Trabalho Combustíveis - Herlon de Faveri Linemburg
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO DE ENGENHARIA DA MOBILIDADE – CEM
DISCIPLINA – MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
PROFESSOR: JEFERSON DALLMANN
COMBUSTÍVEIS
ALUNO:
HERLON DE FAVERI LINEMBURG
JOINVILLE 19 DE DEZEMBRO DE 2012
1- Introdução
O termo combustível geralmente está associado à geração de energia térmica.
Por definição, combustíveis são substâncias que quando combinados quimicamente com
outras (comburente), reagem exotermicamente, ou seja, liberando energia. O
funcionamento de muitos sistemas (meios de transporte, usinas de geração de energia e
etc.) depende dos combustíveis, pois estes são a principal fonte fornecedora de energia
para o processo.
São largamente utilizados devido à simplicidade no processo de combustão,
pois com apenas uma “perturbação” (faísca, chama, alta temperatura, alta pressão e etc.)
na mistura combustível/comburente, tem-se a liberação de energia.
2- Tipos de Combustíveis
Pode-se classificar os tipos de combustíveis de acordo com seu estado físico, e
fonte de obtenção. Essa classificação pode ser vista na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação de Combustíveis
Combustíveis Fósseis Biologicos (Não-Fósseis)
Sólidos Carvão Mineral Biomassa
Gasolina Álcool
Líquidos Óleo Diesel Óleos Vegetais
Óleo Combustível Biodiesel
Querosene
Gasosos Gás Liquefeito de Petróleo GLP) Biogás
Gás Natural Hidrogênio
2.1- Combustíveis Sólidos
2.1.1 - Fósseis
2.1.1.1 - Carvão Mineral
Os carvões são um agregado de material orgânico sólido combustível, e foram
originados a partir de uma massa vegetal depositada em ambientes úmidos e
subaquosos. Com o passar do tempo, sofre transformações graduais que o levam para
estágios de turfa, linhito, hulha (betuminoso) e antracito, os quais são diferenciados pelo
teor de carbono que possuem. A diferença visual destes pode ser vista na Figura 1. Esse
processo de carbonificação só é possível devido ao enclausuramento que este material
tem com o ambiente, ou seja, está protegido da ação do oxigênio do ar. A extração do
carvão da natureza é feita através da mineração.
Figura 1 - Os tipos de Carvão
A turfa é a massa vegetal menos transformada, constituída na maior parte de
material vegetal não carbonificado, fato que resulta num aspecto esponjoso. O linhito é
mais sólido, de cor parda ou negra que conserva apenas a estrutura lenhosa. A hulha é
um carvão rico em betume, é mais denso e fosco. O antracito representa o último
estágio de carbonificação, é o mais duro, denso e de cor negra. Algumas propriedades
de cada estágio do carvão são representados na Tabela 2.
Tabela 2 – Propriedades dos tipos de Carvão
Geralmente o uso do carvão se dá quase que exclusivamente em indústrias e
usinas termoelétricas de geração de energia. Na época da revolução industrial, por volta
de 1700, era o principal combustível das máquinas a vapor, sendo depois substituído
pelos derivados do petróleo.
2.1.2- Biológicos (Não fósseis)
2.1.2.1 - Biomassa
A biomassa é a matéria orgânica da terra, abrange todas as formas de plantas e
derivados que podem ser convertidos em energia. Por exemplo, madeira, grãos, talos,
óleos vegetais e etc. É possível de se obter energia através da biomassa por diferentes
processos, um deles é a queima direta para produzir energia térmica e elétrica. Outra
forma de utilização é através de processamento da biomassa para produção de
combustíveis. Este processamento pode ser realizado através de processos químicos,
como a gaseificação, ou através de processos biotecnológicos, como a fermentação.
