UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
BANCADA PARA ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA QUEIMA
DE GÁS EM UM QUEIMADOR DOMÉSTICO.
Daniel Cassol
Diego Muller
Flávio Bahia
Tomaz Petracco
Disciplina de Medições Térmicas – ENG03108
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, junho de 2007
RESUMO
Este trabalho apresenta a construção de uma bancada para avaliação da eficiência térmica de sistemas utilizados para o aquecimento em queimadores domésticos alimentados por
GLP.
O trabalho é baseado na norma ABNT NBR 13723-1 “Aparelho Doméstico de Cocção a
Gás, Parte 1: Desempenho e segurança”, adaptada de acordo com os recursos disponíveis.
Esta norma estabelece valores mínimos para a eficiência de queimadores a gás. Seguindo as
orientações da norma, este trabalho descreve a montagem de um aparato onde não só a eficiência do queimador, mas também a eficiência de todo o sistema de aquecimento possa ser
avaliada. Para as condições de teste onde o experimento piloto foi realizado, a incerteza total
calculada com base na incerteza individual dos instrumento envolvidos foi de 1,26%.
Acompanha o trabalho uma planilha desenvolvida em plataforma MS-Excell onde podese entrar com os valores obtidos durante o ensaio, e o cálculo da eficiência e incerteza são
realizados automaticamente, considerando as correções e compensações previstas na norma.
PALAVRAS-CHAVE: Queimadores GLP, Cocção a gás, Rendimento queimadores.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5
2.1. Gás Liqüefeito de Petróleo
5
2.2. Equação dos gases perfeitos
5
2.3. Reação de combustão
5
2.4. Poderes Caloríficos Superiores e Inferiores
5
3. DESCRIÇÃO DA BANCADA
6
3.1 Montagem
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3.2 Equacionamento
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4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
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4.1. Avaliação das incertezas de medição
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5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
11
6. CONCLUSÃO
12
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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1. INTRODUÇÃO
Nos últimos anos a exigência de uso racional de energia vem aumentando e com isso a
necessidade de se conhecer a eficiência dos aparelhos domésticos também aumentou.
No Brasil foi normatizada em 2001 através da lei 10295, a política nacional de conservação e uso racional de energia visando a alocação eficiente de recursos energéticos e a preservação do meio ambiente.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma bancada e um método de utilização
para a determinação do rendimento de sistemas utilizados para o aquecimento em queimadores domésticos alimentados com GLP baseado na norma ABNT NBR 13723-1 “Aparelho
Doméstico de Cocção a Gás, Parte 1: Desempenho e segurança”. A norma ABNT, é dirigida
especificamente para a avaliação de queimadores, para isso, todas as demais variáveis envolvidas no procedimento são rigorosamente controladas a começar pela pureza do gás que deve
ser de 95%.
Basicamente a proposta do grupo é construir de forma simplificada um experimento onde variações de energia possam ser medidos permitindo a avaliação da eficiência energética
do sistema como um todo. Diferentemente da norma, neste trabalho é calculada a eficiência
como a razão entre a energia transferida para o aquecimento da água e a energia disponível no
gás, não considerando no primeiro termo o calor transferido para a panela.
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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo fará uma breve revisão da bibliografia para melhor compreensão dos tópicos relacionados à eficiência da combustão do GLP.
2.1 Gás Liqüefeito de Petróleo
O gás liqüefeito de petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos compostos de três e quatro átomos de carbono. O GLP ocorre naturalmente no petróleo, normalmente, em pequenas
proporções, da ordem de, no máximo, 2% em volume. O GLP é recuperado no topo da torre
de destilação atmosférica. O GLP é também conhecido como gás de cozinha devido ao seu
amplo uso como combustível doméstico (Garcia, 2002).
A composição do GLP não é especificada pela ANP – Agência Nacional de Petróleo e,
por conseqüência, também não há especificação sobre o poder calorífico. A razão disto é que,
como o GLP produzido em uma refinaria é, na verdade, a mistura resultante de várias correntes, de várias unidades de processo, contendo C3 e C4, ficaria impossível fixar uma composição. Entretanto, mesmo com grandes variações da composição química, seu poder calorífico
não varia muito (Garcia, 2002).
2.2. Equação dos gases perfeitos
Vê-se a seguir uma equação que, além da pressão, volume e temperatura, inclui a relação com uma quarta variável, a quantidade de matéria (n). Para isso, consideremos 1 mol de
um gás qualquer nas CNTP (temperatura = 273,15K e pressão 100kPa), passando para um
outro estado qualquer de pressão, volume e temperatura. É válida, então, a equação geral dos
gases, eq.(1) (Garcia, 2002).
