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Química ·
Físico-química 1
· 2023/1
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1 O que é alumínio pósconsumo 2 Comente sobre o poder calorífico dos combustíveis relacionados neste trabalho Alternativamente você utilizaria em escala menor madeira 3 Tomando como base a equação que define o calor q discutida em sala você considera a tabela 2 para justificar algum tipo de aplicação ou utilidade 1 O que é alumínio pósconsumo O alumínio pósconsumo referese aos resíduos de alumínio produzidos após o uso final do produto feito de alumínio como latas embalagens e outros itens conforme o artigo Estudo de possíveis fontes de combustível com base no poder calorífico e na exergia química do alumínio forno de fusão Nas instalações de reciclagem de alumínio esse lixo é recolhido separado e processado para gerar o alumínio reciclado uma importante fonte de matéria prima para o setor de fundição de alumínio Comparado ao alumínio primário feito a partir de minérios de bauxita o alumínio reciclado feito de lixo pósconsumo apresenta uma série de vantagens em termos ambientais e econômicos O artigo afirma que apenas 5 da energia e das emissões de gases de efeito estufa da produção de alumínio primário são produzidos quando o alumínio reciclado é produzido A reciclagem de alumínio também é benéfica Itens de alumínio que já foram usados pelos consumidores e posteriormente descartados ou reciclados são chamados de alumínio pósconsumo Uma ampla gama de produtos de alumínio está incluída nisso incluindo latas de bebidas embalagens de alimentos janelas portas revestimento de telhado e várias outras coisas A reciclagem do alumínio pósconsumo é uma prática importante uma vez que o alumínio é um recurso não renovável e a produção primária de alumínio requer uma grande quantidade de energia e recursos naturais Segundo a Associação Brasileira do Alumínio ABAL a reciclagem de alumínio consome apenas 5 da energia necessária para produzir o alumínio primário a partir da bauxita De acordo com dados da ABAL em 2020 foram recicladas 518 mil toneladas de alumínio no Brasil sendo que 324 mil toneladas eram de alumínio pósconsumo Isso representa uma taxa de reciclagem de 504 do total de alumínio consumido no país A reciclagem do alumínio pode gerar benefícios econômicos e sociais além dos ambientais Segundo a ABAL a reciclagem do alumínio no Brasil deve gerar 27 mil empregos diretos e R 37 bilhões em investimentos em 2020 Concluindo o alumínio pósconsumo referese a produtos feitos de alumínio que já foram usados e abandonados pelos clientes A reciclagem desses produtos ajuda a diminuir o impacto ambiental da produção de alumínio e gera vantagens econômicas e sociais 2 Comente sobre o poder calorífico dos combustíveis relacionados neste trabalho Alternativamente você utilizaria em escala menor madeira Ao avaliar a adequação de um combustível como fonte de energia para a fundição de alumínio seu valor calorífico é uma consideração crucial O valor calorífico que é representado em unidades de energia por massa geralmente em joules por grama ou quilograma é uma medida de quanta energia um combustível pode criar quando é queimado No estudo do artigo mencionado diferentes tipos de combustíveis foram avaliados com base em seu poder calorífico e energia química Por exemplo o carvão é um combustível comum que é frequentemente usado em fundições devido ao seu alto poder calorífico Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos o poder calorífico do carvão pode variar de cerca de 24 a 33 megajoules por quilo dependendo do tipo e da qualidade O gás natural é outro combustível que pode ser avaliado Segundo a mesma fonte tem um poder calorífico superior ao do carvão cerca de 55 megajoules por quilograma O poder calorífico de um combustível não deve entretanto ser o único elemento levado em consideração na decisão de utilizálo em fundições ou para outros fins Fornecimento de combustível preços e impacto ambiental são possíveis preocupações cruciais adicionais No caso da madeira ela é um combustível renovável e pode ser uma alternativa viável para uso em escala