UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE CIÊNCIAS EXATAS TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA AGRÍCOLA
USO DO ÓLEO VEGETAL EM DIFERENTES TEMPERATURAS EM UM
MOTOR ESTACIONÁRIO DE CICLO DIESEL
Daniel Max Leonídio
ANÁPOLIS-GO
2011
iii
DANIEL MAX LEONÍDIO
USO DO ÓLEO VEGETAL EM DIFERENTES TEMPERATURAS EM UM
MOTOR ESTACIONÁRIO DE CICLO DIESEL
Monografia
apresentada
à
Universidade
Estadual de Goiás - UnUCET, para obtenção do
título de Bacharel em Engenharia Agrícola.
Área de concentração: Mecanização Agrícola.
Orientador: Prof. D.Sc. Elton Fialho dos Reis
ANÁPOLIS – GO
2011
iv
DANIEL MAX LEONÍDIO
USO DO ÓLEO VEGETAL EM DIFERENTES TEMPERATURAS EM UM
MOTOR ESTACIONÁRIO DE CICLO DIESEL
Monografia apresentada á Universidade Estadual de
Goiás - UnUCET, como requisito para obtenção do título
de Bacharel em ENGENHARIA AGRÍCOLA.
Área de concentração: Mecanização agrícola.
v
Dedico este trabalho a todos àqueles que acreditaram no meu esforço e em minha
dedicação para realização desta conquista.
À minha família,
especialmente aos meus pais,
Vantuir Antônio da Silva, Maria do Carmo Dias da Silva.
Aos meus irmãos e a minha namorada,
Álvaro, Rafael e Viviane,
pelo amor e carinho.
vi
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por me dar forças, saúde, determinação e me guiar por todos meus
passos nesta caminhada de conquistas e realizações;
Ao professor Elton Fialho dos Reis pela orientação, auxilio e disponibilidade durante o
curso;
Ao professor Fábio Souza Gomes pela disponibilidade, atenção e auxilio na elaboração
deste trabalho.
Ao professor, Josué Gomes Delmond pelo auxílio e ajuda nos momentos em que tive
dificuldades e pela expressiva dedicação ao curso de Engenharia Agrícola, e também aos demais
professores do curso de Engenharia Agrícola, pelo apoio e sugestões sempre bem vindas no
decorrer dos estudos;
À minha namorada Viviane Aparecida Alves de Oliveira, que foi companheira, apoiou e
deu forças nos momentos mais difíceis;
Aos colegas, João Maurício, Evandro Maranhão, Gustavo, Neyber, Rafael Batista,
Rodney, que de diferentes maneiras contribuíram com o desenvolvimento deste;
Em especial ao doutorando João Paulo Cunha, pela atenção e grande colaboração no
desenvolvimento deste e de outros projetos.
Aos servidores técnicos Waldeir Costa e Silva e Higor Natã pelas idéias e ajuda
indispensável na construção deste projeto;
Ao aluno Luis Henrique pela grande ajuda na realização das análises de laboratório;
Agradeço a todos os amigos da graduação pela amizade, pela convivência e coleguismo.
vii
“O fato de que óleos vegetais possam ser utilizados com
facilidade parece ser insignificante para os dias de hoje, mas
estes óleos podem talvez se tornar importantes no futuro, da
mesma forma como são importantes hoje os óleos minerais e
os produtos do alcatrão. Alguns anos atrás, os últimos não
estavam muito mais desenvolvidos do que os óleos vegetais
nos dias de hoje e, mesmo assim, atingiram a importância que
lhes é hoje conferida. Ninguém pode prever a importância
que estes óleos terão para o desenvolvimento das colônias.
De qualquer forma, eles permitiram demonstrar que a energia
dos motores poderá ser produzida com o calor do Sol, que
sempre estará disponível para fins agrícolas, mesmo quando
todos os nossos estoques de combustíveis sólidos e líquidos
estiverem exauridos”.
Rudolf Diesel (1858 – 1913) viii
SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ x LISTA DE TABELAS............................................................................................................... xi RESUMO ................................................................................................................................. xii 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 13 2 REVISÃO DE LITERATURA ...................................................................................... 14 2.1. MOTOR CICLO DIESEL ................................................................................ 14 2.2. USO DE ÓLEOS VEGETAIS EM MOTORES DIESEL ................................ 14 2.3. ÓLEO VEGETAL............................................................................................. 15 2.4. ÓLEO VEGETAL NO BRASIL....................................................................... 18 3 2.5. ENSAIOS PARA AVALIAÇÃO E DETERMINAÇÃO DA EMISSÃO DE
POLUENTES ........................................................................................................... 19 2.6. CONSUMO DE ÓLEO VEGETAL ................................................................. 20 2.7. AQUECIMENTODO ÓLEO VEGETAL PURO ............................................. 21 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................ 23 3.1. DELINEAMENTO EXPERIMENTAL ........................................................... 23 3.2. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS .................................................................... 23 3.2.1 Propriedades físico-químicas do óleo vegetal utilizado ......................... 23 4 3.3. SISTEMA DE AQUECIMENTO DOS COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS..... 25 3.4. CONJUNTO MOTOGERADOR ..................................................................... 25 3.5. AVALIAÇÃO DO CONSUMO DE COMBUSTÍVEL ................................... 27 3.6. AVALIAÇÃO DA EMISSÃO DE GASES...................................................... 25 3.7. ANÁLISE ESTATÍSTICA ............................................................................... 26 RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................... 27 4.1. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DO ÓLEO VEGETAL .................... 27 4.2. CONSUMO E EMISSÃO DE GASES EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E
CARGA .................................................................................................................... 28 4.3. EMISSÕES DE GASES ................................................................................... 29 4.3.1 Temperatura de Injeção .......................................................................... 29 4.3.2 Carga de demanda do gerador ................................................................ 31 5 4.4. CONSUMO HORÁRIO DE COMBUSTÍVEL ................................................ 33 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 36 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 37 ix
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01 – Óleo de soja utilizado. ...........................................................................................20
FIGURA 02 – Balança utilizada no ensaio de determinação da massa específica do óleo. ..........21
FIGURA 03 – Viscosímetro digital com chapa aquecedora e béquer utilizado no ensaio............21
FIGURA 04 – Chapa aquecedora com béquer e termômetro .......................................................22
FIGURA 05 – Motogerador de ciclo diesel modelo BD-2500 CF ...............................................23
FIGURA 06 – Plataforma utilizada para simulação das cargas ...................................................23
FIGURA 07 – (a) Sistema de alimentação; (b) Sistema de ligação da mangueira de alimentação
do combustível e retorno.. ..............................................................................................................24
FIGURA 08 – Motogerador, cronômetro e bureta com delimitações pré estabelecidas de 10 ml a
40 ml ...............................................................................................................................................25
FIGURA 09 – Monitor ambiental de combustão e emissão de gases utilizado no ensaio ............26