Os combustíveis classificados como biomassa sólida mais utilizados são
provenientes da madeira, como por exemplo, lenha (carvão vegetal), serragem e cavaco,
além destes pode-se citar também o bagaço de cana, que devido a grande produção de
açúcar e álcool no Brasil, é muito utilizado. Há muitas vantagens em se utilizar a
biomassa como fonte de energia, por exemplo, as reduzidas emissões de poluentes
devido ao baixo teor de enxofre e a reduzida quantidade de cinzas provenientes da
queima. Apesar do bom comportamento ecológico, a biomassa possui baixo teor de
carbono (se comparado com outros combustíveis fósseis) e grande quantidade de
oxigênio, o que resulta num menor poder calorífico (em torno de 3500 kcal/kg)
Figura 2 – Serragem de Madeira Figura 3 – Cavaco de Madeira
2.2 – Combustíveis Líquidos
2.2.1 – Fósseis
2.2.1.1 - Gasolina
A gasolina é um dos combustíveis mais consumidos no transporte rodoviário
juntamente com o diesel e o álcool. Está em uso a mais de um século, fato que permitiu
grande avanço na obtenção e distribuição deste combustível pelo mundo.
É um combustível formado basicamente por hidrocarbonetos, produtos
oxigenados, compostos de enxofre, compostos de nitrogênio e compostos metálicos.
Possui densidade energética relativamente alta, sendo adequada para o uso em motores
que trabalham de acordo com o ciclo Otto. Existem, no Brasil, três tipos de gasolina,
Gasolina Comum, Gasolina Aditivada e Gasolina Premium. O que difere cada uma
destas gasolinas é basicamente a octanagem, presença de aditivos
(detergentes/dispersantes), corantes e teor de enxofre.
2.2.1.2 - Óleo Diesel
O óleo diesel é um combustível utilizado largamente no transporte rodoviário,
principalmente por veículos utilitários e caminhões e é a principal fonte de energia nos
meios de transporte navais. O processo de combustão em um motor diesel envolve tanto
processos físicos como processos químicos. Dentre os processos físicos estão o
transporte do ar e do combustível para a câmara de combustão, geração da mistura
ar/combustível e criação de condições favoráveis para a reação química. Dentre os
processos químicos estão a auto-ignição do combustível e a reação química de liberação
de energia. Tendo em vista as características da combustão do óleo diesel, o motor
destes precisa ser mais robusto devido às altas pressões necessárias para a auto-ignição,
por isso ele é mais utilizado em veículos pesados.
O óleo diesel possui emissões de CO e hidrocarbonetos relativamente baixas,
mas, em compensação, possui altas emissões de NOx e particulados. Existem vários
tipos de óleo diesel, dentre eles pode-se citar o Tipo A, Tipo B, Tipo C e Tipo D, os
quais diferem um do outro principalmente pelo teor de enxofre e ponto de fulgor. A
tabela 3 mostra uma comparação de características entre os tipos de diesel.
Tabela 3 – Especificações dos Óleos Diesel
2.2.1.3 - Óleo Combustível
Geralmente são frações residuais pesadas do petróleo obtidas em vários
processos de refinação, mas existem óleos combustíveis mais leves obtidos como
destilados. Os hidrocarbonetos presentes nesses óleos são de elevado peso molecular e a
composição final dos óleos combustíveis depende das características e do tipo de
processamento do petróleo e das misturas realizadas. Alguns aditivos também podem
ser adicionados visando melhor estabilidade química do produto.
O óleo combustível é utilizado em diversos equipamentos destinados à geração
de energia ou calor, por isso é de uso bastante comum em países frios onde muitas casas
possuem sistema de aquecimento. A maior parcela dos óleos combustíveis é destinada
para uso industrial, principalmente em caldeiras, aquecedores, fornos, secadores e etc. A
Tabela 4 ilustra algumas características de alguns tipos de óleos combustíveis.
Tabela 4 – Propriedades dos Óleos Combustíveis
2.2.1.4 - Querosene
O querosene, também conhecida como óleo de parafina, é um combustível
resultante da destilação fracionada do petróleo e é o produto intermediário entre a
gasolina e o óleo diesel. É uma combinação complexa de hidrocarbonetos contendo de
12 a 15 átomos de carbono por molécula. Possui um excelente poder de solvência e uma
taxa de evaporação lenta, além de conferir certa segurança de manuseamento devido ao
se ponto de inflamação.
É largamente utilizado como combustível de aviação, também podendo servir de
fonte de energia de para iluminação e aquecimento doméstico. Está presente também na
composição de solventes industriais.
2.2.2 – Biológicos (Não fósseis)
2.2.2.1 – Álcool
O álcool etílico foi utilizado como combustível rodoviário no Brasil no final da
década de 70 foi uma solução do projeto Proálcool para o aumento excessivo do preço
da gasolina, no qual o governo incentivou a produção deste combustível.
