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Modelo Semi–Empírico Para Avaliação Do Desempenho de Motores Dieesel

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  Modelo semi–empírico para avaliação do desempenho de motores Diesel consumindo gás natural Semi-empirical model to evaluate the performance of natural gas powered Diesel engines Modelo semi-empírico para evaluar el rendimiento de los motores Diesel movidos a gas natural Ricardo Hernandez PereiraCarlos Valois Maciel BragaSergio Leal Braga Resumo Medidas do desempenho de quatro diferentes motores, todos operando no modo bicombustível Diesel/gás natural, foram realizadas em dinamômetro de bancada. Selecionaram-se os motores a ensaiar por suas características construtivas e operacio-nais, representativas das distintas aplicações dos motores Diesel (cilindrada, faixa de rotação, uso ou não da turbo-alimentação e arrefecimento do ar de combustão). Obtiveram-se pontos experimentais por amplas faixas dos parâmetros com influência sobre o desempenho de motores. Variou-se a razão de substituição de Diesel por gás natural, de modo a levantar as regiões por onde a operação bicombustível é possível. Embora o foco do trabalho esteja sobre o desempenho, também se tomaram dados relativos às emissões de poluentes particulados, tanto durante a operação Diesel srcinal quanto para a de bicombustível. Os resultados indicam que, por grande parte dos campos de funcionamento dos motores ensaiados, apenas parte do gás efetivamente queima. Os dados experimentais foram empregados na proposta de correlações empíricas a serem utilizadas na estimativa do desempe-nho de motores, srcinalmente Diesel, quando operando no modo bicombustível. Tais correlações foram utilizadas na conversão à operação Diesel/gás natural de três diferentes grupos geradores de eletricidade (motores de 212, 535 e 1.570hp). palavras-chave:   n motores  n Diesel  n gás natural  n geração termelétrica  n combustão Abstract The performance of four different engines were measured, all powered by the dual fuels diesel/natural gas and mounted on a dynamometer bench. The tested engines were selected for their construction and operational characteristics, representing diesel engines for different applications (capacity, speed range, with/without turbo charging and combustion air cooling). Exper- imental points were obtained for wide parameter ranges with influence on engine performance. The replacement rate of diesel with natural gas was varied to identify the mix where the dual fuel operation was possible. Although the study focus was on performance, data on particulate pollutant emissions were also recorded, not only during the srcinal diesel operation but also for the dual fuels. The results indicate that, for most operational fields of the engines tested, only part of the gas actually burns. Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 53, n. 1/3, p. 53-70, abr./ago./dez. 2010  n 53  The experimental data were used in the proposed empirical correlations to estimate the srcinally Diesel engine performances, when operating in a dual fuel mode. Those correlations were used to convert the Diesel/natural gas operation of three different groups of electricity generators (engines with 212, 535 and 1,570hp). keywords:   n engines  n Diesel  n natural gas  n thermal power  n combustion Resumen El rendimiento de cuatro motores diferentes fueron medidos, todos ellos movidos por combustible doble de diesel/gas natural y montados sobre un banco dinamométrico. Los motores probados fueron seleccionados por sus características de construcción y funcionamiento, en representación de motores diesel destinados a diferentes aplicaciones (capacidad, rango de velocidad, con/sin carga turbo y refrigeración del aire de combustión). Puntos experimentales se obtuvieron para los rangos anchos de parámetros con influencia en el rendimiento del motor. La tasa de sustitución del diesel por el gas natural se varió para identificar la mezcla cuando la operación dual del combustible era posible. Aunque el foco del estudio es el rendimiento, los datos sobre las emisiones de partículas contaminantes también se registraron, no sólo durante la operación de diesel srcinal, pero también para el combustible doble. Los resultados indican que, para la mayoría de los ámbitos de funcionamiento de los motores de prueba, realmente sólo una parte