Investigação da Combustão de Biodiesel e Suas Emissões: Uma Abordagem em CFD

INVESTIGAÇÃO DA COMBUSTÃO DE BIODIESEL E SUAS EMISSÕES UMA ABORDAGEM EM CFD Bruna Evangelista da Costa1 Alex Álisson Bandeira Santos2 1 Graduanda em Engenharia Química Iniciação Científica CNPq bruecostaagmailcom 2 Doutorado em Energia e Ambiente Centro Universitário SENAI CIMATEC SalvadorBA alexsantosfieborgbr RESUMO A emissão de gases poluentes oriundos da queima de combustíveis em motores veiculares tem tomado maiores proporções com o crescimento dos centros urbanos A combustão do diesel por estes motores é um dos responsáveis pela liberação de gases poluentes como o CO CO2 e NOX Desta maneira visando amenizar a emissão destes gases poluentes foi desenvolvido o biodiesel que apresenta eficiência energética inferior ao diesel e em seguida foi feito como exemplo o B10 e B50 uma mistura entre Biodiesel e Diesel Apesar da espera por resultados positivos na redução da emissão dos gases poluentes CO e CO2 com esta mistura quanto maior for a concentração de biodiesel mais propícia a reação estará de ocorrer o efeito NOX ou seja um aumento na liberação de NOX O estudo fluidodinâmico através da técnica CFD revelará esse comportamento termodinâmico e quantitativo de emissão dos gases PALAVRASCHAVE biodiesel CFD combustão emissões 1 INTRODUÇÃO Atualmente segundo dados do IBGE no ano de 2019 cerca de 76 da população brasileira encontrase em centros urbanos como consequência disto o uso de automóveis como forma de transporte tem crescido expressivamente nos últimos anos A queima de combustíveis como o diesel no motor destes veículos é em parte responsável pela emissão de gases poluentes como CO CO2 NOx dentre outros que contribuem para o aumento da poluição atmosférica A busca por alternativas na diminuição da emissão destes gases resultou no desenvolvimento de diversas linhas de pesquisa e na criação de combustíveis renováveis tais como o Biodiesel que diferentemente do Diesel um combustível derivado do petróleo classificado como recurso não renovável é obtido a partir da transesterificação de óleos de origem vegetal e animal sendo também compatível com OS motores diesel já utilizados possui alto ponto de fulgor logo seu armazenamento é mais seguro quando comparado ao diesel dentre outras características positivas referentes ao mesmo ¹ De acordo com a Associação dos Produtores de Biodiesel do Brasil APROBIO no Brasil cerca de 82 de todo biodiesel utilizado é originário do óleo de soja constituído por ésteres etílicos de ácidos graxos A origem deste biocombustível é fator chave para um maior entendimento da composição final do produto puro e as variações reacionais que podem ocorrer durante o processo de combustão do B10 B20 B50 dentre outras variações A nível molecular diferentemente do diesel o biodiesel está isento de enxofre e compostos aromáticos sem formação de SO2 durante sua queima e possui um teor médio de 11 de oxigênio o que proporciona uma combustão mais completa deste biocombustível resultando na diminuição da formação de material particulado monóxido de carbono dentre outros compostos indesejados No entanto esta reação mais completa em altas temperaturas tona mais propícia a formação de NOx ² Este efeito ocorre durante o processo de autoignição do combustível variando de acordo com concentração e origem do biodiesel a geometria da câmara de combustão as condições de funcionamento do motor dentre outros diversos fatores O aumento no teor de oxigênio do combustível está proporcionalmente ligado ao maior percentual de biodiesel refletindo em zonas com temperaturas mais elevadas na câmara de combustão com isto aumentando as áreas de oxidação de hidrocarbonetos durante este processo A principal resposta é o aumento da taxa de formação de NOx propiciada pela reação mais completa de combustão em altas temperaturas Este efeito pode ser explicado pelo mecanismo de Zeldovich ³ O objetivo deste presente trabalho é investigação da combustão do biodiesel e diesel puro e em suas variações B10 e B50 avaliando os fenômenos físicoquímicos por meio da simulação computacional utilizando da técnica de fluidodinâmica computacional CFD para a avaliação do comportamento termodinâmico e de suas emissões com foco em CO CO2 e NOx com ênfase na condição de mistura B50 2 METODOLOGIA A seguir serão apresentados todos dados e métodos referentes a este presente trabalho 21 Especificações e geometria do motor O modelo do motor definido como objeto de estudo foi o 2KDFTV ciclo diesel com injeção eletrônica direta do tipo common Rail em linha com quatro válvulas por cilindro Com o auxílio do software Solidworks a geometria inicial será construída ao que se refere a parte interna da câmara de combustão sem a presença das válvulas de admissão e escape e com volume máximo do cilindro a altura do cilindro adotada será o percurso do pistão As dimensões utilizadas estão presentes na tabela 1 Tabela 1 Especificações da geometria da câmera de combustão do motor Dimensão mm Diâmetro interno do cilindro 92 Curso do pistão 938 Diâmetro do encaixe da válvula de admissão 305 Diâmetro do encaixe da válvula de escape 265 Fonte Manual de manutenção motor 2KDFTV 22 Especificações do combustível O diesel utilizado