O álcool etílico é obtido de biomassa, normalmente de plantas ricas em glicose,
devido a esse fato, ele é considerado um combustível ecologicamente correto, pois é
obtido de fontes renováveis de energia.
Esse combustível pode ser utilizado para alimentar tanto motores do ciclo Otto
como do ciclo Diesel. Além de servir como uma combinação com a gasolina, tanto
como combustível como aditivo antidetonante.
Existem dois tipos de álcool fabricados no Brasil, o álcool anidro – usado
geralmente como aditivo oxigenante da gasolina – e o álcool hidratado – usado como
combustível em veículos de passeio e comerciais leves. A Tabela 5 apresenta uma
comparação de propriedades entre os dois tipos de álcool.
Tabela 5 – Características dos Álcoois Anidro (AEAC) e Hidratado(AEHC)
2.2.2.2 – Óleo Vegetal
O óleo vegetal é uma gordura extraída, na maioria dos casos, de sementes de
plantas e é formada por triglicerídeos, outras partes das plantas também podem ser
utilizadas para fornecer esta gordura.
Este é um combustível alternativo para motores diesel ou para sistemas de
aquecimento à queima de óleo. Caso utilize-se óleo vegetal para alimentar motores
diesel, deve-se tomar o cuidado no controle da viscosidade do óleo, pois para que se
tenha uma injeção de combustível de qualidade na câmara de combustão, e assim,
permitindo que ocorra reações químicas efetivas, a viscosidade deste óleo precisa ser
reduzida, caso contrário, a combustão será incompleta e os resíduos de carbono poderão
danificar o motor.
Algumas vantagens relacionadas aos óleos vegetais podem ser citadas:
1- Menor produção de fuligem
2- Ausência de enxofre
3- Melhor lubrificação interna do motor
4- Proveniente de fontes renováveis (Ambientalmente correto)
Utiliza-se este óleo também como aditivo para o diesel de origem fóssil, com
taxas de adição de aproximadamente 10%, devido às melhoras na lubrificação
amenizando o desgaste interno das peças. A Tabela 6 ilustra algumas
propriedades e características do óleo vegetal extraído da mamona.
Tabela 6 – Propriedades e Características do Óleo de Mamona
2.2.2.3 – Biodiesel
O biodiesel é baseado em óleo vegetal ou gordura animal, trata-se basicamente
de um óleo diesel obtido de maneira ecologicamente correta e que não prejudica o meio
ambiente. É um combustível renovável e biodegradável, obtido geralmente da reação de
lipídios, óleos ou gorduras de origem animal ou vegetal, com um álcool e a reação é
feita com o auxílio de um catalisador.
Esse combustível tem como objetivo de fabricação alimentar motores diesel
padrão, pode ser utilizado puro ou misturado nas devidas proporções com o óleo diesel
fóssil, por isso substitui total ou parcialmente o óleo diesel.
As vantagens associadas ao biodiesel são:
1- Fonte renovável de energia
2- Matéria prima de fácil obtenção (plantas oleaginosas)
3- Segurança no manuseio e armazenamento devido ao alto ponto de
fulgor
4- Baixo teor de enxofre
5- Nenhuma modificação é necessária nos motores Diesel para operar
com misturas de biodiesel com diesel de até 20%
Apesar das inúmeras vantagens, o biodiesel possui sérias desvantagens:
1- Grande quantidade de glicerina como subproduto da produção de
biodiesel
2- A queima parcial da glicerina gera acroeína, que é suspeito de ser
cancerígeno
3- Fazendas de soja e dendê, cujos óleos são utilizados para fazer
biodiesel, estão invadindo florestas tropicais
4- A produção intensiva de matéria prima de origem vegetal esgota a
capacidade do solo
5- Possível aumento nos preços dos alimentos
A tabela 7 ilustra algumas propriedades do biodiesel obtido a partir do cupuaçu.
Tabela 7 – Propriedades do Biodiesel obtido a partir de Cupuaçu
2.3 – Combustíveis Gasosos
2.3.1 – Fósseis
2.3.1.1 – GLP (Gás Liquefeito de Petróleo)
O GLP é uma mistura predominante de propano e butano e é constituído por
hidrocarbonetos que são produzidos no início da destilação do petróleo ou durante o
processamento do gás natural. O GLP obtido a partir do gás natural não possui
hidrocarbonetos insaturados e o GLP obtido a partir do refino do petróleo, esses
hidrocarbonetos podem aparecer em quantidades variáveis.
