros. A
7 vazão de água foi medida pelo recipiente aferido e o cronômetro, a massa específica da água considerada foi de 1000 kg/m³. A vazão do gás, medida pelo contador de fluxo de gás, sobre um determinado intervalo de tempo. A densidade considerada para o gás foi de 2,5 kg/m³. Daqui por diante, as variáveis de observação foram apenas as temperaturas de entrada e saída da água de resfriamento, e temperatura de saída dos gases da combustão. Além é claro de observar a continuidade da chama e da vazão de água. As temperaturas devem apresentar-se constantes já que o sistema está em regime estacionário, já estabilizado. Para o caso específico do experimento, ou seja, a presença ou não do dispositivo economizador, o mesmo foi instalado conforme instruções do fabricante, ver Figura 3, já com o calorímetro em funcionamento, apenas aguardando-se alguns minutos para o início de tomada de medições, para que o dispositivo aja sobre o sistema. A instalação foi executada conforme instruções do próprio fabricante, na mangueira do gás. Registraram-se os dados, distinguindo-se as situações com e sem dispositivo. Figura 3 Ilustração do dispositivo e modo de instalação (Fonte: <http://www.valmeron.com.br>) 4 VALIDAÇÃO Validou-se o experimento pela verificação da consistência da relação apresentada na equação (2), por meio da variação da vazão de água ( ) fornecida ao calorímetro e observação da variação das temperaturas de entrada e saída da água ( T ) correspondente à esta variação de vazão, mantendo-se os outros parâmetros envolvidos no equacionamento constantes. a
8 5 - INCERTEZAS DE MEDIÇÕES Como em qualquer outro experimento metrológico, incertezas de medição estão presentes e devem ser avaliadas. Neste experimento têm-se incertezas relacionadas às medições de vazão e de temperatura. Maiores detalhes sobre as considerações seguintes são dados por Schneider, 2008. 5.1 Incerteza de medição para vazões As incertezas de medições das vazões de água e de gás foram estimadas por amostragem, com base no desvio padrão para pequenas amostras, segundo a distribuição t-student. Os parâmetros envolvidos foram calculados como segue. s = n i = 1 ( x x )² i n 1 (6) onde, s é o desvio padrão para pequenas amostras, x i o valor da i-ésima medição, x a média da amostragem, n o número de amostras. u x = t s n (7) onde, u x é a incerteza do valor médio, t o valor da distribuição t-student para confiabilidade 95,45%. 5.2 Incerteza de medição para temperaturas Aqui não trata-se de amostragem e sim de valores discretos já que os valores medidos são aqueles em regime permanente. Sendo assim, a incerteza aqui é dada pelo instrumento, ou seja, os termômetros.
9 A incerteza foi baseada na estimativa de que a resolução do termômetro equivale a dois desvios padrão. E a incerteza expandida com confiança de 95,45% definida por dois desvios padrões. Sendo assim obtemos: u = x (8) onde, u é a incerteza expandida com 95,45% de confiança, e x é a resolução do instrumento. 5.3 Incerteza propagada A incerteza propagada do experimento, ou seja, a incerteza do cálculo do PCI, é dada pela fórmula de Kline e McClintock. U = c pa T u g ma 2 + ac pa T u 2 g mg 2 + a c pa g T sa u Tsa 2 + a c pa ( T g ea ) u Tea 2 (9) onde, U é a incerteza do experimento e u as incertezas parciais. 6 RESULTADOS Com os valores das medições de vazão de água fornecida ao calorímetro (Tabela 1), de vazão de gás GLP fornecido para o calorímetro (Tabela 2), e de observação das temperaturas obteve-se finalmente como resultado do experimento o poder calorífico inferior calculado, nas situações, sem dispositivo (Tabela 3) e com dispositivo (Tabela 4).