menor De acordo com um estudo publicado no Journal of Renewable and Sustainable Energy a madeira é uma fonte de energia renovável com um potencial de uso crescente em muitas partes do mundo O estudo também afirma que a queima de madeira para produzir energia é ambientalmente mais amigável do que a queima de combustíveis fósseis porque a liberação de dióxido de carbono é compensada pela absorção de dióxido de carbono pelas árvores durante o crescimento Porém o uso da madeira como combustível deve ser cuidadosamente considerado para garantir que a produção seja sustentável e não leve ao desmatamento ou a outros tipos de deterioração ambiental Além disso é crucial ter em mente que a madeira às vezes tem um valor calorífico menor do que outros combustíveis o que pode afetar a eficácia com que queima nas fundições Em conclusão o poder calorífico é uma consideração significativa ao comparar vários combustíveis para uso em fundições mas outras considerações também devem ser feitas Em menor escala a madeira pode ser um bom substituto mas é fundamental garantir que ela atenda aos requisitos da aplicação em questão e que sua produção seja sustentável 3 Tomando como base a equação que define o calor q discutida em sala você considera a tabela 2 para justificar algum tipo de aplicação ou utilidade Sim a equação para o calor q é uma ferramenta crucial para descobrir quanta energia os diferentes combustíveis liberam durante a queima q m x c x T onde m é a massa do combustível c é seu calor específico e T é a variação de temperatura dá a equação Os valores de maior poder calorífico menor poder calorífico e energia química para diversos combustíveis são apresentados na Tabela 2 do artigo Study of possible fuel sources based on the calorific value and chemical exergy for aluminium melting furnace e podem ser utilizados para auxiliar escolher o melhor combustível para uma determinada aplicação O gráfico pode ser usado por exemplo para analisar várias possibilidades e escolher o combustível que gasta menos energia se a fundição do alumínio exigir um combustível de alto poder calorífico A tabela também pode ser usada para encontrar combustíveis renováveis e ecológicos se a sustentabilidade for uma prioridade A energia química mostrada na tabela também pode ser usada para comparar a eficiência energética de vários combustíveis A energia química é um indicador da quantidade de energia disponível para uso em uma determinada aplicação e é a quantidade de energia que pode ser retirada do combustível por meio de uma reação química completa Em resumo a Tabela 2 do artigo Study of possible fuel sources based on the calorific value and chemical exergy for aluminium melting furnace pode ser usada para selecionar o combustível mais adequado com base em diferentes critérios como poder calorífico sustentabilidade e eficiência energética Comentando mais sobre a tabela 2 mostra os valores de energia química EQ valor calorífico inferior PCI e valor calorífico superior PCS para vários tipos de combustível O PCS que inclui a energia liberada durante a condensação da água criada durante a combustão é a quantidade total de calor produzido durante toda a combustão de uma unidade de massa de combustível Ao contrário o PCI mede o calor emitido durante toda a combustão de uma quantidade unitária de combustível sem contabilizar a energia liberada durante a condensação da água produzida durante a combustão A quantidade máxima de energia que pode ser obtida do combustível durante uma reação química completa é conhecida como energia química EQ O EQ serve como um medidor da quantidade de energia que está disponível para utilização em uma determinada aplicação A Tabela 2 lista uma variedade de combustíveis incluindo biocombustíveis como madeira e bagaço de canadeaçúcar bem como combustíveis fósseis como carvão e petróleo As grandes diferenças nos valores de PCS PCI e EQ entre vários combustíveis podem ajudar na escolha do melhor combustível para uma determinada aplicação Se a sustentabilidade for uma prioridade por exemplo combustíveis renováveis como a madeira podem ser mais atraentes devido às suas baixas emissões de dióxido