LAB 2 TERMO 2

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 
Instituto de Engenharia Mecânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ensaio nº 2: Análise dos Produtos da Combustão 
 
 
 
 
 
 
Disciplina: EME606 P 
Curso: Engenharia de Energia 
Alunos: Luis Felipe Boscaro Stringuetti 
Matrícula: 2017016627 
Professora: Lucilene de Oliveira Rodrigues 
Turma: T03 
Data e Hora do Ensaio: 23/04/2019 às 16:00 hrs (+/-) 
 
 
 
 
 
 
 
Itajubá, (1°/ 2019) 
1. Introdução 
 
A análise química dos gases de exaustão de um motor de combustão tem como objetivo principal informar o 
comportamento real do processo de queima, permitindo diagnóstico das etapas de combustão e auxiliando nos ajustes. 
Um dos mais conhecidos e simples instrumento utilizado para realizar a análise é o Analisador ORSAT, 
mostrado na Figura 1. Trata-se de um método volumétrico envolvendo absorção e oxidação seletivas. Ele é geralmente 
utilizado para detectar o teor de dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2) e monóxido de carbono (CO) em base seca. 
As absorções são realizadas em pipetas de contato ou ainda pipetas borbulhadoras. A redução do volume na pipeta à 
medida que a absorção ocorre corresponde ao volume do componente particular sendo absorvido. A oxidação é obtida 
usando-se um catalisador e tubos de óxido de cobre. Vários tipos de analisadores Orsat são encontrados no mercado 
(ENERGÉTICA, 2012). 
 
Figura 1 - Analisador ORSAT 
 
1.1. Análise de emissões no escape 
 
Em uma combustão completa, os gases de exaustão resultantes da combustão seriam compostos por nitrogênio (N2), 
dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Contudo, em função de fatores que influenciam o processo de combustão, 
este pode resultar em combustão incompleta da mistura, cujos gases de escape contêm, além H20 e CO2, outros 
compostos poluentes como: CO, combustível não queimado (HxCy), NOx. Outros componentes do combustível, 
por exemplo o enxofre, darão origem a demais componentes nocivos à saúde e ao meio ambiente (MANAVELLA, 
2016). 
No caso da combustão completa, isto apenas seria possível em condições de controle rígido dos agentes que 
influenciam a queima, como por exemplo, a quantidade de ar, temperatura e tempo de reação. Portanto, caso não 
haja o controle anteriormente citado, outros componentes, tais como hidrocarbonetos não queimados (HC), 
monóxido de carbono (CO), óxido de nitrogênio (NOx), óxido de enxofre (SOx) e materiais particulados estarão 
presentes nos gases de exaustão (TEIXEIRA, 2010). 
Para este experimento a ênfase será dada à análise dos 5 gases mais importantes para o diagnóstico de 
emissões: HC; CO; O2; CO2 e NOx. 
 
• Hidrocarbonetos (HC): Correspondem a parcelas do combustível que não foram queimadas na câmara de 
combustão. Um nível excessivo de HC é resultante de falhas de combustão, não necessariamente associadas a falha 
no sistema de ignição, mas qualquer dispositivo ou processo defeituoso, que interrompa prematuramente a combustão 
nos cilindros (MANAVELLA, 2016). 
 
 
 
 
 
 
 
• Monóxido de Carbono (CO): É o resultado da combustão incompleta ou parcial do combustível, na câmara 
de combustão. Altas taxas de CO no escape indica excesso de combustível ou falta de oxigênio na mistura, ou seja, 
presença de mistura rica. Logo, tem-se que a emissão de monóxido de carbono (CO) está diretamente relacionada à 
eficiência da combustão, que por sua vez nos traz informações sobre as condições de operação do equipamento, 
relacionado ao consumo de combustível. Este fato torna o monitoramento da emissão de CO, além de um parâmetro 
de controle de caráter ambiental, um importante parâmetro para o controle de manutenção de todo o sistema de 
injeção (MANAVELLA, 2016). 
 
• Oxigênio (O2): É medido em porcentagem, cuja presença é indicador de uma condição de mistura pobre, 
ou seja, excesso de ar de combustão. Assim, o funcionamento em misturas excessivamente pobres poderá apresentar 
falhas no motor (MANAVELLA, 2016). 
 
• Dióxido de Carbono (CO2): É utilizado para determinar o nível de eficiência de funcionamento do motor. 
Assim, qualquer deficiência verificada no funcionamento do motor ou variações na relação ar/combustível, afetará o 
nível de CO2 produzido. A formação de CO2 depende da queima total ou não do combustível. Portanto, em presença 
de falhas de combustão, o nível de CO2 produzido será menor que aquele correspondente à combustão completa. 
(MANAVELLA, 2016). 
 