FIGURA 10 – Sensor acoplado ao sistema de exaustão do gerador para medição dos gases
residuais ..........................................................................................................................................26
FIGURA 11 – Viscosidade cinemática do óleo de soja, em função da faixa de temperatura
analisada. ........................................................................................................................................27
FIGURA 12 – Emissão dos gases em função das diferentes temperaturas de injeção do óleo
vegetal .............................................................................................................................................30
FIGURA 13 – Emissão dos gases em função das diferentes cargas demandada pelo motor .......32
FIGURA 14 – Consumo horário de combustível em função da carga demandada e temperatura
de injeção do óleo vegetal .............................................................................................................34
x
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Viscosidades de alguns óleos vegetais em função da temperatura. ........................14
TABELA 2 – Equação de ajuste e coeficiente de determinação dos dados experimentais de
viscosidade em função da faixa de temperatura analisada ............................................................28
TABELA 3 – Resumo da análise de variância das variáveis expresso pelo quadrado médio:
emissão de oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de
enxofre (SO2), monóxido de carbono (CO) e consumo de combustível........................................29
TABELA 4 – Equações de ajuste dos dados experimentais de emissões de O2, CO2, NOx, SO2 e
CO em função da faixa de temperatura analisada. .........................................................................31
TABELA 5 – Equações de ajuste dos dados experimentais de emissões de O2, CO2, NOx, SO2 e
CO em função da carga demandada ao sistema. ............................................................................33
TABELA 6 – Média do consumo em litros por hora (l/h) do óleo vegetal, em função das
diferentes demandas de carga para a faixa de temperatura analisada.............................................33
TABELA 7 – Equação de ajuste e coeficiente de determinação dos dados experimentais de
consumo em função da faixa de temperatura analisada e demanda de carga utilizada ..................34
xi
RESUMO
Os principais poluentes emitidos para a atmosfera são provenientes do processo de combustão
incompleta e completa dos motores. A forma “in natura” do óleo vegetal pode ser uma alternativa
viável, desde que seja melhorado o sistema de injeção do combustível ou utilizando-se misturas
com óleo diesel. O objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de óleo vegetal em diferentes
temperaturas e cargas em um motor estacionário de ciclo diesel. O delineamento experimental foi
inteiramente casualizado no esquema fatorial 5x5, onde foi utilizado 5 temperaturas do óleo de
soja (Temperatura Ambiente (25ºC), 60ºC, 90ºC, 120ºC, 150ºC), com 5 cargas aplicadas pelo
gerador (0, 500, 1000, 1500, 2000 watts), com três repetições. O experimento foi desenvolvido na
Universidade Estadual de Goiás, Unidade Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas, na
área externa do laboratório de Protótipos de Máquinas de Engenharia Agrícola, em Anápolis,
Goiás, onde foram determinadas as emissões de oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos
de nitrogênio (NOx), óxidos de enxofre (SO2), monóxido de carbono (CO), como também o
consumo horário do conjunto motogerador. Os resultados obtidos mostraram que: com o aumento
da temperatura do óleo houve uma redução da viscosidade; para o intervalo de dados analisados,
o aumento na temperatura de injeção proporcionou um aumento nas emissões de O2 e uma
redução nas emissões de CO, CO2, NOx e SO2; Os menores índices de SO2 e NOx foram
encontrados aos 90,16ºC e 111,66ºC, respectivamente; Com o aumento da carga demandada do
motogerador as emissões de SO2 e NOx foram elevadas e de CO foram reduzidas; Os maiores
índices de NOx foram encontrados com uma demanda de 1082 Watts e os menores índices de CO
foram encontrados com uma demanda de 1196,81 Watts; O aumento da carga demandada e a
elevação da temperatura proporcionaram um aumento no consumo horário; O maior nível de
consumo foi com demanda de 2000 Watts, a uma temperatura de 120ºC.
Palavras chaves: aquecimento do óleo, consumo combustível, gases poluentes, grupo gerador.
xii
1
INTRODUÇÃO
Com o constante crescimento da frota de veículos a preocupação com a qualidade doar
aumentou, uma vez que, o grande vilão da poluição atmosférica resulta da queima incompleta dos
combustíveis dos veículos automotores e que são responsáveis pela emissão de monóxido de
carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), óxido de nitrogênio (NOx), entre outros.
O uso comercial do óleo vegetal em motores diesel é recente, entretanto, Rudolf Diesel,
inventor do motor diesel, já sugeria a alimentação de motores diesel com o óleo de amendoim “in
natura”. Em toda história, os estudos sobre o uso do óleo vegetal, por diversas vezes, foram
interrompidos devido à grande variação do custo do petróleo, que atingia altos preços e depois se
reduziam. Os preços recordes do barril de petróleo segundo dados da Agência Nacional de
Petróleo (ANP, 2011) acima de U$145,00 (julho de 2008), em queda nos últimos meses, o barril
está sendo negociado a U$ 107,90 (ANP, 2011) e a necessidade do uso de tecnologia
ambientalmente mais adequada incentivaram o desenvolvimento de novas tecnologias para a
utilização do óleo vegetal nos motores diesel.
Os principais poluentes emitidos para a atmosfera são provenientes do processo de
combustão incompleta e completa dos motores. A forma “in natura” do óleo vegetal pode ser
uma alternativa viável, desde que sejam aplicadas técnicas adequadas para melhorar a injeção do
combustível ou utilizando-se misturas com óleo diesel em proporções que deverão ser estudadas
(INOUE, 2008).
As técnicas frequentemente utilizadas para alimentar um motor diesel com óleo vegetal
em nível de até 100% são o aquecimento e a alternância de combustível. O aquecimento pode ser
feito por meio de sistemas instalados nos reservatórios, utilizando como fonte de calor a
resistência elétrica, cujo sistema é comercializado em alguns países da Europa, ou utilizando os
fluidos do sistema de arrefecimento e dos gases de escape (INOUE, 2008).
Machado (2003), utilizando um motor MWM modelo 229, com injeção direta e de
quatro tempos, verificou que a viscosidade elevada do óleo de palma resultou em atomização
pobre, depósitos de carbono, obstrução de linhas de combustível e dificuldades na partida em
temperaturas baixas. Porém, quando aquecido a 100 °C, apresentou viscosidade mais baixa,
melhor combustão, tendo sido verificada menor formação de depósitos.
Este trabalho teve como objetivo avaliar o uso de óleo vegetal em diferentes
temperaturas e cargas em um motor estacionário de ciclo diesel.
13
2
REVISÃO DE LITERATURA
2.1. MOTOR CICLO DIESEL
Ainda sendo um universitário, Rudolf Diesel, tinha o sonho de construir um motor que
aproveitasse toda energia produzida pelo combustível. Depois de desenvolver vários projetos e
adquirir experiência com eles, Diesel patenteou suaidéia em 22 de fevereiro de 1893. O motor foi
oficialmente apresentado ao mercado em 1898, com 10 cvde potência. Rapidamente, o motor
ficou conhecido e começou a ser fabricado em toda a Alemanha, tendo as primeiras aplicações
sido feitas em empresas geradoras de energia. Uma das primeiras empresas a produzir motores
diesel foi a Benz e Cia (CARVALHO, 2000).