Esse combustível possui compostos sulfurosos, os quais são bastante
indesejáveis, pois propiciam uma característica corrosiva ao gás. Por essa razão,
submete-se o produto a tratamentos em unidades especiais.
Os hidrocarbonetos predominantes no GLP são gasosos a temperatura e pressão
ambiente, mas liquefazem-se quando pressões relativamente baixas são aplicadas,
possibilitando a armazenagem em pequenos volumes, facilitando os trabalhos de
transporte e manuseio.
Utiliza-se o GLP amplamente em aquecimento doméstico e como combustível
industrial, tem a vantagem de ter um alto poder calorífico (da ordem de 11000kcal/kg)
em relação aos combustíveis sólidos.
É um combustível alternativo para motores do ciclo Otto, embora no Brasil seja
pouco utilizado para o fim de transporte rodoviário, na Holanda é o responsável por
12% da energia usada em veículos de passeio. O GLP tem alto índice de octanagem, o
que possibilita que motores alimentados com esse combustível tenham maiores taxas de
compressão que os motores alimentados com gasolina, e assim possuem maiores
eficiências energéticas. A tabela 8 mostra algumas propriedades dos principais gases
constituintes do GLP, o propano e o butano.
Tabela 8 – Propriedades do Butano e Propano
2.3.1.2 – Gás Natural
O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos gasosos contendo
principalmente metano, é o menos poluente entre os combustíveis fósseis e é geralmente
encontrado na natureza em reservatórios profundos no subsolo, associado ou não ao
petróleo.
Como os demais combustíveis fósseis, o gás natural tem origem na degradação
da matéria orgânica. Não é uma fonte de energia renovável, pois tende a se esgotar.
Geralmente encontra-se o gás natural associado ao petróleo em proporções
variáveis, quando a proporção de petróleo é maior, devido ao interesse nesse produto, o
que define a exploração da jazida é a produção de petróleo, muitas vezes, por segurança,
queima-se o gás natural para exploração apenas de petróleo. Nos casos em que o gás
natural eh predominante, o seu aproveitamento econômico é condição principal de
exploração da jazida e desenvolvimento da produção.
O gás natural obtido diretamente da jazida é conhecido como gás natural úmido,
pois contém suspensão de pequenas quantidades de contaminantes, necessitando um
tratamento deste material através da sua passagem por um processo denominado
secagem do gás natural.
Devido à facilidade de manuseio e efeito ambiental amenizado da sua queima, o
uso deste combustível em substituição aos demais vem crescendo. Os principais
empregos do gás natural são a geração de energia elétrica, uso em áreas urbanas e
alimentação de motores de automóveis. A Tabela 9 mostra algumas propriedades do gás
natural.
Tabela 9 – Propriedades do Gás Natural
2.3.2 – Biológicos (Não fósseis)
2.3.2.1 – Biogás
É uma mistura gasosa de dióxido de carbono e metano produzida de forma
natural em meio anaeróbico pela ação de bactérias em matéria orgânica. O biogás é
considerado um combustível renovável, que possui um conteúdo energético muito
elevado, assemelhando-se ao gás natural neste quesito.
O metano é o principal constituinte deste combustível, que é composto por
cadeias curtas de hidrocarbonetos. O biogás pode ser utilizado como substituinte do gás
natural ou do GLP. Pode também ser utilizado em meio rural para aquecimento de
instalações para animais ou estufas de produção vegetal. Além de poder ser utilizado na
geração de energia elétrica através de geradores acoplados a motores de combustão
adaptados para alimentação a gás.
O biogás tem em sua composição um gás tóxico (sulfídrico), o que torna
necessário a escolha adequada do material utilizado na construção do biodigestor
(equipamento que processa a matéria prima do biogás e o torna utilizável), pois a
formação de gases corrosivos implica na degradação do equipamento e elevado custo de
manutenção. A tabela 10 ilustra algumas propriedades do principal gás constituinte do
biogás, o metano.