Óxidos de Nitrogênio (NOx): NOx é o termo genérico para um grupo de gases altamente reativos, os quais 
contém nitrogênio e oxigênio em quantidades variadas, como por exemplo NO e NO2 (HEYWOOD, 1998). Nas 
emissões de NOx (NO + NO2) originadas de motores diesel, o gás predominante é o óxido nítrico. A formação de 
NOx é associada sobretudo a presença condições de temperatura excessiva. A formação de NOx é diretamente 
proporcional aos fatores (TEIXEIRA, 2010): 
1) concentração de nitrogênio (N2), ar e combustível; 
2) tempo de exposição do combustível no pico de temperatura no interior do cilindro no momento da 
combustão; 
3) temperatura no interior do cilindro no momento da combustão 
 
1.2. Limites de Emissões de Gases Poluentes 
 
Ao perceber-se a gravidade da deterioração da qualidade ambiental causada pelos veículos automotores, devido 
à grande quantidade de poluentes que lançam no ar, foi necessario estabelecer novos padrões de emissões de gases 
para essa categoria. Visando manter a redução da poluição do ar nos centros urbanos e a economia de combustível, a 
partir do dia 12 de janeiro de 2012 ficaram estabelecidos os seguintes limites máximos de poluentes, descrito pelo 
Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve) – P7; na figura abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 – As sete fases do Proconve 
 
 
 
 
 
2. Objetivo 
 
Verificar a composição química dos gases produtos da combustão de um motor diesel do laboratório de 
máquinas térmicas LMT - UNIFEI, usando um analisador de gases. 
 
 
3. Materiais e Métodos 
 
No Laboratório de Máquinas Térmicas LMT-UNIFEI, está presente um tipo de analisador de gases portátil, 
denominado LANCOM III, da fabricante LAND, conforme ilustrado na Figura 2, cujo funcionamento básico está 
descrito a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 - Analisador portátil LANCOM III (LANCOM III, 2016) 
 
3.1. Funiconamento do analisador LANCOM III 
 
De acordo com o esquema mostrado na Figura 3, a amostra de gás é levada para o analisador através de uma 
sonda (1) para coleta de amostras e de uma mangueira conectada à conexão de entrada no painel lateral do analisador. 
A amostra inicialmente entra no coletor de água (2), onde a água residual é removida, passando em seguida por um 
filtro de partículas (3) de 0,1 micro para filtragem. 
O gás de amostra é levado para a tubulação do sensor depois de eliminar as variações de fluxo e pressão (4). 
Para garantir que os sensores de CO e de CXHY não estão envenenados por outros gases, o gás de amostra é alimentado 
através de um filtro químico (8) antes de ser levado a esses sensores. Essa ação prolonga a vida do sensor e melhora a 
precisão da medição. 
Para proteger o sensor de baixo CO contra níveis excessivos de CO (normalmente níveis >2000 ppm), o sistema 
automaticamente muda para o sensor de CO de faixa alta (até 4000 ppm). O sensor de baixo CO é então 
automaticamente purgado usando uma bomba (9) dedicada, que sopra ar ambiente para proteger o sensor, assegurando 
um tempo de recuperação rápido e vida máxima do sensor. 
Por último, o analisador LANCOM III executa uma calibragem zero toda vez que é ligado e purga os sensores 
com ar ambiente antes de desligar. Isso garante precisão máxima e longevidade do sensor (LANCOM III, 2016). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 - Esquema de funcionamento do analisador LANCOM III (LANCOM III, 2016) 
 
 
3.2. Motor DIESEL 
 
O sistema utilizadopara o ensaio é composto por um Motor Diesel Mercedes Benz, um Alternador Brushless 
Negrini. A Figura 1 apresenta um esquema geral do motor diesel. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 - Motor Diesel 
 
3.3. Procedimento de coleta de dados 
 
1) Ligar o aparelho em ar ambiente "puro" para efeito de calibração e ajustes internos, sem ligá-lo ao motor; 
2) Após finalizado o processo de calibragem (tempo automático) instalar a sonda no acesso do tubo de 
escapamento do motor; 
3) Ligar o motor e aguardar a estabilização térmica, em marcha lenta; 
4) Atuar no acelerador até a rotação desejada e aguardar a estabilização para a coleta dos dados, preenchendo 
a tabela de leituras com a composição dos gases de escape lida. 
 
