3 Teori og tidligere forskning
3.1 Lesing og leseforståelse
Para os cálculos do balanço energético realizado no motor Perkins ottolizado, foram utilizados todos os conceitos termodinâmicos apresentados no Capítulo III e as condições de temperatura e de pressão, em pontos estratégicos do motor, serviram de parâmetro para uma melhor avaliação do desempenho do motor, vindo a auxiliar também, no próprio balanço térmico.
A Figura 4.1 exibe um desenho esquemático da bancada de testes do motor, mostrando os pontos de medição de temperatura e de pressão utilizados, inclusive, para a realização do balanço de energia.
Figura 4.1 – Desenho esquemático da bancada de testes tomando o motor Perkins como Volume de Controle.
Para auxiliar a identificação dos pontos de medição de pressão e de temperatura descritos na Fig. (4.1), a Tab. (4.1) apresenta as suas denominações.
Tabela 4.1 - Descrição dos pontos de medição de pressão e de temperatura utilizados nos testes.
T0. Temperatura do ar na entrada do filtro. T5. Temperatura dos gases de exaustão.
T1. Temperatura da mistura ar/GN na entrada
do aftercooler.
T6. Temperatura da água de arrefecimento na
entrada do bloco do motor. T2. Temperatura da mistura ar/GN na saída
do aftercooler.
T7. Temperatura da água de arrefecimento na
saída do bloco do motor. T3. Temperatura da mistura ar/GN no coletor
de admissão. P0. Pressão do ar na entrada do filtro.
T4. Temperatura da turbina.
P1. Pressão da mistura ar/GN no coletor de
Para a análise energética do motor Perkins ottolizado para operar com GN, considera- se o esquema representado na Fig. (4.1), onde o combustível entra no motor com uma vazão mássica de combustível, ṁGN que se junta a uma vazão de ar, ṁar. Consideram-se, as
variações de energia cinética e potencial do ar e do combustível desprezíveis. O combustível e o ar entram no motor à temperatura T0 e à pressão P0. Os produtos da combustão deixam o
motor à temperatura T5 e à pressão P0 com o fluxo de massa ṁgases. O motor desenvolve uma
potência Ẇ (medida pelo dinamômetro) e transfere uma taxa de energia ̇ para o ambiente através do arrefecimento do motor, do resfriamento da mistura no aftercooler e devido à outros fatores como: radiação e convecção.
O GN utilizado nos ensaios do motor convertido foi fornecido pela Companhia Paraibana de Gás (PBGÁS) e sua composição está descrita na Tab. (4.2).
Tabela 4.2 – Composição do GN utilizados nos testes do motor Perkins ottolizado.
Elemento Fórmula Fração Molar (%)
Metano CH4 90,09 Etano C2H6 6,84 Propano C3H8 0,36 Dióxido de Carbono CO2 1,56 Nitrogênio N2 1,35 Fonte: PBGÁS (2014).
Os cálculos se iniciam com a realização de um balanço químico entre os reagentes e os produtos da combustão do gás natural com o ar atmosférico. A Equação 4.1 exprime a modelagem da combustão do gás natural para uma condição de mistura estequiométrica, onde, através desta, determina-se o valor da relação ar/combustível do GN, bem como a quantidade de moles de O2, CO2 e de N2 ( , , e ):
Os termos c1, c2, c3, c4 e c5 representam as frações molares de cada elemento que
compõe o GN e estão apresentadas na Tab. (4.2).
Para o caso real, a relação ar/combustível é diferente da estequiométrica e a combustão dá origem a outros produtos, além do CO2, do H2O e do N2. A Equação 4.2 representa o
balanço químico entre os reagentes e os produtos gerados na combustão real do GN.
(4.2)
As frações molares dos produtos de combustão do GN ( , , , e ) são obtidas em base seca3 por um analisador de gases. Contudo, uma vez que a fração molar do N2 ( ) não é captada pelo equipamento utilizado, esta foi computada através da Eq.
(4.3).
∑ (4.3)
Onde é fração molar de cada produto de combustão captado pelo analisador de gases.
Há que se analisar ainda, que a solução da Eq. (4.2) depende da determinação da quantidade de moles de água produzida na combustão do GN. Segundo Van Wylen et al. (2010), para se transformar a Eq. (4.2) da base seca para a base úmida, todos os termos desta equação devem ser recalculados, balanceando-os com a nova condição de formação de água nos produtos de combustão.
Buscando-se facilitar o emprego da Eq. (4.2), foi considerado como NOx apenas o
elemento NO, coerentemente com a teoria apresentada na seção 3.2.5. Já para os hidrocarbonetos não queimados, HC, apenas o Metano foi levado em conta, devendo-se este fato ao seu alto percentual na composição do GN (90,09 %). Nas Equações (4.1) e (4.2) foi considerado, ainda, a admissão de ar seco, ou seja, sem umidade.
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Base onde os dados dos produtos de combustão são expressos, desconsiderando a formação de água durante a reação.