Historicamente o uso dos óleos vegetais foi superado pelo uso de óleo diesel derivado do
petróleo, seja por fatores técnicos ou econômicos. A partir das sucessivas crises e aumento no
preço do petróleo, principalmente pela instabilidade das grandes regiões produtoras, como
também, as crescentes preocupações ambientais começaram a ser discutidas a substituição dos
combustíveis derivados de petróleo, renovando o interesse de muitos países na utilização de
combustíveis alternativos (CRUZ et al., 2006).
2.2. USO DE ÓLEOS VEGETAIS EM MOTORES DIESEL
Desde os primórdios do motor diesel já é discutida a utilização de óleos vegetais como
combustível, onde o próprio Rudolph Diesel utilizou óleo de amendoim para a demonstração na
exposição em Paris em 1900 (ALTIN et al., 2001).
A alta viscosidade do combustível pode afetar o funcionamento das bombas injetoras de
combustível. O grande obstáculo ao uso de óleos vegetais como combustível é sua alta
viscosidade (MEHER et al., 2006). Assim a redução da viscosidade é uma das maneiras para a
redução dos acúmulos nas paredes do cilindro como também, para a melhora do desempenho do
bico injetor. Um combustível bem atomizado, completamente queimado proporciona um melhor
rendimento térmico e mecânico, e não reduz o desempenho ou danifica qualquer peça do motor.
Segundo Msipa et al. (1983) a atomização do combustível para a formação do jato combustível é
o problema chave no que se refere a utilização de óleos vegetais, visto que é um fenômeno que
influencia o próprio processo de combustão.
14
O ponto de névoa, que corresponde à temperatura de cristalização do óleo, é uma das
propriedades que desfavorece a utilização de óleos vegetais in natura em motores ciclo diesel,
principalmente quando o motor é acionado em condições de baixas temperaturas. De acordo com
Costa Neto et al. (2000), todos os óleos vegetais que já tiveram seu uso em motores diesel
investigados apresentam ponto de névoa superior ao óleo diesel convencional, sendo necessária a
utilização do pré-aquecimento para evitar os efeitos da solidificação parcial dos óleos.
Os óleos combustíveis derivados do petróleo são mais estáveis à temperatura de
destilação, mesmo quando ocorre um excesso de oxigênio no meio. Ao contrário dos óleos
vegetais que devido a sua composição química já sofrem reações de oxidação mesmo na
temperatura ambiente. O aquecimento dos óleos vegetais a temperaturas próximas a 250ºC
promove a decomposição térmica cujo resultado é a formação de polímeros que fazem com que
os níveis de fumaça aumentem, a viscosidade do óleo lubrificante diminua como também a
potência pela queima incompleta de alguns compostos. Esse comportamento, segundo Costa Neto
et al., (2000), não é verificado em compostos metanilisados ou etanolisados (biodiesel).
Observa-se que o óleo vegetal in natura é bem diferente do biodiesel, que deve atender à
especificação estabelecida pela Resolução ANP n° 7/2008. Segundo Hassett e Hasan (1982) a
redução da viscosidade através da formação de um novo produto, ou seja, um éster metílico será
uma solução para alguns dos problemas em motores quando óleos vegetais são usados no lugar
de diesel combustível. Através da reação de transesterificação possibilitou-se a obtenção de
biodiesel e consequentemente com a retirada da glicerina, possibilitando assim a solução desses
problemas (CRUZ et al., 2006).
2.3. ÓLEO VEGETAL
A utilização de óleos vegetais em substituição ao óleo diesel tem sido satisfatória, sendo
as formas mais usuais o biodiesel na forma de óleo vegetal “in natura” (bruta, refinada e
degomada) e mais recentemente na forma de Hbio (Petrobrás, 2007).
Para a Petrobrás (2007), o Hbio é produzido por um sistema que usa matérias-primas de
origem vegetal ou animal e por hidrorefino – o refino com a utilização do hidrogênio – que
produz óleo diesel. O processo acontece dentro de um catalisador que fica em movimento
ininterrupto e os óleos de origem vegetal são adicionados ao diesel tradicional, sendo todo o
15
conjunto bombardeado por moléculas de hidrogênio. A hidrogenação diminui a concentração de
partículas poluentes como o enxofre, e aumenta as que contribuem para a eficiência do produto
como a parafina, que melhora a qualidade da ignição dos veículos.
A utilização de óleos vegetais "in natura" pode ser viável na forma pura, tomando-se
alguns cuidados e realizando algumas adaptações no motor com o intuito de melhorar a injeção
do combustível, ou em mistura com óleo diesel em proporções que deverão ser estudadas
(INOUE, 2008).
Para a utilização de óleos vegetais crus, a elevada viscosidade é o fator limitante, sendo
que, para reduzi-la, BÜTTNER (1994) sugere o pré-aquecimento do combustível. Para tal, podese utilizar o aquecimento elétrico, trocadores de calor óleo combustível/óleo lubrificante, o fluido
de arrefecimento do motor ou os gases de escapamento. Também ISHII e TAKEUCHI (1987)
indicam que, para a operação de motores diesel com óleos vegetais puros ou misturados ao diesel,
estes devem ter a viscosidade reduzida, pois a mesma afeta a qualidade da formação de mistura
ar/ combustível.
A viscosidade é a resistência interna de um fluido ao movimento de uma camada em
relação à outra, e considera o Índice de Viscosidade (IV) como uma forma de expressar esta
variação da viscosidade resultante da mudança de temperatura. Assim, um óleo de alto IV
apresenta menor variação na viscosidade com a alteração da temperatura (BARGUER et al.,
1966).
Moraes (1980) informa que a Viscosidade do Óleo Bruto de Soja é de 34 cSt a 37,8ºC, e
Machado (2003) apresentou a variação de viscosidades de alguns óleos vegetais em função do
aquecimento (Tabela 1).
16
TABELA 1 – Viscosidades de alguns óleos vegetais em função da temperatura.
Viscosidade (CST)
Temperatura
(ºC)
Amendoim
Algodão
Girassol
Colza
Soja
20
81,0
64,9
71,8
71,8
61,5
22
71,7
60,0
60,0
61,0
58,6
30
58,7
44,0
55,0
47,6
44,6
37,8
42,3
38,5
42,0
37,0
35,0
40
42
38,0
39,5
35,0
34,0
50
31,3
28,8
31,0
25,7
24,6
60
23,0
22,5
23,5
22,3
19,0
70
18,0
16,5
17,5
15,7
13,7
80
11,5
10,0
14,0
11,0
9,7
100
8,2
8,4
9,0
10,4
6,0
Fonte: Machado (2003).
Na utilização do óleo vegetal, devem-se verificar fatores relacionados ao combustível e
ao motor. As características do combustível de maior interesse para o bom funcionamento do
motor são: poder calorífico, viscosidade e número de cetano (INOUE, 2008).
Em artigo técnico da revista Elo (2008) com o tema “Qualidade do óleo diesel no
Brasil”, o poder calorífico significa poder ou energia calorífica que um combustível é capaz de
desenvolver durante sua combustão e se expressa por uma unidade chamada caloria, que é a
quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a quantidade de um grama de água.