del gas se quemó. Los datos experimentales se utilizaron en las correlaciones empíricas propuestas para estimar el rendimiento del motor srcinalmente diesel, al funcionar en modo del combustible dual. Esas correlaciones fueren utilizadas para convertir la operación para diesel/gas natural, de tres grupos diferentes de generadores de electricidad (motores con 212, 535 y 1.570 caballos de fuerza). palabras-clave:   n motores  n Diesel  n gas natural  n energía térmica  n combustión Introdução Até a década de 1970, o baixo preço do petróleo possibili-tava o crescimento desenfreado de seu consumo. John Ken-neth Galbraith, economista norte-americano recentemente falecido, considerava esta uma das características do que denominava a “sociedade da abundância”. A partir de 1973, conflitos no Oriente Médio fomentaram uma profunda altera-ção deste quadro. No Brasil, país com sistema de transpor-tes basicamente rodoviário, tais crises tiveram efeitos dano-sos. O país, naquela época, produzia apenas cerca de 20% de seu consumo total de petróleo. Da abrupta escalada de preços do mineral e seus derivados resultaram desequilíbrios em nossa balança de pagamentos externos, levando o país à moratória. Esforços inadiáveis, tanto na reorientação do perfil energético brasileiro, quanto no incremento da eficiência dos equipamentos que demandam os combustíveis tradicionais, foram iniciados. Cabe ressaltar que, embora hoje se esteja comemorando a autossuficiência brasileira em petróleo, nos-sa desproporcional demanda por alguns dos derivados força a importação de significativos volumes destes energéticos. É o caso do óleo Diesel e do gás liquefeito de petróleo, GLP.Dentre as ações tomadas para a redução de nossa depen-dência dos derivados de petróleo, destacam-se as de fomen-to ao uso de energéticos alternativos e renováveis. O Progra-ma Nacional do Álcool (PROÁLCOOL), iniciado em meados da década de 70, viabilizou a substituição da gasolina pelo com-bustível renovável junto aos veículos com motorização do ciclo Otto. A sazonalidade das safras de cana e oscilações do preço do açúcar no mercado internacional, fatores que têm impacto sobre a produção e preço do energético renovável, foram, no passado, responsáveis pelo quase abandono do uso do etanol em veículos leves. O álcool etílico hidratado teve sua vida re-novada quando, a partir de 2003, por iniciativa das montado-ras, começaram a comercializar veículos capazes de operar, in-distintamente, com o combustível renovável, gasolina “C” ou a mistura de ambos em qualquer proporção. Modelo semi–empírico para avaliação do desempenho de motores Diesel consumindo gás natural 54   n Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 53, n. 1/3, p. 53-70, abr./ago./dez. 2010  Entre as iniciativas para o fomento do uso de energéticos alternativos foi criado, em meados da década de 1980, o Pla-no Nacional de Gás Natural para Uso no Transporte (PLAN-GÁS). Este focava na substituição do óleo Diesel pelo gás na-tural. A inexistência de redes de distribuição de gás natural encanado talvez tenha sido o fator que, no passado, mais te-nha contribuído para o pequeno avanço do PLANGÁS. A atual oferta de gás natural renova as pressões para a substituição do Diesel pelo energético alternativo. É importante ressaltar que a realidade de hoje é distinta daquela de duas décadas atrás. Conta-se com uma já expressiva, e em rápida expan-são, rede de distribuição de gás canalizado.Em dezembro de 2003 foi instituído o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB). Este fomenta a subs-tituição do Diesel mineral pelo renovável biodiesel, produzido a partir de óleos vegetais. Em janeiro de 2005 foi estabelecida a obrigatoriedade da adição de um percentual mínimo de biodie-sel ao Diesel mineral comercializado em qualquer parte do ter-ritório nacional. Esse percentual obrigatório será de 5% após 2013, havendo um patamar intermediário, também compulsó-rio, de 2% já a partir de 2008. Acredita-se que esta iniciativa é válida e que, em alguns pólos regionais, possa constituir ati-vidade de relevante cunho social. A produção do óleo vegetal necessário à produção do biodiesel é uma atividade que exi-ge mão de obra intensiva e que, certamente, será responsável pela criação de relevante número de novos postos de traba-lho. Muito recentemente foi anunciada pela Petrobras a pos-sibilidade da transformação de óleos vegetais em