PV = n R T
(1)
2.3. Reação de combustão
A combustão consiste em uma reação química entre o combustível e o oxigênio (geralmente proveniente do ar atmosférico), que resulta em gases de exaustão e liberação de grande quantidade de calor, o que caracteriza uma reação exotérmica. Para ocorrer uma reação de
combustão, além do combustível e do oxigênio, é necessária uma quantidade inicial de energia, que chamamos de energia de ativação.
A quantidade de calor é a energia que se quer aproveitar dos combustíveis fósseis para
ser usada pelo homem nas suas necessidades básicas e no seu desenvolvimento.
2.4 Poderes Caloríficos Superiores e Inferiores
O poder calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor desprendida na sua queima completa, estequiometricamente. Caso esta quantidade de calor seja medida
com a água gerada na queima a fase gasosa, o poder calorífico é chamado de Poder Calorífico
INFERIOR e caso a água gerada na combustão seja considerada na fase líquida, tem-se o Poder Calorífico SUPERIOR. A diferença entre eles é, portanto, exatamente a entalpia de vapo-
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rização da água formada pela queima do hidrogênio contido no combustível e da água já contida do combustível como unidade do mesmo (Garcia, 2002).
Assim, a relação matemática entre eles é a seguinte:
PCI = PCS – 2440 (9H + u),
(2)
Onde:
PCI = Poder Calorífico Inferior [kJ/kg] em base seca
PCS = Poder Calorífico Superior [kJ/kg]
H = teor de hidrogênio do combustível [kg/kg] em base seca
u = teor de umidade do combustível [kg (H2O)/kg (combustível seco)
O poder calorífico é determinado no laboratório através de uma bomba calorimétrica
com a temperatura controlada do banho onde esta imersa a bomba em que se faz a queima do
combustível. O valor obtido é sempre o PCS. Assim, o PCI é sempre obtido por meio de cálculo, usando-se a expressão acima. Para tanto é necessário conhecer o teor de hidrogênio do
combustível e sua umidade. Observe-se que, normalmente, o que mais se utiliza é exatamente
o PCI, uma vez que, na maioria dos processos industriais, os gases de combustão são liberados a temperaturas altas onde a água neles contida se encontra na fase gasosa (Garcia, 2002).
3. DESCRIÇÃO DA BANCADA
Procedimento ABNT – Método de Ensaio
O ensaio segundo a norma deve ser feito com um gás de referência com pureza superior
a 95%, para o GLP a pressão mínima de ensaio deve ser de 1,96kPa, a temperatura ambiente
deve estar entre 15°C e 25°C. O equipamento de medição de vazão de gás deve ter uma exatidão de ±1,7% numa faixa de até 0,01 l/h. Antes de se iniciar as medidas deve-se colocar sobre
o queimador um recipiente de 220mm de diâmetro contendo 2kg de água a temperatura ambiente, aquecida durante 10 minutos. Devem ser utilizados somente recipientes de alumínio com
dimensões determinadas em tabela contendo uma massa de água que variam com a potência
do queimador. O recipiente deve ser tampado, deve ter base plana e polida e não deve ter cabos. O ensaio se inicia colocando-se o recipiente contendo água a 20°C ± 1°C sobre o queimador medindo-se o tempo para que a temperatura medida no centro geométrico do volume
de água atinja 90°C ± 1°C. Neste momento extingue-se a chama e utiliza-se a temperatura
máxima atingida pela água para determinação do rendimento. O instrumento de medição de
temperatura deve ter incerteza menor ou igual a 0,1°C.
Fig. 3.1 – Bancada para avaliação da eficiência de queimadores – Senai RS
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3.1 Montagem
A norma ABNT, pretende determinar a eficiência isolada do queimador e para isso exige extremo rigor na manutenção das demais variáveis, este trabalho tem o objetivo de obter a
eficiência de um sistema para aquecimento de água, considerando todos os constituintes envolvidos e por conseqüência a incerteza individual de cada instrumento. Na figura 3.1 pode
ser visto o esquema conceitual da montagem.
Fig. 3.1 – Esquema de montagem do ensaio.
Parte da bancada utilizada neste trabalho foi montada durante o trabalho de diplomação
de Fonseca (2001), e melhorada por Bresolin (2002), segundo as normas, NBR5899 (ABNT,
1994) e NBR8130 (ABNT, 1998). A bancada utilizada para os experimentos é composta de
um queimador doméstico abastecido por um painel de suprimento de GLP devidamente instrumentado confirme figura 3.2.