Tabela 10 – Propriedades do Metano
2.3.2.2 – Hidrogênio
O hidrogênio é o elemento químico mais abundante no universo, e também é o
terceiro elemento mais presente na Terra. Tem excelentes propriedades como
combustíveis, pois ele tem baixo peso molecular e possui a maior quantidade de energia
por unidade de massa que qualquer outro combustível (poder calorífico de 34500
kcal/kg). Quando resfriado ao estado líquido ocupa um espaço muito menor que no
estado gasoso, facilitando seu transporte e armazenamento.
Esse gás pode ser obtido por diferentes maneiras de alta eficácia como, por
eletrólise da água, por reforma do álcool e hidrocarbonetos. Se combinado com a
aplicação em células de combustível, o hidrogênio oferece uma produção de eletricidade
de alta eficiência, a partir dele pode-se abrir ramos energéticos totalmente limpos (gera
como produtos da reação apenas água e calor), sem emissões de particulados para
residências e até automóveis.
Por ser uma tecnologia pouco desenvolvida, sua aplicação torna-se cara,
prejudicando a relação custo/benefício.
3- Propriedades
Os combustíveis possuem propriedades físico-químicas importantes para sua
caracterização e uso. São essas propriedades que definem em quais situações o uso de
cada combustível é apropriado. Eis algumas propriedades:
3.2- Combustíveis Sólidos:
Carbono Fixo: É o resíduo combustível deixado após a liberação do material
volátil.
Material Volátil: É a parte do combustível que se separa na forma
gasosadurante o aquecimento do mesmo. É composto por hidrocarbonetos e outros
gases. O teor de material volátil influencia no comprimento de chama, no acendimento e
no volume necessário da fornalha.
Cinzas: São todos os minerais incombustíveis presentes no combustível,
geralmente é composta de óxidos.
Umidade: É a quantidade de água presente no combustível, geralmente expressa
em porcentagem de massa. É importante para determinação do seu poder calorífico.
3.1- Combustíveis Líquidos:
Ponto de Fulgor: É a temperatura do combustível na qual o combustível se
vaporiza em quantidades suficientemente grandes para formar com o ar uma mistura
capaz de inflamar-se momentaneamente quando uma chama é aplicada sobre a
superfície do mesmo, provoca uma ignição e combustão transitória, caso a fonte externa
de calor cesse, a combustão não continua. É uma propriedade muito importante para a
segurança de armazenagem, transporte e manuseio do combustível.
Ponto de Combustão: É a mínima temperatura em que os vapores do
combustível aquecido entram em combustão com a aproximação de uma fonte externa
de calor, e caso a fonte cesse o fornecimento de energia, a combustão se mantém.
Ponto de Ignição: É a temperatura necessária para inflamar a mistura
ar/combustível sem fonte externa de calor. Caso a temperatura ultrapasse esse valor, o
combustível entra em combustão espontânea.
Temperatura de Auto-Ignição: É a temperatura mínima de uma mistura
ar/combustível na qual a combustão iniciada se mantém, sem a necessidade da presença
de uma chama.
Ponto de Fluidez: É a temperatura mínima necessária para que o combustível se
torne fluido.
Densidade: É uma propriedade muito importante no cálculo de vazão e
dimensionamento de tubulações, consiste na razão entre a massa do combustível pelo
volume que ela ocupa, geralmente dada em kg/m³.
Viscosidade: É a medida da resistência ao escoamento de um fluido. É variável
com a temperatura, porém varia pouco com a pressão. Com essa propriedade em mãos
define as faixas de temperatura seguras de se operar e bombear um combustível com a
máxima eficiência e economia, resultando numa combustão mais eficiente.
Poder Calorífico: É a quantidade de energia calorífica liberada na combustão
completa de uma unidade de massa ou volume do combustível. Também calculada para
combustíveis sólidos e gasosos.
3.3- Combustíveis Gasosos:
Densidade Relativa: É a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições
de temperatura e pressão.
Número de Wobbe: É uma relação entre o poder calorífico e a densidade
relativa. Essa propriedade está ligada a intercambialidade de gases para uma mesma
aplicação. Gases com número de Wobbe próximos vão apresentar desempenho
energético similar.
Velocidade de Chama: É a velocidade de uma frente de chama de uma mistura
ar/combustível efetuada sob determinadas condições.
