ANÁLISE DA ENERGIA NA DESCARGA POR BARREIRA DIELÉTRICA EM GÁS
METANO
Janilo Pereira Saraiva*, Lucas Gurgel Praxedes*, Wilfredo Irrzabal Urruchi, Marcos Massi.
Departamento de Física - ITA - CTA
* Bolsista do CNPq – PIBIC
Resumo
Neste trabalho, estudamos a energia envolvida na reação de transformação de gás metano (CH4) em
gás hidrogênio (H2) através do processo de descarga por barreira dielétrica. O experimento foi
realizado submetendo um reator coaxial de DBD a um fluxo constante de gás próximo da pressão
atmosférica. O fluxo de gás e a voltagem são os parâmetros controlados, a partir dos quais
analisamos a potência consumida na descarga no reator por ciclo através do método de Manley,
onde, através da área da figura de Lissajous carga-corrente de um ciclo fechado, podemos calcular a
potência média consumida no ciclo.
Abstract
In this work we studied the involved energy in the transformation reaction of methane gas into
hydrogen gas trough the dielectric-barrier discharge process. The experiment was made applying in a
coaxial DBD reactor a constant flow of gas, at atmospheric pressure. The flow and the electric
voltage are the controlled parameters, from which we analyze the discharge power consumed in the
reactor per cycle by the Manley’s method that, through the charge/voltage Lissajous figures area of a
closed loop, gives us the average power consumed in the cycle.
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1. INTRODUÇÃO
No futuro, o gás hidrogênio deve exercer um importante papel no suprimento mundial de
energia. Isso permite uma utilização mais eficiente de combustíveis fósseis e a redução da emissão de
gases nocivos à saúde humana, por exemplo, com células combustíveis de hidrogênio ou o uso de
combustíveis enriquecidos com hidrogênio em motores de combustão e turbinas a gás. Entretanto,
devido às baixas concentrações de gás hidrogênio na atmosfera terrestre, este gás não pode ser
aproveitado para esses fins, sendo necessário encontrar métodos para a síntese desse composto. Um
processo amplamente utilizado pelas indústrias para obter hidrogênio é o reforming do gás metano,
reagindo o gás metano com vapor de água, obtendo como produtos monóxido de carbono e o
hidrogênio. Este processo vem sendo aproveitado pela indústria para, por exemplo, a produção de
compostos químicos, a hidrogenização em refinarias de óleo e no processo de redução na produção de
aço. Porém esses métodos se apresentaram inviáveis apara atender aos novos usos do hidrogênio,
como combustível em células combustíveis. Motores de combustão e turbinas a gás. Espera-se que
métodos com tecnologias de plasmas permitam a geração de hidrogênio em um local específico a
baixas temperaturas. Processos baseados em plasmas têm um tempo de resposta rápido, com um
rápido tempo para produção e baixo índice de contaminação de impurezas. A descarga em barreira
dielétrica (DBD) já tem provado sua aplicação para a conversão de processos gasosos, como a
produção de ozônio. Algumas recentes publicações discutem a influência da DBD em gás metano puro
e misturas de metano com ar, oxigênio e dióxido de carbono, e objetivam principalmente a produção
de metanol ou cadeias de hidrocarbonetos maiores. Na produção de hidrogênio, apenas novas
pesquisas poderão indicar saídas para os problemas até então encontrados.
Para a utilização de DBD em gás metano como método para produção de hidrogênio, é
necessário um estudo energético do processo como um todo, a fim de descobrir sua viabilidade
econômica e operacional. A determinação experimental da potência consumida na descarga por
barreira dielétrica mostra-se complicada porque a potência é consumida em um grande número de
microdescargas com duração em um curto intervalo de tempo. Seguindo o trabalho original de
Manley, muitos autores têm utilizado as figuras de Lissajous formadas por superposição entre a
voltagem e a carga para determinar a potência média na descarga. A idéia é utilizar uma corrente
integrada no tempo, referente à carga, ao invés de utilizar os picos de corrente das microdescargas
individualmente. Isso pode ser feito utilizando um capacitor em série ao experimento de descarga.
Pode-se ser rigorosamente mostrado que a área de um ciclo fechado de um gráfico de voltagem em
função da carga corresponde à energia consumida durante um período deste ciclo.
A forma desta figura de Lissajous obtida contém informações importantes sobre a descarga.
Para um circuito de capacitância pura, a figura de Lissajous resulta em uma linha reta; a adição de uma
resistência resulta em uma elipse. Na maioria das aplicações de descargas por barreiras dielétricas
(geradores de ozônio, lâmpadas de descarga), a figura assemelha-se a um paralelogramo ideal, de onde
a voltagem de descarga, a capacitância efetiva do intervalo de descarga e o dielétrico podem ser
obtidos.
Fig. 1. Representação simbólica da atividade de microdescargas e a figura de Lissajous
correspondente à superposição entre voltagem e carga.
2. DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL
Para a realização deste experimento para a análise energética da descarga, foram necessários
os seguintes materiais:
- gerador de tensão variável na freqüência de 60 Hz;
- transformador 220V-800V;
- voltímetro e amperímetro;
- controlador de fluxo de gás;
- osciloscópio de dois canais;
- ponta amplificadora (x 1000) para osciloscópio;
- capacitor de 0,47 μF;
- tubo de descarga.