de carbono CO2 e ao status de fonte de energia renovável ISSN 23594799 Volume 7 Número 1 Ano 2021 p 0109 DOI 1036524ricv7i1845 ESTUDO DE POSSÍVEIS FONTES DE COMBUSTÍVEL COM BASE NO PODER CALORÍFICO E EXERGIA QUÍMICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO STUDY OF POSSIBLE FUEL SOURCES BASED ON THE CALORIFIC VALUE AND CHEMICAL EXERGY FOR ALUMINIUM MELTING FURNACE 1Eduardo Marques Vieira 2Eduardo Silva Farias 1Instituto Federal do Espirito Santo Campus Vitória Email eduardomarquescontatooutlookcom 2Instituto Federal do Espirito Santo Campus Vitória Email eduardoslvfariasgmailcom Autor de correspondência Artigo submetido em 23092020 aceito em 18122020 e publicado em 24052021 Resumo O alumínio é amplamente utilizado no mundo moderno possuindo muitas aplicações e uma qualidade especial a possibilidade de ser reciclado No entanto para que o alumínio seja fundido e reutilizado é necessária uma fonte de calor No presente artigo procurase analisar possíveis fontes de combustíveis para a fundição de uma quantidade prédeterminada de massa em um corpo de prova de alumínio buscando o mais adequado ao uso O trabalho foi realizado com base em cálculos termodinâmicos utilizandose unicamente do poder calorífico e da exergia química dos combustíveis Dentre os combustíveis estudados estão a gasolina o etanol o diesel o biodiesel proveniente de diversas fontes de óleos óleos vegetais e gases naturais distribuídos em diversos estados do Brasil Este artigo não leva em consideração as perdas de calor para o meio externo mas admitindo as mesmas condições para todos os combustíveis é possível apresentar uma boa comparação de volume e massa de combustível estimado mesmo com tal simplificação O óleo de soja se apresentou como uma possível alternativa de substituição aos combustíveis mais difundidos atualmente gás natural gasolina etanol e diesel e sendo o mais viável para utilização dentre os óleos estudados Os biodieseis embora tenham sido menos viáveis do que o diesel derivado do petróleo se tornam uma boa alternativa em quesito da filosofia de energia mais limpa O gás natural do estado do Espírito Santo foi superior no quesito de poder calorífico e exergia química comparado aos outros gases naturais das outras localidades consideradas Palavraschave termodinâmica combustíveis alumínio poder calorífico exergia Abstract Aluminum is widely used in the modern world having many applications and a special quality the possibility of being recycled However for the aluminum to be melted and reused a heat source is required This paper aims to analyze possible sources of fuels for the smelting of a predetermined aluminium mass amount analyzing the most suitable for use All of this was done based on thermodynamic calculations using only the calorific value and chemical exergy of the fuels Some of the fuels studied are gasoline ethanol diesel biodiesel from different oil sources vegetable oils and natural gases distributed in several states in Brazil This paper does not consider the heat losses to the external environment but assuming the same conditions for all fuels it is possible to present a good comparison of estimated fuel volume and mass even with such simplification The soybean oil was presented as a possible alternative to replace the most widespread fuels today natural gas gasoline ethanol and diesel and is the most viable for use among the studied oils Biodiesels 2 v7 n1 2021 although less viable than petroleumbased diesel become a good alternative in terms of the cleaner energy philosophy The natural gas of the state of Espírito Santo was superior in terms of calorific value and chemical exergy compared to other natural gases from other locations considered Keywords thermodynamics fuels aluminium calorific value exergy 1 INTRODUÇÃO O alumínio é um material muito empregado no setor metalmecânico e sua reciclagem é um dos seus pontos fortes Segundo a Associação Brasileira do Alumínio ABAL desde 2014 o Brasil importa mais do que exporta o alumínio primário alumínio fundido pela primeira vez Assim Chaves 2018 explica que embora a reciclagem já seja significativa cerca de 35 quando comparada