Número de Aeração: É a quantidade de ar necessária para manter um dado
tamanho de cone interno da chama, geralmente é medido num queimador padrão.
4- Octanagem e Cetanagem
Motores de combustão interna trabalham em ciclos alternados de compressão e
expansão de gases na câmara de combustão, durante a compressão de uma mistura
ar/combustível, condições extremas de pressão e temperatura são geradas dentro da
câmara para posterior geração de trabalho através da expansão devido à ignição.
Um acontecimento comum neste processo é o fato de combustíveis terem uma
tendência de auto-ignição quando submetidos a tais situações extremas. Esse fator é
essencial para motores que trabalham de acordo com o ciclo Diesel, porém, não é bem-
vindo em motores de ciclo Otto, pois uma pré-detonação prejudica a estrutura deste tipo
de motor devido ao fato de o pistão ir de encontro com a onda de pressão gerada pela
pré-detonação.
A octanagem é o índice que mede a resistência à detonação dos combustíveis de
motores Otto (como, gasolina, álcool, GNV e GLP automotivo). Quanto maior o índice
de octanagem, menor a tendência à detonação. Esse índice faz relação de equivalência à
porcentagem de mistura em um isoctano e o n-heptano. Por exemplo, uma octanagem
de 93 equivale a uma mistura de 93% de isoctano e 7% de n-heptano
Motores de alta potência exigem compressões mais intensas e, por consequência,
combustíveis mais resistentes à auto-ignição, sendo assim, cada motor possui um
combustível adequado para uso.
Segue alguns valores típicos da octanagem de alguns combustíveis brasileiros
• Gasolina do tipo C comum - índice de octano 87 IAD
• Gasolina do tipo C aditivada - índice de octano 87 IAD
• Gasolina do tipo C premium - índice de octano 91 IAD:
• Gasolina do tipo C podium - índice de octano 95 IAD
• Gasolina de aviação - índice de octano 100 - 145
• Álcool etílico anidro - índice de octano 100
Na Europa o uso da gasolina com chumbo está proibido, então os valores de
ocnagem da gasolina europeia são os seguintes:
• Gasolina sem chumbo 95 - índice de octano 95
• Gasolina sem chumbo 98 - índice de octano 98
• Gasolina sem chumbo 100 - índice de octano 100
Existem alguns métodos para o cálculo da octanagem, são eles:
Método RON: (Research Octane Number), consiste em promover uma
avaliação da resistência à detonação do combustível com o motor em baixa rotação
e em plena carga.
Método MON: (Motor Octane Number), o método contrário ao RON onde, a
resistência à detonação do combustível é avaliada a altas rotações do motor em
plena carga.
Método IAD: (Índice Anti-Detonante), é simplesmente a média aritmética,
entre os métodos RON e MON.
Assim como a octanagem está para os combustíveis de motores ciclo Otto, a
cetanagem é associada aos combustíveis de motores ciclo Diesel, sendo assim ela
mede a facilidade com que a auto-ignição ocorre no combustível ao ser injetado na
câmara de combustão, a qual está sob condições de temperatura e pressão favoráveis
a esse acontecimento, já que esse tipo de motor não possui sistema de ignição por
faísca.
5- Gases de Escape
Os gases de escape, gases de combustão ou ainda fumos, são os produtos
resultantes das reações que ocorrem durante o processo de combustão. Muitos dos
compostos liberados na combustão são nocivos ao meio ambiente e aos seres humanos,
como óxidos de nitrogênio e enxofre. Eis alguns produtos resultantes da combustão
típica de combustíveis quimicamente orgânicos.
Monóxido de Carbono (CO): É um produto tipicamente resultante de
combustões incompletas. Possui nível de toxidade muito alto, sem cor, odor e gosto, por
isso ele somente pode ser detectado através de instrumentos de especiais.
Cinzas: É um material particulado geralmente encontradas na forma de óxidos
de elementos inorgânicos do combustível, como CaO, Al2O3, K2O. A formação e
emissão de cinzas dependem essencialmente do teor de cinzas presente no combustível,
geralmente esse teor é mais elevado em combustíveis sólidos como a lenha. Óleos
combustíveis pesados também apresentam cinzas, cujo teor pode chegar a 0,1% em
massa.