Combustíveis com poder calorífero inferior ao especificado comprometem o rendimento dos
motores, fazendo com que os mesmos operem com potências aquém das anunciadas pelos
fabricantes.
Em outro artigo da Revista Elo (2008) com o tema “O diesel e o Motor Caterpillar”, a
viscosidade é definida como a medida de resistência do líquido ao fluxo. Para os motores
Caterpillar é recomendada a viscosidade ente 1,4 a 20 centistoke na entrada da bomba injetora.
Quando utilizado em padrões inaceitáveis pode causar o desgaste do trem de engrenagens, eixo
17
de cames e tuchos do conjunto de bombas injetoras, assim como, problemas para injeção e
dificuldade na partida.
2.4. ÓLEO VEGETAL NO BRASIL
O Brasil apresenta vantagens em relação aos países do primeiro mundo, tendo em vista
as grandes áreas agricultáveis, as diversas espécies que podem ser cultivadas ou exploradas de
forma sustentável, além das características climáticas que privilegiam o país.
Em termos de área, o Brasil explora menos de um terço de sua área agricultável, o que
constitui a maior fronteira para expansão agrícola do mundo. O potencial é de cerca de 150
milhões de hectares, sendo 90 milhões referentes às novas fronteiras, e os outros 60 referentes às
terras de pastagens que podem ser convertidas em exploração agrícola em curto prazo (IICA,
2007).
O Brasil é um exemplo mundial no uso de biomassa para geração de energia por conta
da experiência com a implantação do Programa Nacional do Álcool (Proálcool) pelo decreto
76.593 em dezembro de 1975. Também a discussão sobre a utilização de óleos vegetais para a
produção de biodiesel no Brasil vem de longo tempo. Em 1980 foi desenvolvida a primeira
patente brasileira de biodiesel, o probiodiesel, na cidade de Fortaleza/Ceará, a partir de diversos
óleos vegetais.
O consumo nacional de diesel brasileiro é de 37 bilhões de litros ao ano sendo que, do
total, 6 bilhões de litros são adquiridos no exterior. Com relação ao consumo interno, 85% são
destinados ao transporte e 14% para a atividade agrícola e 1% para outras finalidades. O
programa nacional de biodiesel torna-se uma alternativa para todo setor dos produtores de
oleaginosas e, ademais, está solidificando grandes questões sociais (por meio do programa de
agricultura familiar e o programa de reforma agrária). Apesar de que o biodiesel mostra uma
produção interna ainda incipiente, trata-se de uma fonte de energia da biomassa com grande
potencial de expansão nos próximos anos (CNA, 2008).
A utilização do óleo vegetal na forma bruta poderá ter vantagens sociais, ambientais e
econômicas. A fim de atender à produção de óleos vegetais, muitas culturas poderão ser
utilizadas de acordo com as condições regionais, destacando-se aquelas que já são exploradas
comercialmente, como amendoim, soja, milho, dendê, girassol e canola, e outras de caráter
18
regional como mamona, pequi, buriti, inajá, carnaúba, pinhão-manso, entre outras (INOUE,
2008).
Portas e Denucci (2003) afirmam que no Brasil ocorre falta de óleo diesel nas fronteiras
agrícolas, onde muitas máquinas e equipamentos são acionados por motores diesel, desde barcos
na Amazônia a colhedoras no sul, além de ser o grande responsável pelo aumento de custo dos
insumos agrícolas, refletindo no aumento do custo de produção. Seguindo este pensamento,
mesmo com a dificuldade da utilização na forma bruta devido à grande viscosidade do óleo
vegetal, sua utilização pode ter grande importância para regiões isoladas ou que encontram
dificuldades para a aquisição do óleo diesel.
Pelas informações da Eletrobrás (2008), os sistemas isolados atendem a uma área de
45% do território e a cerca de 3% da população nacional, ou seja, aproximadamente 1,3 milhões
de consumidores. Desta forma, pode-se estimar que as propriedades sejam bastante afastadas
entre si e o custo para atender com linhas de transmissão e distribuição é elevado, justificando a
produção de energia nas comunidades ou vilas.
A utilização de óleos vegetais pode ser de grande importância para a geração de energia
por meio de grupos geradores acionados por motores a diesel, principalmente em locais que têm
custo de transporte do combustível elevado devido à distância do local da geração de energia e
das condições dos meios de transporte, como as condições precárias das estradas no período de
chuvas e o baixo nível dos rios no período de seca, dificultando o transporte por barcos. Assim, a
utilização de óleos vegetais “in natura”, localmente produzidos, tornou-se uma alternativa na
medida em que novas tecnologias permitiram sua viabilidade técnica (INOUE, 2008).
2.5. ENSAIOS PARA AVALIAÇÃO E DETERMINAÇÃO DA EMISSÃO DE POLUENTES
A determinação da emissão de poluentes foi feita por Belchior et al. (2004), utilizando
um motor diesel de injeção direta de 6 (seis) cilindros de 5.9 litros e 168 Hp - motor
Cummins 6 BT AA 5.9. A medição das emissões de gases poluentes foi realizada por um
analisador de quatro gases (CO, CO2, HC e NOx). Este analisador determina as concentrações de
HC, CO e CO2 através do método de absorção de infravermelho. As análises das emissões de
NOx foram determinadas através de um detetor químico-luminescente. A medição de opacidade
19
foi realizada através de opacímetro de fluxo total que não mede a massa das partículas emitidas,
apenas uma estimativa dos níveis de emissão mássica.
Das vantagens ambientais no uso energético de óleos vegetais em motores, destacam-se
a ausência de emissão de SO2 (responsável pela chuva ácida), a recuperação de áreas degradadas
pelo reflorestamento com espécies oleaginosas, a contenção da erosão e o balanço de carbono
sequestrado (Fonseca, 1981).
2.6. CONSUMO DE ÓLEO VEGETAL
O consumo horário de combustível segundo Lopes (2003), pode ser expresso como
unidade de volume por unidade de tempo, onde não ocorre relação com a variação de temperatura
do combustível e a potência gerada.
Mazieiro e Corrêa (2004), ao avaliar um motor MWM D229-3, injeção direta, que
acionava um trator Valmet modelo 68, alimentado com óleo diesel durante as 50 primeiras horas
e, depois, exclusivamente com óleo bruto de girassol, verificaram que ocorreu redução de 7,1 a
10,1% na potência da TDP e aumento de 13,9 a 16% no consumo específico.
Schlosser et al. (2007), constataram que o desempenho de um motor alimentado com
óleo de soja cru, aquecido a temperaturas próximas a 68°C, apresentou, sempre, valores médios
de torque e potência superiores àqueles conduzidos a 57°C,sempre com consumo específico
inferior.