combustível  já junto ao processo de produção do Diesel mineral. Biomassa é agregada, como matéria prima, ao mineral em seu processa-mento. O energético está sendo chamado de “H-Bio” e, anun-cia-se, que cerca de 10% de seu volume seja de srcem vege-tal. Aparentemente, tal processamento conjunto de produtos de srcem mineral e vegetal facilita a produção de um energé-tico com baixos níveis de enxofre.Em contraponto com a situação do Diesel, a produção na-cional de gasolina supera a demanda do país. Hoje, se exportam volumes significativos do derivado, especialmente para os Esta-dos Unidos e África. Conversões de veículos do ciclo Otto para o gás natural, a adição de etanol ao derivado disponibilizado ao consumidor ou mesmo o simples uso do energético renovável em carros de passeio promovem um ainda maior excedente de gasolina. Esta situação não deixa de ser interessante, tanto do ponto de vista econômico como ambiental. Exportam-se exce-dentes do derivado, valorizado no mercado internacional, e se consomem aqui energéticos alternativos e renováveis que, sabi-damente, têm menor preço e impacto sobre o meio ambiente e saúde das populações. Dificilmente se pode imaginar a adoção de políticas que venham a fomentar, no curto prazo, alterações significativas na matriz energética mundial. Ao que tudo indica, a tendência pela adoção de biocombustíveis, em substituição aos derivados de petróleo, se manterá ao longo das próximas dé-cadas. Sua oferta e uso provavelmente crescerão gradualmen-te ao longo dos anos deslocando, paulatinamente, os derivados. Uma farta e simultânea oferta de energéticos concorrentes (re-novável e mineral), descasada da demanda do uso final comum, pode comprometer a remuneração do investimento feito na pro-dução de ambos. Aparentemente, o etanol brasileiro entrará, no curto prazo, no mercado americano como aditivo antidetonante da gasolina. Substituirá o MTBE, composto sintético, canceríge-no e fortemente poluente, usado hoje nos Estados Unidos para esta finalidade. Não se deve imaginar que a adoção de energé-ticos renováveis ou alternativos, em substituição aos derivados, reduzirá a exploração e busca por novas reservas de petróleo. O mineral continuará sendo empregado como insumo petroquími-co, uso mais nobre do que como combustível.Descobertas recentes de gás natural no litoral do sudes-te brasileiro (Espírito Santo e bacias de Campos e Santos) in-crementam, de forma significativa, as reservas deste combus-tível no país. Estima-se que apenas as reservas do campo de Santos, região que vai do litoral de Santa Catarina, altura de Florianópolis, até Arraial do Cabo, em águas Fluminenses, de-vam superar os 400 bilhões de metros cúbicos. Projeta-se até 2010 um aumento anual de consumo de gás no Brasil, acima dos 10%. Calcula-se que durante este mesmo período a produ-ção da Bacia de Santos alcance os 30 milhões de metros cúbi-cos diários. O bloco BS-500, concessão exploratória localizada na altura do município do Rio de Janeiro, será responsável por dois terços da produção de gás na Bacia de Santos.Hoje (2006) são diariamente consumidos no país cerca de 50 milhões de metros cúbicos de gás natural. Metade des-ta demanda é suprida pela produção nacional. Os demais 25 milhões de metros cúbicos diários são comprados da Bolívia e transportados até o mercado brasileiro pelo Gasoduto Bolí-via Brasil (GASBOL). Este tem capacidade para transporte di-ário máximo de 30 milhões de metros cúbicos. Durante sua Pereira et al . Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 53, n. 1/3, p. 53-70, abr./ago./dez. 2010  n 55  construção previu-se um possível aumento de sua capacidade de transporte. Estima-se que até 2010 o gás de produção na-cional atenderá 70% de nossa demanda pelo energético. Em sendo o custo do gás natural compatível com o do óleo com-bustível, o fomento de seu uso se justifica na medida em que substitui energéticos mais valorizados e de fácil comercializa-ção no mercado internacional. Não se pode deixar de citar o recentemente anunciado projeto de integração energética da América do Sul, hoje em formatação. Planeja-se a construção de um novo gasoduto que interligaria as malhas de dutos ins-taladas no continente. Tanto o traçado do novo gasoduto como sua capacidade de transporte ainda não estão definidos. Por outro lado, também há fortes indícios da inviabilidade de tal projeto, por várias razões: econômica, ambiental