com a média mundial cerca de 271 ainda há espaço para o Brasil aumentar a taxa de reciclagem Como tecnologia utilizada para o processo industrial de reaproveitamento da sucata do alumínio a ABAL 2020 mostra que os fornos utilizados para a fundição são do tipo rotativos rotativos selados sidewell sem sal de indução e de plasma Os fornos rotativos têm um rendimento metálico de 50 a 60 Já os fornos rotativos selados têm um rendimento de até 85 Os fornos sidewell são de tecnologia mais moderna em comparação aos demais Os fornos de indução são os menos utilizados enquanto os fornos de plasma estão em desenvolvimento Os fornos citados acimas possuem seus combustíveis prédeterminados pelo próprio projeto do forno por exemplo o diesel e o gás natural são amplamente utilizados Todavia sabese que um dos desafios da engenharia é buscar fontes cada vez mais limpas de energia Para o caso pontual do alumínio Morais 2015 abordou os fatores da logística do processo sendo obtidos bons resultados para a redução de energia elétrica e extração da bauxita que é a matéria prima para a obtenção do alumínio Assim sendo é importante ampliar o leque de possíveis fontes de combustível a fim de possibilitar uma maior diversidade de possíveis combustíveis a serem empregados analisando a eficiência global do processo Para analisar estes combustíveis é necessário indicadores de qualidade de queima e por isso se faz necessário o estudo dos combustíveis baseado no poder calorífico e na exergia Portanto este artigo visa estabelecer as fontes de combustíveis mais adequadas para fundir alumínio analisando de modo comparativo os poderes caloríficos e a exergia por meio de cálculos termodinâmicos ou seja um estudo teórico 2 REFERENCIAL TEÓRICO A média entre a temperatura do estado morto 25C e a temperatura de fusão do alumínio 660C é 3425 C De acordo com Brandhuber 2017 o calor específico do alumínio a 300C é 101 kJkgK e este é um valor aceitável para os cálculos pois permanece constante para todos os combustíveis e não influenciará na escolha de uma possível fonte de combustível É ainda visto que segundo Mees 2003 o calor latente L do alumínio é igual a 39748 kJkg Para que o alumínio seja fundido é necessária uma fonte de calor e para escolher um dado combustível como possível fonte de calor se faz necessário analisar determinadas propriedades termodinâmicas Çengel 2013 define a propriedade termodinâmica denominada de poder calorífico como a quantidade de calor liberada pela queima completa do 3 v7 n1 2021 combustível na qual os produtos da combustão estão à temperatura ambiente O poder calorífico é denominado poder calorífico inferior PCI quando a água é liberada sob a forma de vapor e de poder calorífico superior PCS quando a água dos gases de combustão é completamente condensada Além do poder calorífico Çengel 2013 explica que uma parcela da energia da fonte é inevitavelmente rejeitada como energia indisponível Assim se fez necessário uma propriedade que considere apenas o trabalho útil disponível pela fonte Então Moran 2013 corrobora a exergia como o máximo trabalho possível obtido entre o sistema até que este entre em equilíbrio com o ambiente estado morto Sendo o estado morto considerado tipicamente como 25C e 1 atm Kamate 2009 explica que o bagaço de cana com 50 de umidade possui exergia química igual a 9889 kJkg Ainda é explicado a propriedade Φ sendo a razão da exergia química pelo poder calorífico inferior de combustível e sendo igual a 128 ou seja o poder calorífico inferior do bagaço com 50 de umidade é de 7725 kJkg Além disso Da Silva 2008 mostrou que para 50 de umidade o poder calorífico superior é igual a 9519 kJkg e 1000 kgm³ Realizando uma média entre o PCI e PCS temse PC igual a 8622 kJkg Já Lora 2001 mostra que a palha da cana possui um PCI de 15174 kJkg e exergia química igual a 17228 kJkg Complementando Padilla 2016 encontrou um PCS igual a 17490 kJkg Semelhantemente ao bagaço realizando uma média temos PC igual a 17359 kJkg Já no que se diz respeito a massa específica é difícil ser mensurado pois varia de acordo com o grau de compactação Contudo Camargo 2020 indicou que uma boa estimativa para