Fuligem: É também um material particulado originário da combustão
incompleta das frações orgânicas do combustível. A emissão de fuligem está
relacionada a recombinações de voláteis ou frações leves do combustível, sob condições
de específicas ainda não bem conhecidas. A emissão deste particulado é indesejável
tanto do ponto de vista ambiental como de conservação de energia.
Óxidos de Enxofre (SOx): A combustão de combustíveis que contenham
enxofre gera dióxido de enxofre (SO2). Os gases de enxofre são um dos principais
agentes causadores da chuva ácida, juntamente com os óxidos de nitrogênio. Além de
existir a possibilidade da formação de ácido sulfúrico (H2SO4) nas partes frias de
equipamentos, o que resultará na deterioração do mesmo. Devido a esses fatos, a
emissão de óxidos de enxofre é totalmente indesejável. Carvão mineral e óleos
combustíveis pesados são os combustíveis que mais emitem óxidos de enxofre durante
sua combustão.
Óxidos de Nitrogênio (NOx): Os óxidos de nitrogênio formados durante os
processos de combustão são constituídos de aproximadamente 95% de óxido nítrico
(NO) e o restante de dióxido de nitrogênio (NO2).
Compostos Orgânicos Voláteis: Podem ser emitidos nos processos de
combustão e são provenientes da combustão incompleta do combustível. Podem
representar parcelas do próprio combustível que não foi queimado, ou compostos
formados a partir de radicais de hidrocarbonetos não oxidados completamente.
6- Combustão Típica de Ignição por Faísca
A combustão por ignição a faísca é comum nos motores ciclo Otto, podendo
ocorrer com vários tipos de combustíveis como, gasolina, álcool, GNV, GLP e etc. A
combustão só irá acontecer de forma correta se o combustível da mistura
ar/combustível injetada na câmara de combustão possuir octanagem adequada à taxa de
compressão do motor. Sendo essa condição satisfeita, quando a centelha saltar entre os
eletrodos das velas de ignição a combustão e a chama irão se propagar
progressivamente ao longo da mistura ar/combustível comprimida. Conforme a
propagação da chama acontece, a mistura vai se expandindo gradativamente, exercendo
uma força uniforme sobre o pistão.
Algumas condições para que a combustão tenha eficiência precisam ser
respeitadas. Por exemplo, a faísca precisa ocorrer no local correto, ou seja, entre os
eletrodos das velas; a geração da faísca deve iniciar no instante de tempo certo, isto é,
no momento determinado pelo ponto de ignição; o desenvolvimento da chama deve
ocorrer de maneira gradual e durar um tempo pré-determinado.
Um aspecto muito importante na combustão por faísca é a velocidade de
propagação da chama (VPC), ela consiste numa composição entre a velocidade de
combustão com a velocidade de translação. A velocidade de combustão é a velocidade
da reação química de oxidação do combustível, já a velocidade de translação é a
velocidade de avanço da frente de chama.
O comportamento da VPC durante a combustão é bastante variável, no início a
VPC é baixa devido à necessidade de vencer a inércia da combustão; durante a VPC é
alta e no fim da combustão ela volta ser baixa, mas agora devido a falta de combustível
ou ar dentro da câmara.
7- Combustão Típica de Ignição por Compressão
A combustão por ignição por compressão é comumente realizada pelos motores
que trabalham perante o ciclo Diesel, podendo ser alimentados com diesel de origem
fóssil ou vegetal (biodiesel) ou ainda uma mistura dos dois. Essa combustão por
compressão pode ser subdividida em três etapas:
1-Período de atraso: é o tempo entre o início da injeção e o surgimento da
primeira chama ou da elevação de pressão. O atraso é sempre grande, tal que, ao
ocorrer a ignição, existe apreciável quantidade de combustível evaporado e
dividido, bem misturado com o ar.
2-Rápida combustão: Uma vez inflamado esse combustível tende a queimar-se
rapidamente devido à multiplicidade de pontos de igniçãoe a alta temperatura
existente na câmara de combustão.
3-Queima controlada: Após o período de combustão rápida, o combustível que
ainda não foi queimado, juntamente com qualquer combustível
subsequentemente injetado, queima com determinada taxa controlada. Esse
controle é devido à “habilidade” que o combustível tem de encontrar oxigênio
necessário para a combustão.