e, ainda, as associadas à instabilidade política dos países da América do Sul. Movimentos populistas em nossos vizinhos, ao levantar incertezas com relação ao preço e fornecimento do energético alternativo, têm a tendência de inibir tal integração energética.O interesse pelo uso de energéticos alternativos e renová-veis em motores varia conforme sua disponibilidade e custo, em relação ao dos combustíveis tradicionais. É exatamente o que ocorre hoje no Brasil com a crescente oferta de gás natural. O metro cúbico do combustível adquirido diretamente das distri-buidoras de gás natural, quando tarifado para uso veicular ou ge-ração de energia elétrica custa, por unidade de energia libera-da na queima, cerca da metade do valor praticado para o Diesel.No Norte do Brasil também são consumidos volumes sig-nificativos de Diesel. Na região, o derivado se destina tanto à geração termelétrica quanto ao setor de transportes, realizado fundamentalmente por via fluvial. Caso o gás natural de Urucu, segunda maior reserva nacional do energético, deslocasse par-te do Diesel demandado na região, a logística de suprimento e distribuição do derivado líquido, pelo Norte, seria amenizada.Diversos combustíveis alternativos ou renováveis têm sido propostos para a substituição parcial ou integral do Diesel em motores. Acredita-se que, dentre as muitas aplicações dos mo-tores Diesel, estes encontrem aquelas em que melhor se adap-tem, naturalmente. Parece razoável admitir que o uso do gás na-tural, em motores convertidos para a operação Diesel/gás, seria mais racional quando destinado para a geração de energia elétri-ca. Motores estacionários não requerem, como na aplicação vei-cular, cilindros de armazenamento de gás comprimido. O volume de gás, mesmo quando demandando por uma pequena usina termelétrica (300 – 600kW), já justifica a construção de um ra-mal na rede de distribuição de gás para seu atendimento. Acre-dita-se que, pela fácil logística de distribuição e abastecimento de combustíveis líquidos, seja conveniente investir esforços no desenvolvimento de energéticos alternativos ou renováveis líqui-dos para uso nos motores de uso automotivo. Tecnologias que permitam aos usuários finais alternar entre o uso de energéti-cos tradicionais e os renováveis ou alternativos devem, sempre que possível, ser consideradas. Em períodos de modificação da matriz energética, a flexibilidade operacional garante sua intro-dução gradual com o mínimo de impacto sobre os consumido-res finais, enquanto a cadeia de produção e abastecimento dos novos energéticos amadurece. O gás natural, mesmo não pos-suindo apelo ambiental forte como o do etanol ou Biodiesel, não deve ser deixado de lado. É um recurso natural, de baixo custo, e com oferta crescente no país. Pode contribuir para a redução de nossa dependência do derivado importado ou, em um cenário otimista, até mesmo possibilitar excedentes do Diesel produzi-do em nossas refinarias. Deve-se frisar, mais uma vez, que este energético é comercializado no mercado internacional a preço bastante superior ao praticado no Brasil para o gás. O consumo do gás natural em motores Existem, no mercado internacional, motores do ciclo Otto de-dicados ao consumo do gás natural. Assim como no caso dos de Diesel, estão disponíveis em uma larga faixa de potência e foram desenvolvidos para diferentes aplicações (como no caso dos para geração de energia elétrica e os veiculares). Suas emissões de po-luentes são compatíveis com as exigências das legislações inter-nacionais. Apresentam, por limitação operacional (taxa de com-pressão), consumo específico de combustível superior ao dos motores Diesel. É provável que, em um futuro próximo, e nas loca-lidades onde o gás esteja disponível, sejam empregados nas apli-cações atendidas pelos tradicionais motores Diesel.É razoável admitir-se o uso de motores Otto em veícu-los e geradores novos. Caso se pense no aproveitamento de curto prazo do gás natural, devem-se fomentar as conver-sões dos veículos e grupos geradores Diesel, hoje em cam-po. Dentre as tecnologias disponíveis para a substituição de curto prazo do Diesel pelo gás natural, existem: Modelo semi–empírico para avaliação do desempenho de motores Diesel consumindo gás natural 56   n Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 53, n. 1/3, p. 53-70, abr./ago./dez. 2010
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