segue as especificações já presentes na biblioteca do software que será utilizado e o Biodiesel em estado puro é de origem do óleo vegetal de soja As especificações utilizadas para o biodiesel devem estar de acordo com a norma ANP nº 45 2014 23 Simulação fluidodinâmica computacional Com o auxílio do software ANSYS juntamente com a extensão CHEMKINpro todos os dados referentes aos combustíveis e especificações para simulação deveram ser imputados Será realizado o mesmo procedimento com condições semelhantes para o diesel puro B10 90 diesel 10 biodiesel B5050 biodiesel 50 diesel e o biodiesel puro todas as misturas serão feitas a partir dos dados anteriormente adicionados dos dois combustíveis puros As especificações da simulação devem ser previamente feitas de forma que sejam o mais próximo possível do funcionamento real do motor como pressão vazão de entrada do combustível injetado e quantidade de ar para cada ciclo do motor 24 Tratamento de dados Após a realização dos testes e tratamento dos dados todos os valores obtidos deverão ser quadruplicados visto que as simulações são realizadas em um cilindro individualmente os mesmos serão comparados com medições de testes de bancada em relação a temperatura e emissão de CO2 CO e NOX Posteriormente cálculos de desvio padrão e variância serão realizados 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O aumento das emissões de NOx pode ser visto como resultado do atraso químico que facilita a liberação de calor durante a combustão fazendo com que a câmara de combustão atinja elevadas temperaturas propiciando sua formação ressaltando que o oxigênio presento no biodiesel é extremamente relevante para o aumento da emissão de NOx Através do mecanismo de Zeldovich o processo de formação do NOx térmico em condições de elevadas temperaturas pode ser observado nas reações 1 2 e 3 entre N2 presente na atmosfera e O2 oriundo do combustível tornandose a forma mais significativa de obtenção deste composto Além desta formação existem mais dois tipos de formação a Prompt NOx envolvendo hidrocarbonetos intermediários da reação principalmente CH e CH2 que reagem com o N2 e o NOx combustível que ocorre através da oxidação de moléculas contendo nitrogênio em NO em baixas temperaturas4 O N2 NO N 1 N O2 NO O 2 N OH NO H 3 Com o aumento da concentração do biodiesel ocorre a redução de alguns gases como o monóxido de carbono Este comportamento pode ser explicado pela presença de oxigênio na molécula deste biocombustível o que acaba levando ao deslocamento desta reação para formação de dióxido de carbono Mesmo com esta tendência de formação de CO2 em detrimento do CO a utilização de maiores quantidades de biodiesel na mistura pode revelar resultados positivos em relação a sua redução quando comparado a combustão do diesel puro Diante disto é considerável a presença de algumas variações nas propriedades físicas e químicas como a densidade e reacionais a depender da quantidade e origem do biodiesel Estas mudanças refletem diretamente em diversos fatores como em sua eficiência térmica emissões dentre outras características 5 Para visualização destes efeitos a utilização do CFD ainda em fase inicial de teste mostrase uma forma eficaz na quantificação e visualização do comportamento do fluido como pode ser visto na figura 1 um dos primeiros testes realizados para passagem de água em uma geometria simplificada Figura 1 Teste do comportamento da velocidade da passagem do fluido 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com a efetiva realização das simulações esperase encontrar resultados que revelem as zonas de formação dos gases foco de estudo e sua temperatura durante o processo de combustão mostrando também seu comportamento fluidodinâmico onde apresente uma diminuição progressiva dos gases poluentes CO e CO2 com a diminuição da concentração de diesel neste caso diesel puro B10 B50 e biodiesel puro em ordem decrescente da quantidade de liberação destes gases oposto a este resultado esperase encontrar uma maior formação de NOx e zonas com temperatura mais elevadas na combustão dos biocombustíveis com maior concentração de biodiesel que em ordem seriam o biodiesel puro B50 B10 e diesel com pequenas variações das medições reais 5 REFERÊNCIAS 1 LANDMANN M C Estimativa das emissões de poluentes dos automóveis na RMSP considerando as rotas de tráfego Programa de Ciência AmbientalPROCAMUSP 2 SILVA C L M Obtenção de éteres etílicos a parte de transesterificação do óleo de andiroba com etanol Dissertação de mestrado da Universidade Estadual de Campinas CampinasSPout2005 3 COSTA J O Análises dos gases da exaustão em motor diesel com injeção Common Rail alimentado com diesel biodiesel e suas misturas Dissertação de mestrado da Universidade Católica do Rio Grande do SUL Porto AlegreRSout2017 4RIBAS W F BILOTTA P JANISSEK P R FILHO M A S C NETO R A P Influence of fuel diesel and biodiesel fearutes and fleet vehicles trasport group of NOx emissions in Curitiba Paraná BrazilSciELO v 21 p 437445 2016 5REIS E F CUNHA J P B MATEUS D L S DELMOND J G COUTO R F Desempenho emissões de um motorgerador ciclo diesel sob diferentes concentrações de biodiesel de soja Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v 17 p 565571 2013