Nascimento et al. (1999) relataram a experiência que tiveram ao alimentar um grupo
gerador de 75 kVA (60 kW) com óleo de dendê “in natura”, adaptando um sistema de préaquecimento do óleo e um sistema de alternância de combustível, para permitir a operação com
óleo diesel durante sua partida e seu desligamento. A temperatura média de injeção do óleo foi de
54ºC. Nas primeiras 35 horas de utilização, verificou-se redução da potência máxima de 53 kW,
quando alimentado com diesel, para 49,6 kW, quando alimentado com óleo de dendê. Observouse também aumento de 15 a 20% no consumo específico, dependendo da força aplicada. Os
autores afirmaram ser viável, sob certas condições, a utilização do óleo vegetal “in natura” na
geração de energia elétrica, o que é justificável pela vocação das localidades isoladas.
20
2.7. AQUECIMENTODO ÓLEO VEGETAL PURO
As técnicas frequentemente utilizadas para alimentar um motor diesel com óleo vegetal
em nível de até 100% são o aquecimento e a alternância de combustível. O aquecimento pode ser
feito por meio de sistemas instalados nos reservatórios, utilizando como fonte de calor a
resistência elétrica, cujo sistema é comercializado em alguns países da Europa, ou utilizando os
fluidos do sistema de arrefecimento e dos gases de escape. A alternância de combustível tem por
finalidade lavar as tubulações do sistema de alimentação com óleo diesel para evitar a formação
de gomas no sistema e facilitar a partida a frio. Apesar de que óleos brutos também possam ser
transesterificados, os rendimentos de reação são geralmente reduzidos, devido à presença de
gomas e materiais de outra natureza química no óleo vegetal (KNOTHE et al., 2006).
Outra técnica que tem sido desenvolvida é a alteração da pressão de injeção com
consequente alteração do avanço da injeção. Machado (2003), estudando o efeito do aquecimento
e alteração do avanço da injeção, chegou à conclusão de que o aquecimento é mais eficiente para
melhorar o rendimento do motor.
Em uma pesquisa realizada por Almeida et al., (2002), provou-se que o funcionamento
de um gerador diesel pode ser adaptado para óleo de dendê puro, sendo que o uso de aquecimento
foi fundamental para o funcionamento da instalação.
Para Kaltner (2004), os principais problemas no uso de óleos vegetais nos motores a
diesel são: a dificuldade de partida a frio em razão da elevada viscosidade dos óleos vegetais; a
formação de gomas nos bicos injetores; o desgaste dos componentes da bomba injetora devido à
acidez do óleo; e a formação de depósitos de carvão na câmara de combustão, nos cilindros e nas
válvulas.
Conduzindo um trabalho para a avaliação do potencial de óleo de dendê “in natura”
como combustível, PIMENTEL e BELCHIOR (2002) informaram que, a sua viscosidade é muito
elevada, em temperatura ambiente, para que seja utilizado como combustível sem danos ao
motor. Para atingir um valor de viscosidade próximo ao do diesel convencional, é necessário
aquecer o óleo de dendê a temperaturas próximas dos 85°C, resultando em melhores condições
de operação do motor.
Machado (2003), utilizando um motor MWM modelo 229, com injeção direta e de
quatro tempos, verificou que a viscosidade elevada do óleo de palma resultou em atomização
21
pobre, depósitos de carbono, obstrução de linhas de combustível e dificuldades na partida em
temperaturas baixas. Porém, quando aquecido a 100 °C, apresentou viscosidade mais baixa,
melhor combustão, tendo sido verificada menor formação de depósitos.
Fonseca (2007) utilizou o óleo de dendê substituindo o óleo diesel em um motor
Tramontini, modelo R180, monocilíndrico refrigerado à água e acoplado a um alternador
Kohlbach. Para o aquecimento do óleo de origem vegetal, utilizou duas resistências de 1000W e
um controlador de temperatura com calibração em 85ºC. Concluiu-se que não houve alteração de
potência do motor em nenhuma das cargas aplicadas.
O sistema utilizado por Schlosser et al., (2007), para produzir aquecimento do
combustível e controle das temperaturas, era composto por uma resistência elétrica que podia
atuar numa faixa de 50 até 99°C, em um motor alimentado com óleo de soja cru. Os melhores
resultados foram obtidos pela mistura composta por 70% de óleo de soja e 30% de óleo diesel,
sob temperatura de 68°C pelo óleo de soja puro e pela mistura composta por 10% de óleo de soja
e 90% de óleo diesel a 57°C.
Verifica-se assim a importância do aquecimento do combustível e a técnica de
alternância de combustível para o bom funcionamento do motor, quando alimentado com óleo
vegetal.
A utilização do óleo vegetal na forma bruta poderá ter vantagens em relação ao
biodiesel. Dentre elas, citam-se as facilidades para a produção do combustível, não necessitando
de reagentes, permitindo o aproveitamento das espécies oleaginosas encontradas na propriedade,
além de aproveitar os resíduos para a alimentação de animais ou na forma de adubo orgânico
(INOUE, 2008).
22
3
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi conduzido na Universidade Estadual de Goiás, Unidade Universitária
de Ciências Exatas e Tecnológicas, na área externa do laboratório de Protótipos de Máquinas de
Engenharia Agrícola, em Anápolis, Goiás, nos dias 08 e 09 de novembro de 2011.
3.1. DELINEAMENTO EXPERIMENTAL
O experimento foi conduzido em um Delineamento inteiramente casualizado, no
esquema fatorial 5x5 onde utilizou-se 5 temperaturas do óleo de soja (Temperatura Ambiente
(25ºC), 60ºC, 90ºC, 120ºC, 150ºC), com 5 cargas aplicadas pelo gerador (0, 500, 1000, 1500,
2000 watts) e com 3 repetições por tratamento.
3.2. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS
Foi utilizado óleo vegetal puro de soja adquirido no mercado (Figura 01), o qual passou
por análises a fim de conhecer algumas de suas características físicas.
FIGURA 01 – Óleo de soja utilizado para ensaio do conjunto motogerador.
3.2.1
Propriedades físico-químicas do óleo vegetal utilizado
As propriedades físico-químicas foram determinadas no laboratório de Enzimologia da
Universidade Estadual de Goiás, em Anápolis-GO onde foram feitas as análises, e coletado dados
como: massa específica ρ (g.cm-3) a 20ºC e viscosidade cinemática ν (cP) de 20ºC à 93ºC. A
determinação da massa específica foi calculada conforme Equação 01, utilizando método do
picnômetro sendo a massa aferida por uma balança analítica da marca Tepron, modelo Mark –
23
500 (Figura 02). Para o tratamento dos dados experimentais de viscosidade utilizamos o
programa OriginPro 8.0, do Laboratório de Química da Universidade Estadual de Goiás.
𝑚
(01)
𝜌=
𝑉
Onde,
ρ – Massa especifica (g.cm-3);
m – Massa (g);
V – Volume (cm3).
FIGURA 02 – Balança utilizada no ensaio de determinação da massa específica do óleo.
Para a determinação da viscosidade cinemática utilizou-se um viscosímetro digital, da
marca Brookfield, modelo DV-II + Pro (Figura 03), a faixa de temperatura da análise foi pré
estabelecida de acordo com as especificações recomendadas do fabricante do aparelho.