O circuito montado para a obtenção de dados está representado na figura 2. Inicialmente,
ligamos o gerador de tensão variável na corrente alternada do laboratório, de onde obtemos uma saída
regulável. Para o controle da tensão fornecida, utilizamos um multímetro, associado paralelamente ao
circuito, para exercer a função de voltímetro. Também ligamos, em série, outro multímetro, que exerce
a função de amperímetro no circuito, a fim de medir a corrente que passa pelo circuito.
Fig. 2. Esquematização do circuito montado, com seus componentes indicados.
Em seguida, a tensão que sai do gerador passa por um transformador, onde é ampliada para
uma tensão de saída de 8000 V, sob a qual estará submetido o tubo de descarga, devidamente aterrado,
conforme representado na figura 3. O tubo de descarga consta de uma entrada e uma saída de fluxo de
gás, devidamente controlada por um medidor de fluxo. O tubo de descarga em questão faz com que o
gás percorra a região localizada entre um dos eletrodos e a barreira dielétrica, no nosso caso, o vidro.
Essa região é o intervalo de descarga, onde acontecerão as microdescargas que provocarão as reações
de produção do gás hidrogênio.
Fig. 3. Esquematização do tubo de descarga por barreira dielétrica.
Para a obtenção das figuras de Lissajous carga-voltagem de cada descarga, utilizamos um
osciloscópio de dois canais, fazendo a superposição entre eles. Para que a figura caiba na tela do
osciloscópio, diferentes fatores de amplificação foram introduzidos, sendo levados em conta no
cálculo da potência consumida. Assim como foi representado na figura 2, um destes canais mede a
carga que passa pelo capacitor, enquanto o outro a voltagem da descarga, acoplando os dois sinais
temporais no osciloscópio.
Para cada valor de tensão e fluxo de gás metano, foi obtida uma imagem da figura de
Lissajous obtida na tela do osciloscópio. Daí, para obtermos a potência consumida na descarga,
utiliza-se meios computacionais de digitalização de imagem. Através do programa DigitalizeIt©,
obtém-se os valores de alguns pontos constituintes da figura, plotando-os, em seguida, no programa
Origin®, de onde, através da função “Integrate”, resulta o valor da área correspondente ao interior da
figura em questão. Foi feito este processo de digitalização e cálculo de área para cada valor de
voltagem aplicada e fluxo de gás, de onde se tem a potência associada a cada ciclo de descarga.
3. RESULTADOS
Para as figuras de Lissajous mostradas na tela do osciloscópio, obtivemos um aumento de área
interna da figura para o aumento da voltagem aplicada na descarga, como é mostrada na figura 4.
Fig. 4. Imagens mostradas na tela do osciloscópio, indicando o aumento da área da figura de Lissajous
obtida.
Calculadas as áreas de acordo com o método descrito anteriormente, efetuando as conversões
de unidades tomando em conta as amplificações dos sinais na entrada e calculando a potência para
uma capacitância de 0,47 μF e uma freqüência de 60 Hz, obtivemos o seguinte gráfico para diferentes
fluxos de CH4.
Fig. 5. Gráfico da potência consumida na descarga para um ciclo para diferentes valores de voltagem
aplicada.
4. CONCLUSÕES
A partir dos dados obtidos deste trabalho, análise energética nos levou à conclusão que para um fluxo
fixo de gás metano ocorre um aumento na potência consumida nas descargas à medida que
aumentamos a voltagem aplicada na descarga, o que já era de se esperar, pois a potência de um
circuito é proporcional à voltagem aplicada neste. Tal informação pode ser comprovada pelo aumento
da área da figura de Lissajous à medida que se aumenta a tensão aplicada, o que implica em um
aumento da potência, de acordo com o método de Manley. Outra afirmação obtida é que, para uma
determinada voltagem fixa, à medida que o fluxo do gás diminui ocorre um aumento na potência
consumida, o que pode ser observado do gráfico traçado para diferentes fluxos. Para o menor fluxo
aplicado, de 0,50 l/min, a diferença é ainda maior comparada aos outros fluxos, onde os pontos
seguem este padrão de aumento da potência consumida com a diminuição do fluxo, porém com
proximidade entre eles.
AGRADECIMENTOS
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Ao CNPq, por ter dado suporte financeiro a este trabalho;
A toda equipe do Laboratório de Plasma do Departamento de Física do ITA;
Ao Prof. Dr. Marcos Massi, PIBIC – ITA e co-orientador deste trabalho;
Ao Prof. Dr. Dr. Wilfredo Irrzabal Urruchi, orientador deste trabalho, pelo acompanhamento
contínuo e dedicação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. KOGELSCHATZ, U.; “Dielectric-barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and
Industrial Applications”, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 23, No. 1, March
2003.
2. NASSER, Essam (1971). Fundamentals os Gaseous Ionization and Plasma Electronics. Nova
Iorque: John Wiley & Sons, Inc.
3. GOLANT, Viktor Evgen’evich (1977). Fundamentals of Plasma Physics. Nova Iorque: John
Wiley & Sons, Inc.