Fig. 3.2 – Painel de gás instrumentado (esq.) e queimador doméstico (dir.)
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Abaixo segue uma breve descrição dos equipamentos utilizados na montagem da bancada:
a) 1 medidor de vazão volumétrica de gás
b) 1 sensores de temperatura tipo pt100.
c) 1 controladores de temperatura fullgauge modelo MT516 PLUS
d) 1 conjunto regulador de baixa pressão e válvula de bloqueio rápido para gás ;
e) 1 manômetro para medir pressão de gás com resolução de 10 mm de CA e capacidade
máxima de 1000 mm de CA.
f) 1 queimador doméstico para GLP
3.2 Equacionamento
A seguir são apresentados os métodos de cálculos para os parâmetros de interesse no
trabalho.
Quantidade de calor transferida para água
Para calcular a quantidade de calor transferida para água basta verificar a variação de
temperatura que a mesma sofrerá ao passar pelo aquecedor. A quantidade de calor devido à
variação de temperatura pode ser facilmente calculada pela equação (3):
Q = m ⋅ c ⋅ (t2 − t1 )
(3)
Onde:
Q é o calor absorvido pela água em kJ
m é a de massa de água em kg
c é o calor específico da água, igual a 4,178 kJ/kg ºC
t1 é a temperatura inicial da água, em °C
t2 é a temperatura final da água, em °C
Correção do volume de gás
Uma vez que o PCS do gás de combustão é dado para uma determinada condição de
temperatura e pressão há a necessidade de se corrigir o valor do volume de gás consumido no
momento do ensaio para que seja possível determinar a quantidade de energia que o gás fornece ao sistema. A correção do volume de gás para as condições do poder calorífico superior
é dada pela equação (4) conforme ABNT NBR 13723 -2:
Vc = V ⋅
Pa + P − W
288,15
⋅
101,33
273,15 + tg
(4)
Onde:
Vc é o volume do gás medido em m3 nas condições de ensaio em m³
Pa é a pressão barométrica, em kPa
P é a pressão de alimentação, do gás em kPa
W é a pressão de vapor da água, em kPa, relacionada com a tg, se for utilizado um medidor
úmido de consumo de gás
tg é a temperatura do gás em ºC, obtida junto ao medidor de consumo de gás
Quantidade de calor disponibilizada pelo gás
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A quantidade de calor disponibilizada pelo gás é obtida pelo produto do volume de gás
consumido durante o período de medição por seu PCS, conforme a equação (5):
Qg = V ⋅ PCS
(5)
Onde:
Qg é o calor liberado pela queima do combustível em MJ
V é o volume de combustível queimado em m³
PCS é o poder calorífico superior do gás utilizado para condições padrão (15°C e 101,3 kPa) –
45,2 MJ/m3
Cálculo do rendimento Térmico do Sistema
O rendimento é calculado como sendo a razão entre a quantidade de calor transferida
para água e a quantidade de calor disponibilizada pelo gás resultando na equação (6):
η = c⋅m⋅
(t 2 − t1 )
Vc × PCS × T
⋅ 100 %
(6)
Onde:
η é o rendimento em %
m é a massa de água em kg
c é o calor específico da água, em MJ/kg ºC, igual a 0,004178
t1 é a temperatura inicial da água, em °C
t2 é a temperatura final da água, em °C
Vc é a vazão volumétrica de gás corrigida em, m3/h
T é o tempo de aquecimento, em h
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O procedimento para o cálculo da eficiência conforme eq.(6), deve seguir os passos
listado a seguir.
1) Coloque aproximadamente 2kg de água em um recipiente e aqueça na bancada por 10
min., para fazer o pré-aquecimento do sistema.
Fig. 3.1 – Montagem do sistema de aquecimento
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2) Substitua o recipiente de pré-aquecimento pelo recipiente do experimento posicionando o
termômetro no centro da massa de água.
Fig. 3.2 – Montagem do termômetro no sistema de aquecimento
3) Interrompa a chama fechando a válvula quando o a temperatura tiver atingido 90°C ou
qualquer temperatura inferior pré-determinada ou quando decorrido o tempo prédeterminado de ensaio.
4) Verifique a temperatura máxima atingida pela água após interrompida a chama.
5) Anote os valores obtidos das variáveis listadas abaixo e proceda os cálculos.
4.1. Avaliação das incertezas de medição
Como em todo trabalho experimental existem incertezas associadas às medições realizadas.
Em geral, as incertezas de medição são obtidas nos manuais dos fabricantes, porém, como não
foram obtidos manuais dos equipamentos utilizados no presente trabalho as incertezas serão
associadas à resolução dos equipamentos, conforme ilustra a tabela 4.1.