4. Dados Coletados e Análise 
 
A partir dos dados coletados por meio do analisador de gases, temos as tabelas: 
 
Tabela 1 – Composição dos gases de escape (base seca) 
Rotação 
(rpm) 
CO 
(ppm) 
SO2 
(ppm) 
O2 
(%) 
NO2 
(ppm) 
NO 
(ppm) 
CxHy 
(%) 
H2S 
(ppm) 
CO2 
(%) 
NOx 
(ppm) 
1200 1118,1 0,0 15,2 0,0 84,2 149,5 0,0 3,25 84,2 
1400 656,9 0,0 17,5 0,0 88,7 65,8 0,0 3,16 88,9 
1600 606,4 0,0 17,6 0,0 87,5 14,9 0,0 3,23 87,4 
 
 
 
 
Tabela 2 – Grandezas de desempenho da combustão 
Eficiência combustao 
(%) 
Perdas 
(%) 
Excesso de ar 
(%) 
Tamb 
(ºC) 
Tescap 
(ºC) 
89,2 10,8 253,5 29 47 
88,2 11,8 436,6 29 64 
85,6 14,4 568,1 30 74 
 
Com base na Tabela 1, os gráficos abaixo foram plotados. O primeiro mostra os dados em ppm dos gases CO e 
NOx, já o segundo gráfico mostra os dados em porcentagem dos gases CO2 e CxHy. Tendo o eixo das abcissas em 
rpm. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 1 - Composição dos gases CO e NOx 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 2 - Composição dos gases CO2 e CxHy 
 
 
 
 
 
1118,1
656,9
606,4
84,2 88,9 87,4
0
200
400
600
800
1000
1200
1200 1400 1600
va
lo
r 
co
m
p
o
si
çã
o
 (
p
p
m
)
rotação (rpm) CO
NOx
3,25 3,16 3,23
149,5
65,8
14,9
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1200 1400 1600
va
lo
r 
co
m
p
o
si
çã
o
 (
%
)
rotação (rpm)
CO2 CxHy
Como introduzido, anteriormente, quanto menor o nível de CO mais eficiente é a combustão, pois a queima é 
mais completa. No experimento o nível de CO diminui (gráfico 1) com o aumento de rotação, logo a eficiência 
aumentou. Porém, isso não é afirmado pelo CO2, pois os seus valores não aumentam conforme a rotação aumenta, e 
como os maiores níveis desse componente ocorre quando a combustão é completa,conclui-se que a falhas de 
combustão. 
Os níveis de O2 aumentam, pois com a mudança de rotação, mais ar e combustíveis são necessários. Como 
ocorreu a diminuição de CO, menos ligações ocorreram na combustão e mais oxigênio sobrou na saída. 
 
Com base na Figura 2 que traz os dados de valores limites de emissões em motores diesel é possível comparar 
os dados obtidos com exigidos. Para isso é necessário realizar a seguinte transformação de unidade: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Os valores em g/kWh são: 
 
Tabela 3 – Composição dos Gases de Escape em g/kWh 
Rotação (rpm) CO (g/kWh) CxHy (g/kWh) CO2 (g/kWh) NOx (g/kWh) 
1200 4,015 0,299 206,28 0,559 
1400 2,359 0,132 200,56 0,590 
1600 2,177 0,298 205,01 0,580 
 
Os valores máximos, segundo o Proconve, sao de CO = 1,5 g/kWh, HC = 0,46 g/kWh e NOx = 2,00 g/kWh. 
Assim, para todas as rotações as emissões de CO estão fora da norma, todas as de CxHy e de NOx estão conforme 
a norma. 
 
 
5. Conclusão 
 
O segundo laboratório de Termodinâmica II teve por objetivo analisar a composição química dos gases produtos 
da combustão de um motor diesel do laboratório de máquinas térmicas LMT - UNIFEI, usando um analisador de 
gases. 
Com o experimento foi possível concluir que com o aumento da rotação, a combustão se tornou mais eficiente, 
isso foi observado pelo fato da quantidade de CO presente no gás de escape diminuir, ou seja, reagiu melhor, mas não 
ocorreu um aumento de CO2 na mistura, indicando falhas de combustão. 
Com o ensaio foi possível comparar os valores obtidos com a legislação de controle de emissões. Deste modo, 
os valores medidos de CO ultrapassaram o limite e os de NOx e CxHy correspondem à menos da metade do valor limite 
permitido. 
Com isso, o laboratório cumpriu com seu objetivo de realizar uma analise dos gases de escape de um motor a 
diesel