FIGURA 03 – Viscosímetro digital com chapa aquecedora e béquer utilizado no ensaio.
24
3.3. SISTEMA DE AQUECIMENTO DOS COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS
O sistema para aquecimento dos combustíveis foi fornecido pelo Laboratório de
Protótipos de Máquinas de Engenharia Agrícola e pelo Laboratório de Química da Universidade
Estadual de Goiás, em Anápolis - GO, o qual possibilitou o aquecimento do combustível
utilizado nas análises em diferentes temperaturas.
Para o aquecimento do óleo utilizou-se uma chapa aquecedora da marca Fisatom,
Modelo 752A, para o monitoramento da temperatura utilizou-se um termômetro graduado até
200ºC, e como recipiente armazenador para o óleo utilizou-se um béquer de 1000 ml (Figura 04).
FIGURA 04 – Chapa aquecedora com béquer e termômetro.
Para que a temperatura de funcionamento do motor não influenciasse nos resultados, ao
iniciar o experimento em cada sequência de ensaios, o grupo gerador ficou por aproximadamente
cinco minutos ligado sem carga, dando estabilidade à temperatura do óleo do cárter, segundo as
recomendações do fabricante no manual do proprietário.
3.4. CONJUNTO MOTOGERADOR
Foi utilizado um motogerador de ciclo Diesel com motor mono cilindro, 4 tempos, de 5
hp de potência, com injeção direta, marca BRANCO, modelo BD-2500 CF, como mostrado na
Figura 05, com capacidade nominal de 2,0 KVA.
25
O sistema utilizado para exigir as diferentes demandas de cargas elétricas do motor, foi
constituído de uma plataforma com suporte para 10 lâmpadas de 100W, 200W e 250W, conforme
Figura 06, quando todas estão acessas exigem uma potência de 2000W. O conjunto de lâmpadas
associadas de diferentes formas possibilitou as exigências de diferentes demandas de carga do
motor, sendo elas: 500W, 1000W, 1500W, 2000W e sem carga (desligado).
FIGURA 05 – Motogerador de ciclo diesel modelo BD-2500 CF.
FIGURA 06 – Plataforma utilizada para simulação das cargas.
26
3.5. AVALIAÇÃO DO CONSUMO DE COMBUSTÍVEL
O consumo de combustível foi determinado pela diferença de nível do recipiente
graduado no percurso de cada parcela experimental, calculado conforme a Equação 02 descrita
por Mialhe (1996).
𝐶ℎ =
Onde,
𝑉𝑐𝑥3,6
𝑇
(02)
Ch – Consumo horário (L. h-1);
Vc – Volume consumido (ml);
T – Tempo de uso (s).
Para medir o consumo de combustível o tanque foi isolado do sistema e adaptado uma
bureta graduada de 50 ml. Este suporte foi afixado por um suporte para bureta com garras
metálicas, conectada ao sistema de alimentação do motor por uma mangueira de diâmetro de ¼’’,
conforme a Figura 07.
(a)
(b)
FIGURA 07 – (a) Sistema de alimentação; (b) Sistema de ligação da mangueira de alimentação
do combustível e retorno.
O tempo de consumo um dado volume de combustível foi determinado com o uso de um
cronômetro, onde os limites de contagem foram estabelecidos de 10 ml até 40 ml conforme
mostrado na Figura 08, contabilizando o consumo fixo de 30 ml e marcando-se o tempo gasto em
cada ensaio.
27
FIGURA 08 – Motogerador, cronômetro e bureta com delimitações pré estabelecidas de 10 ml a
40 ml.
3.6. AVALIAÇÃO DA EMISSÃO DE GASES
Os parâmetros avaliados foram os níveis de emissões de monóxido de carbono (CO),
oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio totais
(NOx), formados em função da carga de trabalho e da temperatura da câmara de combustão.
Para a realização do experimento foi utilizado um monitor ambiental de combustão e de
emissão de gases da marca KANE, modelo 940 portátil (Figura 09), acoplado ao sistema de
exaustão do gerador, como mostra a Figura 10, para a melhor avaliação dos gases residuais. O
equipamento permitiu a aquisição dos dados conseguindo analisar simultaneamente cinco
parâmetros (O2, CO, CO2, NOx, SO2) onde foi possível verificar a eficiência de combustão do
motor, como também a emissão dos gases poluentes provenientes da combustão dos diferentes
combustíveis utilizados.
25
FIGURA 09 – Monitor ambiental de combustão e emissão de gases utilizado no ensaio.
FIGURA 10 – Sensor acoplado ao sistema de exaustão do gerador para medição dos gases
residuais.
3.7. ANÁLISE ESTATÍSTICA
Os dados obtidos no experimento foram submetidos à análise de variância pelo teste F, a
1 e 5% de probabilidade pelo pacote estatístico SISVAR 5.0, e quando significativos foram
analisados por meio de análise de regressão, sendo utilizado para a realização das analises
estatísticas o pacote estatístico Statistica 7.0®.
26
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DO ÓLEO VEGETAL
O óleo vegetal apresentou densidade média de 0,891g/cm³ na temperatura de 20ºC.
De acordo com os resultados, verificou-se que com o aumento da temperatura houve
uma redução da viscosidade, sendo que, a partir de 50ºC, a velocidade de redução da viscosidade
diminuiu consideravelmente com o aumento da temperatura, conforme Barguer et al., (1966)
onde afirmaram que, um óleo com alto índice de viscosidade, apresenta menor variação na
viscosidade com a alteração da temperatura.
A Figura 11 mostra a variação da viscosidade em centipoise em função da temperatura e
a Tabela 3, mostra a equação de ajuste e coeficiente de variação dos dados coletados.
FIGURA 11 – Viscosidade cinemática do óleo de soja, em função da faixa de temperatura
analisada.
27
TABELA 2 – Equação de ajuste e coeficiente de determinação dos dados experimentais de
viscosidade em função da faixa de temperatura analisada.
Equação de Ajuste
y = A1'exp(-x/l1) + A2'exp(-x/l2) + y0
Coeficiente de Determinação
0,99945
Parâmetros da Equação de Ajuste
Y0
A1
l1
A2
I2
Valores
24,4533
76,405
34,405
76,405
34,405
Erro Padrão
0,38253 1,47531E+06
-1,47531E+06
-A redução da viscosidade foi devido ao aumento da temperatura ocorrendo devido a
redução da resistência interna ao escoamento do óleo, que por se tratar de um fluído newtoniano,
facilita o escoamento e apresenta menor viscosidade.
Inoue et al. (2008) ao analisarem a viscosidade do óleo vegetal de soja, milho e girassol,
constataram que, a maior redução da viscosidade dos óleos vegetais foi verificada entre 60 e
90ºC, e que quanto maior a temperatura aplicada, menor se torna a variação na redução da
viscosidade.
Verificou-se a necessidade de elevar a temperatura do óleo vegetal a fim de reduzir sua
viscosidade, conforme Büttner (1994) que sugeriu que, para a utilização de óleos vegetais crus,
seria necessário o pré-aquecimento do óleo vegetal, a fim de reduzir sua viscosidade,
característica esta que foi tratada como um fator limitante para a utilização em motores diesel.