10 6.1 Experimento 1 Tabela 1 Vazão de água fornecida ao calorímetro. Volume Tempo Vazão [kg] [s] [kg/s] 1 81 1,2346E-02 1 83 1,2048E-02 1 82 1,2195E-02 1 82 1,2195E-02 média 1,2196E-02 desvio 1,2145E-04 incerteza 2,0100E-04 Tabela 2 Vazão de gás GLP fornecida ao calorímetro. Volume Tempo Vazão (1) [m³] [s] [m³/s] [kg/s] 0,009 1320 6,8182E-06 1,7045E-05 0,010 1530 6,5359E-06 1,6340E-05 0,003 540 5,5556E-06 1,3889E-05 0,007 1110 6,3063E-06 1,5766E-05 média 1,5760E-05 desvio 1,3527E-06 incerteza 2,2388E-06 Notas: (1) peso específico do gás = 2,5 kg/m³ (Fonte: DA SILVA et al., 2008) Tabela 3 Resultados de temperaturas observadas e PCI calculado, sem o dispositivo. a entrada água, Tea a saída água, Tsa a saída gases a ambiente [ C] [ C] [ C] [ C] [kj/kg] medida 21,2 42,2 24 20 67896,92 desvio 0,1 0,05 0,5 0,5 - incerteza 0,2 0,1 1 1 5676,18 PCI Tabela 4 Resultados de temperaturas observadas e PCI calculado, com o dispositivo. a entrada água, Tea a saída água, Tsa a saída gases a ambiente [ C] [ C] [ C] [ C] [kj/kg] medida 21,2 43,0 24 20 70483,47 desvio 0,1 0,05 0,5 0,5 - incerteza 0,2 0,1 1 1 5976,95 PCI
11 Neste experimento houve aumento no poder calorífico após a inserção do dispositivo. Dando atenção ao fato foi percebido que o experimento não estava em regime permanente. Após algum tempo de observação a temperatura de saída da água encontrava-se em 44 C. Isto pode ter sido decorrente de oscilações na circulação de água devido a obstruções nas mangueiras ou perda de carga no suprimento de água. Procedeu-se então ao experimento 2, repetindo-se os procedimentos iniciais, mas, contudo invertendo-se a ordem do procedimento de colocação do dispositivo. Então, novamente, com os novos valores das medições de vazão de água fornecida ao calorímetro (Tabela 5), de vazão de gás GLP fornecido para o calorímetro (Tabela 6), e de observação das temperaturas obteve-se como resultado do experimento o poder calorífico inferior calculado, nas novas situações, com dispositivo (Tabela 7) e sem dispositivo (Tabela 8). 6.2 Experimento 2 Tabela 5 Vazão de água fornecida ao calorímetro. Volume Tempo Vazão [kg] [s] [kg/s] 1 51 1,9608E-02 1 52 1,9231E-02 1 52 1,9231E-02 1 53 1,8868E-02 média 1,9234E-02 desvio 3,0210E-04 incerteza 4,9997E-04 Tabela 6 Vazão de gás GLP fornecida ao calorímetro. Volume Tempo Vazão (1) [m³] [s] [m³/s] [kg/s] 0,006 615 9,7561E-06 2,4390E-05 0,01 1020 9,8039E-06 2,4510E-05 0,008 813 9,8401E-06 2,4600E-05 0,007 715 9,7902E-06 2,4476E-05 média 2,4494E-05 desvio 8,6880E-08 incerteza 1,4379E-07 Notas: (1) peso específico do gás = 2,5 kg/m³ (Fonte: DA SILVA et al., 2008)
12 Tabela 7 Resultados de temperaturas observadas e PCI calculado, com o dispositivo. a entrada água, Tea a saída água, Tsa a saída gases a ambiente [ C] [ C] [ C] [ C] [kj/kg] medida 22,5 41,8 25 24 63320,42 desvio 0,1 0,05 0,5 0,5 - incerteza 0,2 0,1 1 1 5622,85 PCI Tabela 8 Resultados de temperaturas observadas e PCI calculado, sem o dispositivo. a entrada água, Tea a saída água, Tsa a saída gases a ambiente [ C] [ C] [ C] [ C] [kj/kg] medida 22,5 43,8 25 24 70042,56 desvio 0,1 0,05 0,5 0,5 - incerteza 0,2 0,1 1 1 6457,91 PCI Aqui o experimento atingiu o regime permanente e iniciou-se as medições obtendo-se a mesma variação nos resultados em relação à variação temporal do experimento anterior, pois pode constatar-se um aumento do poder calorífico inferior após alguma horas laborais, sem ser influenciado diretamente pelo dispositivo, ou seja, consideramos essa variação devida a dinâmica do processo de medição e não do dispositivo analisado. 7 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES Como o experimento em questão trata-se de uma comparação entre duas situações, ou seja, a presença ou não do dispositivo ECOTURB/GLP, não foi necessário o cálculo do PCS. De mesmo modo não foi necessária a comparação do PCI obtido no ensaio com o PCI declarado pela distribuidora de gás. O experimento 1 apresentou um resultado questionável devido a instabilidade o final do mesmo, e por isso houve necessidade de um segundo ensaio. Com base no ensaio 2, concluímos que o dispositivo ECOTURB/GLP não influência de forma nenhuma o poder calorífico inferior do gás combustível, pois ao se inverter a ordem de colocação do dispositivo em relação ao experimento1 obteve-se a repetitibilidade do aumento do PCI no instante final de medição.
13 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRISLEE, F.J., 1912. An Introduction to the Study of Fuel, Constable & Company Ltda, London. DA SILVA, D.R., et al., 2008. Instrumentação de um Calorímetro, Trabalho Final da disciplina Medições Térmicas, Depto. de Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre. (Disponível em < http://www.nmead.ufrgs.br/cursos/eng03108/document/2008-1/instrume NTA%80%C7O%20DE%20UM%20CALOR%D6METRO.pdf > acesso em dez.2008) LEE, C.C., LIN, S.D., 2000. Handbook of Environmental Engineering Calculations, McGraw-Hill, New York. (ISBN: 0070381831) MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons, New York. (ISBN: 9780470030370) SCHNEIDER, P.S., 2008. Incertezas de Medições e Ajuste de Dados, Apostila da disciplina Medições Térmicas, Depto. de Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre. 9 - BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ZIELENKIEWICZ, W., MARGAS, E., 2002. Theory of Calorimetry, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. (ISBN 1402007973)