Sensor
Temperatura
Pressão de gás
Consumo de gás
Resolução
0.1 ºC
10 mmCA
1dm3
Resolução (SI)
0.1 K
0.1 kPa
1 x 10-³ m³
Tabela 3.1 – Incertezas associadas aos instrumentos utilizados
As incertezas combinadas são calculadas através da formulação da propagação de erros segundo Kleine e McClintock, em Holman (1996), através da equação (7):
2
  ∂M  2  ∂M  2
 ∂M  

wr = 
w  +
w  + ... + 
wn 
  ∂x1 1   ∂x2 2 
∂xn

 

9
1
2
(7)
Na equação (7), M é uma função f (x1, x2, ..., xn) que possui as variáveis medidas experimentalmente. wr é a combinação de incerteza das variáveis w1 à wn que são as incertezas pertencentes
às medições de cada instrumento.
No caso do rendimento, a incerteza precisa ser calculada para o volume de gás, volume de
água e depois combinada com a da temperatura.
5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para o ensaio piloto realizado conforme condições citadas acima, o sistema apresentou
uma eficiência energética de 54,9% e uma incerteza de 1,26%, conforme pode ser observado
na tabela 4.1, valor bastante coerente uma vez que os Índice mínimo de eficiência energética
permitido para queimadores domésticos é de 54%.
Variável
V [m³/h]
Pa [kPa]
P [kPa]
PCS [MJ/m³]
M [kg]
t1 [°C]
t2 [°C]
tg [°C]
T [s]
Resultados
P [kW]
η [%]
Vc [m³/h]
w [kPa]
Valor
Descrição
0,100 vazão volumétrica de gás medida
101,50 pressão atmosférica local
110,82 pressão do gás
45,20 poder calorífico do gás
3,000 massa de água
20,0 temperatura inicial da água
91,0 temperatura final da água
20,9 temperatura do gás
630 tempo de aquecimento
Incerteza
0,001
0,1
0,1
1,8
0,0001
0,1
0,1
0,1
2
2,58 potência do queimador
54,9% rendimento
0,205 vazão volumétrica de gás corrigida
5,22328E-10 pressão de vapor d'água à temp. tg
0,106
1,264%
0,00206
0,04522
Tabela 4.1 cálculo da eficiência com base nos medidos no ensaio realizado em 21/06/07.
Os valores da tabela 4.1 foram obtidos com o auxílio de uma planilha eletrônica conforme o procedimento experimenta contido no ANEXO I que contém as formulas para o cálculo da eficiência, potência, vazão volumétrica corrigida e suas respectivas incertezas. Algumas das unidades utilizadas para cálculo na planilha estão diferentes daquelas apresentadas
nas equações (4) e (6) para facilitar o preenchimento.
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6. CONCLUSÃO
Conforme proposto, foi possível construir um sistema de aquecimento a gás com a utilização de um queimador doméstico para avaliação da eficiência na combinação de diversos
arranjos tanto para geometria de diferentes panelas com na variação da pressão e vazão do gás
de alimentação. O com base nos dados obtidos através do ensaio realizado foi possível calcular a eficiência para uma determinada condição de montagem. A eficiência obtida foi de
54,9%, muito coerente uma vez que a mínima eficiência aceitável para este tipo de equipamento é de 54%. Com base na incerteza individual de cada instrumento foi possível calcular a
incerteza total da bancada para esta condição de ensaio, que foi de 1,26% no rendimento. Valor considerável aceitável para as condições propostas uma vez que o objetivo é a medida de
eficiência comparativa entre dois sistemas e não da eficiência real.
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GARCIA, R., Combustíveis e Combustão Industrial – Ed. Interciência, Rio de Janeiro,
2002.
Associação Brasileira de Normas Técnicas., ABNT NBR 13723 -1. Aparelho doméstico de
cocção a gás parte 1: desempenho e Segurança (1999).
Associação Brasileira de Normas Técnicas., ABNT NBR 13723 -2. Aparelho doméstico de
cocção a gás parte 2: Uso racional da Energia (1999).
Bresolin, C., Verificação Experimental do Processo de Combustão em um Aquecedor
Instantâneo, 2006.
Fonseca, J. G., 2002. Montagem De Uma Bancada Experimental Para Ensaios Em Aquecedores De Água À Gás, Trabalho de Diplomação em Eng. Mecânica, UFRGS, Porto Alegre
HOLMAN, J.P.,1996, Experimental Methods for Engineers, Mcgraw-Hill.
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