4.2. CONSUMO E EMISSÃO DE GASES EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E CARGA
Os resultados da análise de variância para as variáveis relacionadas ao consumo e às
emissões de gases no processo de combustão estão descritos na Tabela 2. As emissões do óleo
vegetal e o consumo quando analisados variando-se a temperatura de injeção do óleo vegetal,
apresentaram efeito significativo em todas as interações da faixa de temperatura analisada.
Quando analisado as emissões em função da carga de demanda do gerador, os resultados
apresentaram-se significativos para as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), probabilidade <
0,0005, óxidos de enxofre (SO2), p < 0,0487, monóxido de carbono (CO), p < 0,00009 e
consumo de combustível (p < 0,00007).
A interação entre a temperatura de injeção do óleo e a carga demandada do sistema foi
significativo para o consumo (p<0,0001).
28
TABELA 3 – Resumo da análise de variância das variáveis expresso pelo quadrado médio:
emissão de oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de
enxofre (SO2), monóxido de carbono (CO) e consumo de combustível.
FV
GL
Temperatura
QM
O2
CO2
NOx
SO2
CO
Consumo
4
23,387*
1,768*
988,72*
43,587*
46379,713*
0,0158*
Carga
4
0,287
0,033
386,753*
13,22*
91125,713*
0,817*
Temp. x Carga
16
0,32
0,02
71,82
5,762
2795,763
0,001*
Resíduo
50
0,573
0,08
64,987
5,133
1512,253
0,0003
Total
74
*Significativo pelo teste F, a 5% de probabilidade.
4.3. EMISSÕES DE GASES
4.3.1 Temperatura de Injeção
As diferentes temperaturas de injeção do óleo vegetal influenciaram nos resultados
obtidos nas emissões de todos os gases analisados. Os resultados podem ser observados na Figura
12, com suas respectivas equações de ajustes na Tabela 4.
Observou que, para o intervalo de dados analisados, com o aumento da temperatura as
emissões de CO reduziram, verificando uma maior eficiência na combustão, tendo em vista que o
CO é produto de combustão incompleta. Os níveis de O2 se elevaram com o aumento da
temperatura.
Os maiores valores de CO, CO2, NOx e SO2, foram encontrados à temperatura ambiente,
segundo Milhor (2002), a concentração de CO no cilindro é alta durante a combustão, porém
durante o tempo de expansão, uma porção é oxidada formando CO2, justificando assim as
maiores porções encontradas em conjunto. Os resultados encontrados para o CO2 mostraram que
os menores índices foram encontrados próximos aos 150ºC, fato este que justifica também
apresentar os menores valores de CO. Os níveis de SO2 apresentaram seu menor índice próximo
aos 90ºC, conforme pode ser verificado na Figura 12.
Os níveis de NOx decresceram na medida em que houve aumento da temperatura, os
menores índices foram encontrados próximos aos 110ºC, voltando a elevar-se aos 150ºC. Pode-se
29
verificar que, a partir de 110ºC, com o aumento da temperatura de injeção do óleo elevou a
oxidação do nitrogênio do ar ambiente que entra na câmara de combustão. Mazieiro et al., (2005),
mostra que, as temperaturas na câmara de combustão atingem valores maiores, o que potencializa
a formação de óxidos de nitrogênio.
45
350
40
300
Emissóes (ppm e %)
250
30
200
25
20
150
Emissão CO (ppm)
35
15
100
10
50
5
0
0
0
30
60
90
120
150
Temperatura (°C)
O2*
O2*
CO2*
CO2*
NOx
NOx
SO2
SO2
CO
CO
*Os valores de O2 e CO2 são expressos em %.
FIGURA 12 – Emissão dos gases em função das diferentes temperaturas de injeção do óleo
vegetal.
30
TABELA 4 – Equações de ajuste dos dados experimentais de emissões de O2, CO2, NOx, SO2 e
CO em função da faixa de temperatura analisada.
Emissão
Equação de ajuste
Coeficiente de determinação
O2
y = 0,022x + 18,36
R² = 0,761
CO2
y = -0,0047x + 1,5286
R² = 0,4557
2
NOx
y = 0,00254x - 0,5672x + 52,565
R² = 0,885
SO2
y = 0,00081x2 - 0,14606x + 14,169
R² = 0,787
CO
y = -1,119x + 322,4
R² = 0,975
4.3.2 Carga de demanda do gerador
As diferentes cargas de demanda do gerador, influenciaram nos resultados obtidos nas
emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de enxofre (SO2) e monóxido de carbono (CO).
Os resultados para a faixa de demanda de carga imposta são expressos na Figura 13, e as
equações de ajustes e coeficientes de determinação são expressos na Tabela 5.
Verificou que, para o intervalo de dados coletados, com o aumento da carga de demanda
do motor as emissões de SO2 foram elevadas. Também foi verificado um aumento nas emissões
de NOx na medida em que se aumentou a carga, sendo estas emissões mais expressivas quando a
demanda exigida foi de aproximadamente 1100 Watts. O monóxido de carbono apresentou queda
nas emissões com a elevação da carga, apresentando menor valor próximo a 1200 Watts, logo em
seguida, as concentrações de CO tiveram novo aumento.
O fato da redução do CO ser verificada com a elevação da carga pode se justificar na
dificuldade de pulverização do óleo vegetal pelos bicos injetores, visto que a maior demanda de
carga exigiu um maior consumo do combustível e pela dificuldade encontrada na pulverização do
óleo vegetal acarretou na redução da eficiência de combustão. Silva et al., (2003), também
verificaram fato parecido ao realizarem um experimento utilizando biodiesel, onde afirmaram ter
ocorrido queda na eficiência de combustão devido a dificuldade de pulverização do combustível
na câmara de combustão devido a sua viscosidade.
O fato de o NOx apresentar menores concentrações à temperatura ambiente, não justifica
sua utilização nesta temperatura, visto que a viscosidade do óleo a esta temperatura é muito
elevada, podendo gerar danos ao motor, fato constado por Pimentel e Belchior (2002), onde ao
conduzirem um trabalho para avaliação do potencial de óleo de dendê “in natura” como
31
combustível, afirmaram que a utilização do óleo vegetal em temperatura ambiente, provoca danos
ao motor, devido a alta viscosidade verificada a esta temperatura.
Mazieiro et al., (2007), também relataram ao alimentar um motor com óleo bruto de
girassol, que a alta viscosidade do óleo dificulta a pulverização dos bicos injetores, propiciando
queima do combustível e, consequentemente, formando depósitos nos bicos e cabeçotes, que
levam à redução no desempenho e na durabilidade do motor.
35
400
300
Emissóes (ppm)
25
250
20
200
Emissão CO (ppm)
350
30
15
150
10
100
5
50
0
0
0
500
1000
1500
2000
Carga (watts)
NOx
NOx
SO2
SO2
CO
CO
FIGURA 13 – Emissão dos gases em função das diferentes cargas demandada pelo motor.