8- Poder Calorífico
A energia liberada na combustão normalmente é quantificada pelo Poder
Calorífico do combustível, qie é definido como sendo a quantidade de energia térmica
dispendida da combustão completa de uma unidade de massa ou volume do
combustível.
O Poder Calorífico Inferior é definido como sendo a quantidade de calor
liberada medida com os produtos da combustão ainda na fase gasosa (ainda quentes).
Já o Poder Calorífico Superior é o calor liberado medido com os produtos de
combustão à temperatura ambiente (líquidos).
A Tabela 11 demostras exemplos de combustíveis comuns e seus respectivos
poderes caloríficos.
Tabela 11 – Poder Calorífico de alguns Combustíveis
9- Energia Térmica
A fonte de energia de um motor de combustão interna é proveniente da reação
química de combustão da mistura ar/combustível, porém apenas uma parcela desta
energia gerada é realmente aproveitada para produzir trabalho.
Muitos subsistemas roubam quantidades significativas da energia proveniente da
combustão. Os principais “desperdiçadores” de energia em um motor de combustão
interna são:
1- Sistema de arrefecimento (bombeamento de óleo e água)
2- Gases de escape (saem a alta temperatura e velocidade)
3- Radiação e convecção através do bloco do motor (aquecimento do
bloco)
4- Combustão incompleta (parte da energia do combustível não é
aproveitada)
5- Atrito das partes móveis (gera aquecimento)
6- Periféricos (ventoinha, condicionador de ar, alternador, comando de
válvulas e etc. que consomem energia elétrica ou mecânica através do
virabrequim)
A figura abaixo mostra um diagrama de Sankey, que é um diagrama de fluxo
térmico, neste caso, para um motor Diesel. Estediagrama exemplifica
quantitativamente as perdas de energia para cada subsistema do motor.
Figura 4 - Diagrama de Sankey para Motor Diesel
10- Normas Regulamentadoras de Emissão Os limites de emissões para cada poluente são determinados pelas agências
reguladoras em função da potência térmica nominal do equipamento. No Brasil a
agência reguladora de emissões de poluentes é o CONAMA (Conselho Nacional do
Meio-Ambiente) e a resolução em questão é a Resolução 382. As agências reguladoras
têm como função fiscalizar as fontes de emissão, verificar a confiabilidade dos
equipamentos de medição e realizar estudos climáticos em escala local e global.Nos
estados brasileiros outros órgãos ambientais também atuam de modo semelhante ao
CONAMA, fiscalizando e propondo soluções de forma local. No mundo, cada país
possui sua agência reguladora, por exemplo,nos Estados Unidos é a EPA (Enviroment
Protection Agency).
A tabela 12 ilustra um exemplo de emissões de um motor diesel novo aprovado
em testes de emissões.
Tabela 12 – Emissões de um motor Diesel aprovado
11- Referências Bibliográficas
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JOSÉ, Humberto Jorge. Combustão e Cobustíveis: Apostila de Química Tecnológica
Geral. Florianópolis: ., 2004.
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de Janeiro: ., 2009. p. 273-330.
FILIPPIN, Carlo Giuseppe. Sistemas Macânicos Automotivos.Paraná: ., 2006.
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Básicos. Panambi: Unijuí, 2005.
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ALVES, Líria. Combustível Hidrogênio. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/quimica/combustivel-hidrogenio.htm>. Acesso em: 02 mar. 2010.
BODIPASA. Combustão Motor Diesel. Disponível em: <http://www.bodipasa.com.br/dicas/detalhe/ac/20>. Acesso em: 16 ago. 2012.
GLOBALTEK. Limites de Emissões para Poluentes Atmosféricos:Resolução
CONAMA 382. Disponível em: <http://www.globaltek.com.br/artigo.php?not=23>.
Acesso em: 14 out. 2011.
12- Anexo
Algumas figuras a seguir ilustram as quantidades de poluentes normalizados
para cada combustível em função da potência térmica nominal do equipamento.
Figura 5 – Limites de Emissão para o Óleo Combustível
Figura 6 – Limites de Emissão para o Gás Natural
Figura 7 – Limites de Emissão para o Bagaço de Cana
Figura 8 – Limites de Emissão para os Derivados de Madeira
Figura 9 – Limites de Emissão para Turbinas a Gás