Com a obtenção das frações molares de todos os elementos (em base úmida) da equação real, do valor da relação ar/GN estequiométrica, pode-se dar prosseguimento aos cálculos de balanço de energia para o motor Perkins funcionando a gás natural, onde os termos da Eq. (3.10), para o caso particular, são impetrados seguindo as seguintes etapas.
i) A parcela da energia de escoamento que entra no volume de controle, ∑ , é referente à energia do gás natural e do ar admitido. Como a energia do ar na temperatura de entrada é a do ambiente, esta pode ser desprezada. Com esta consideração e realizando-se algumas manipulações matemáticas, a taxa de energia que entra no motor pode ser expressa como:
̇ ̇ (4.4)
Onde:
ṁGN é a vazão mássica de gás natural (kg/s);
PCIGN é o poder calorífico inferior do gás natural (kJ/kg.K).
Na Equação (4.4), o valor do poder calorífico inferior do gás natural é obtido através da ponderação feita com os valores descritos na Tab. (3.1) e na Tab. (4.2), bem como da massa específica dos elementos que compõem o GN, ver Anexo A. Já a vazão mássica do gás natural, ṁGN, é determinada usando-se um medidor computadorizado de fluxo de GN, ver
Capítulo VI.
ii) A parcela da taxa de energia perdida através do sistema de arrefecimento do motor pode ser calculada através da Eq. (4.5).
̇ ̇ (4.5)
Onde:
CPágua é o calor específico da água (kJ/kg.K);
Tágua é a variação de temperatura da água de arrefecimento medida entre a entrada e a
saída do bloco do motor.
iii) Como o motor Perkins operou com a utilização de um aftercooler, para o resfriamento da mistura ar/GN, a energia perdida neste processo foi calculada através de Eq. (4.6).
̇ ̇ (4.6)
Onde:
ṁar/GN é a vazão mássica da mistura (kg/s);
CPar/GN é o calor específico da mistura (kJ/kg.K);
Tar/GN é a variação de temperatura da mistura medida entre a saída do compressor e a
saída do aftercooler.
Como a proporção ar/GN para a condição estequiométrica é elevada (em torno de 16/1), nos cálculos da Eq. (4.6), o valor do calor específico da mistura foi substituído pelo do calor específico do ar, CPar. A expressão resultante fica sendo:
̇ ̇ (4.7)
Para a resolução da Eq. (4.7), a vazão mássica da mistura ar/combustível é determinada pelo somatório das vazões de combustível e de ar verdadeiramente admitido.
Onde:
ṁar é a vazão mássica do ar que foi realmente admitido (kg/s);
ṁGN é a vazão mássica de combustível (kg/s).
A vazão mássica de ar é obtida com o conhecimento da vazão mássica de combustível, da relação de mistura estequiométrica e do fator λ real (medido com o analisador de gases), e é dada por:
̇ ̇ (4.9)
Onde:
Relesteq é a relação da mistura ar/GN estequiométrica, ou ideal;
λ é o fator de indicação de qualidade da mistura.
iv) A taxa de energia que sai do volume de controle carreada pelo fluxo de massa, ∑ ̇ , é parcela perdida nos gases de exaustão do motor e pode ser calculada através da Eq. (4.10).
̇ ̇ ∫
(4.10)
Onde:
ṁgases é a vazão mássica dos gases de escape (kg/s);
CPi é o calor específico (à pressão constante) de todos os elementos que compõem os
gases de exaustão (kJ/kg.K); Tamb é a temperatura ambiente (K);
Como o calor específico dos elementos produzidos na combustão do gás natural (O2,
CO2, CH4, N2, NO, CO, H2O) variam com a temperatura, a integral da Eq. (4.10) foi calculada
a partir das constantes e dos equacionamentos para a obtenção de CP, considerando-se os gases de exaustão como gases ideais, ver Anexo B.
A vazão mássica dos gases de escape é obtida a partir da Eq. (3.8) e do conhecimento das vazões mássicas de ar e de combustível:
̇ ̇ ̇ (4.11)
v) A última parcela a ser computada é a Potência, verificada na saída no eixo do motor, ̇, e medida com o auxílio de um dinamômetro hidráulico.
As perdas de energia ocasionadas por outros fatores (radiação, convecção, através do óleo de lubrificação, etc.) não foram apreciadas no estudo proposto, sendo o total desta energia computada por diferenciação entre o valor da energia do combustível e os termos de energia de saída que foram calculados.
Considerando a Lei da Conservação da Energia expressa na Eq. (3.10), Substituindo os seus termos pelas Equações (4.4), (4.5), (4.7) e (4.10), levando-se, ainda, em consideração os termos de energia não computada, ̇ , se obtém o seguinte equacionamento para o balanço de energia do motor Perkins.
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (4.12)
Todos os cálculos utilizados para a obtenção do balanço de energia do motor Perkins foram feitos com o auxílio do software Mathcad e estão apresentados no Apêndice B.
CAPÍTULO V
A OTTOLIZAÇÃO
5.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo são descritos as particularidades e os componentes necessários ao processo de conversão, para gás natural, do motor Diesel Perkins 1104C-44TAG2 de 4 cilindros, potência (standby) de 112,4 kW (a 1800 rpm), turboalimentado e com taxa de compressão original de 18,2:1, ver Fig. (5.1).
5.2 PARTICULARIDADES DO PROCESSO DE OTTOLIZAÇÃO EM MOTORES