32
TABELA 5 – Equações de ajuste dos dados experimentais de emissões de NOx, SO2 e CO em
função da carga demandada ao sistema.
Emissão
Equação de ajuste
Coeficiente de determinação
NOx
y = -0,00001x2 + 0,0216x + 20,11
R² = 0,916
SO2
y = 0,00108x + 8,08
R² = 0,827
CO
2
y = 0,00013x - 0,31117x + 337,13
R² = 0,864
4.4. CONSUMO HORÁRIO DE COMBUSTÍVEL
A Tabela 6 apresenta os resultados obtidos para o consumo de combustível, variando-se
a carga demandada no gerador e a temperatura de injeção do óleo vegetal.
No consumo horário, verificou-se que houve interação entre a carga demandada e a
temperatura de injeção, significativa ao nível de 5%, pelo teste F. Sendo assim, observou-se que o
aumento da carga demandada e a elevação da temperatura de injeção proporcionaram um
aumento no consumo horário. Pode-se verificar na Figura 14 que a diferença ocorreu na ordem
crescente dos dados analisados.
TABELA 6 – Média do consumo em litros por hora (l/h) do óleo vegetal, em função das
diferentes demandas de carga para a faixa de temperatura analisada.
Carga
0W
500 W
1000 W
1500 W
2000 W
Temperatura Ambiente (25ºC) 0,321
0,387
0,493
0,623
0,817
60ºC
0,331
0,411
0,528
0,708
0,934
90ºC
0,342
0,432
0,555
0,701
0,959
120ºC
0,349
0,433
0,567
0,716
0,964
150ºC
0,349
0,432
0,564
0,713
0,956
A Figura 14 mostra a variação do consumo de combustível, em função das diferentes
cargas aplicadas, quando para as diferentes temperaturas de injeção do óleo vegetal.
33
FIGURA 14 – Consumo horário de combustível em função da carga demandada e temperatura de
injeção do óleo vegetal.
TABELA – 7. Equação de ajuste e coeficiente de determinação dos dados experimentais de
consumo em função da faixa de temperatura analisada e demanda de carga utilizada.
Equação de Ajuste
C = 0,0003 W + 0,0005 T + 0,2459
2
R ; probabilidade.
0,9286; 0,0813
Os resultados apresentaram que, para cada faixa de temperatura analisada, a cada
aumento de 500 Watts na demanda de carga, o consumo elevou-se em média de 29%, sendo que
os maiores resultados de consumo ocorreram quando a demanda foi de 2000 Watts, onde
apresentou cerca de 174% de elevação no consumo, quando comparado ao consumo do gerador
trabalhando sem carga (0 Watts).
O aumento do consumo de combustível está relacionado ao acréscimo na demanda de
carga, ocasionando um maior consumo com o aumento da carga. Dados semelhantes foram
encontrados por Nascimento et al. (1999), que ao alimentar um grupo gerador de 75 kVA (60
kW) com óleo de dendê “in natura”, adaptando um sistema de pré-aquecimento do óleo e um
34
sistema de alternância de combustível, observou um aumento de 15 a 20% no consumo
específico, dependendo da força aplicada.
Quando analisado o acréscimo de temperatura de injeção do óleo, verificou-se que para
cada faixa de carga analisada, a maior variação no acréscimo de consumo entre uma temperatura
e a próxima utilizada, foi encontrada na mudança do óleo na temperatura ambiente (25ºC) para
60ºC, sendo esta variação em média 9%, conforme verificado na Tabela 6, diferença que foi se
amenizando a medida que se aumentava a temperatura. Os maiores níveis de consumo ocorreram
a uma temperatura de 120ºC, onde houve cerca de 15% de elevação no consumo quando
comparado ao consumo do óleo a temperatura ambiente, vindo a reduzir cerca de 1% a 150ºC.
Quando o consumo específico foi relacionado com a faixa de temperatura analisada, o
fato do aumento no consumo se dá pela redução da viscosidade do óleo quando eleva-se a
temperatura. Com o aumento da temperatura, diminui-se a viscosidade do óleo, proporcionando
assim maior facilidade de pulverização dos bicos injetores do motor, conforme verificado por
Soares et al., (2001) que, ao avaliarem o desempenho de um motor diesel alimentado com óleo de
dendê, verificaram que a viscosidade, afetou a qualidade da pulverização do combustível pelos
bicos injetores e, quando aquecido a 55ºC, ocorreu acréscimo de 15% no consumo. Entretanto,
quando o óleo foi aquecido a 80º e 100º C, o consumo decresceu e foi semelhante ao consumo do
diesel, condição que proporcionou problemas de vedação interna para os bicos injetores,
ocasionados, possivelmente, pela oxidação do óleo e formação de gomas, ou pela danificação do
filtro de combustível, quando aquecido a 100ºC.
Verificou-se que, o maior nível de consumo ocorreu com demanda de 2000 Watts, a
uma temperatura de 120ºC.
35
5
CONCLUSÃO
Com o aumento da temperatura do óleo vegetal houve uma redução na viscosidade.
Para o intervalo de dados analisados, o aumento na temperatura de injeção proporcionou
uma redução nas emissões de CO e um aumento nas emissões de O2.
Os maiores valores de CO, CO2, NOx e SO2, foram encontrados à temperatura ambiente.
Os menores índices de CO2 são encontrados próximos aos 150ºC.
Os níveis de SO2 apresentaram seu menor índice aos 90,16ºC.
Os menores índices de NOx são encontrados aos 111,66ºC.
Com o aumento da carga de demanda do motor as emissões de SO2 e NOx foram
elevadas e de CO foram reduzidas.
Os maiores índices de NOx são encontrados com uma demanda de 1082 Watts.
Os menores índices de CO são encontrados com uma demanda de 1196,81 Watts.
O aumento da carga demandada e a elevação da temperatura de injeção proporcionaram
um aumento no consumo horário.
Para cada faixa de temperatura, a cada aumento de 500 Watts na demanda de carga, o
consumo elevou-se em média 29%.
Os maiores valores de consumo foram encontrados a uma demanda de 2000 Watts,
sendo este aumento de 174% quando comparado com gerador trabalhando sem carga (0 Watts).
A mudança da temperatura ambiente (25ºC) para 60ºC, apresentou a maior variação no
acréscimo de consumo, sendo esta variação de 9%.
O maior consumo de combustível foi com demanda de 2000 Watts a uma temperatura de
120ºC.
36
6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AGÊNCIA NACIONAL DE PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS (ANP) SUPERINTENDÊNCIA DE REFINO E PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL – SRP.
Boletim Mensal De Biodiesel. Julho de 2011.
ALMEIDA, S.C.A.; BELCHIOR, C.R.; Nascimento, M.V.G.; Vieira, L.S.R; Fleury, G.
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diesel engines. Energy Conversion and Management, Amsterdam, 42, p. 529, 2001.
BARGUER, E.L.; LILJEDAHL, J.B.; CARLETON, W.M.; MCKIBBEN, E.G. Tratores e seus
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