a palha bruta ou seja não triturada é de 306 kgm³ De acordo com Çengel 2013 o PCI da gasolina é 44000 kJkg e o PCS é 47300 kJkg o que pode nos dar uma aproximação de PC igual a 45650 kJkg Já o etanol apresenta um PCI de 26810 kJkg e um PCS de 29670 kJkg logo PC é 28240 kJkg Van Der Vorst 2013 indicou que a exergia da gasolina é de 43000 kJkg e Ometto 2010 após uma série de estudos sobre o etanol forneceu um valor de exergia igual a 29430 kJkg Já pelo Sindipetro 2015 a massa específica da gasolina se situa entre 07300 e 07700 gml ou gcm³ e a massa específica do etanol está entre 8029 e 8112 kgm³ Com uma média simples e convertendo para kgm³ considerase uma massa específica da gasolina igual a 7500 kgm³ e do etanol igual a 8071 kgm³ Neto 2000 faz uma análise sobre diversas propriedades dos óleos de babaçu dendê e soja do óleo diesel e dos biocombustíveis de mamona babaçu dendê e algodão Sendo destacado o poder calorífico e a massa específica destes combustíveis na Tabela 1 A massa específica do óleo de soja não foi descrita por Neto porém Souza 2014 explica que o óleo de soja possui uma massa específica de 9155 kgm³ Lopes 2016 simulou a produção do biodiesel a partir do óleo de palma também chamado de óleo de dendê onde foi descrito que no processo havia uma entrada de 39409 MJh com uma vazão de 1000 kgh ou seja o óleo de dendê possui exergia química igual a 39409 kJkg Além disso ao fim do processo o autor obteve como resultado 33392 MJh com uma vazão mássica de 8438 kgh ou seja 39573 kJkg de exergia do biodiesel Com base neste processo descrito por Lopes fica ainda nítido que a diferença entre os óleos e os biodieseis é o fato de que o biodiesel é produzido a partir do processamento e tratamento do óleo vegetal Da Silva 2017 mostra que a exergia química do óleo de soja é igual a 39439 kJkg 4 v7 n1 2021 De acordo com Ferreira 2014 a exergia do óleo de babaçu é 236107 kJ com um total de 630 kg ou seja o óleo possui uma exergia específica de 37460 kJkg E após o processo de obtenção do biodiesel temse uma exergia de 223107 kJ com 586 kg logo a exergia específica do biodiesel de babaçu 38055 kJkg Em seu estudo Yaşar 2016 define que a exergia do biodiesel de algodão é dada por 873 kW em que a vazão mássica é 000186519 kgs Portanto a exergia específica do biodiesel de algodão é aproximadamente 46805 kJkg Monteiro 2013 realizou um estudo comparativo entre o diesel convencional e o biodiesel proveniente da mamona Assim foi concluído que a exergia do diesel é de 44980 kJkg e a do biodiesel da mamona é de 38480 kJkg Já Ferrarini 2015 faz o estudo energético e exergético para o uso do gás natural proveniente das regiões do Espírito Santo Bahia Rio de Janeiro Ceará além do Nordeste em geral Já segundo a Comgás 2020 o gás natural possui 0766 kgm³ sendo considerado os gases naturais estudados com a mesma massa específica Portanto a Tabela 1 é a compilação do poder calorífico da exergia química e da massa específica dos combustíveis acima citados Tabela 1 Poder calorífico exergia química e massa específica para os combustíveis Combustíveis Poder calorífico kJkg Exergia química kJkg Massa específica kgm³ Bagaço de cana com 50 de umidade 8622 9889 10000 Palha de cana com 15 de umidade 17359 17228 306 Gasolina 45650 43000 7500 Etanol 28240 29430 8071 Óleo de babaçu 37861 37460 9153 Óleo de dendê 37430 39409 9118 Óleo de soja 39417 39439 9155 Óleo diesel 45288 44980 8497 Biodiesel de mamona 37849 38480 9190 Biodiesel de babaçu 39497 38055 8865 Biodiesel de dendê 39874 39573 8597 Biodiesel de algodão 39832 46805 8750 Gás Natural do ES 52649 50502 0766 Gás Natural da BA 52167 50242 0766 Gás Natural do NE 51497 49952 0766 Gás Natural do RJ 50344 49791 0766 Gás Natural do CE 49074 48337 0766 3 PROCESSOS METODOLÓGICOS Os cálculos termodinâmicos foram feitos a partir de uma temperatura T0 e uma pressão P0 equivalentes ao estado morto que são 25C e 1 atm respectivamente Admitese ainda a utilização de 1 kg de alumínio como corpo de prova sendo analisado na sequência qual o combustível que teria mais gasto volumétrico para elevar a entalpia do alumínio da temperatura ambiente até o ponto de fusão 5 v7 n1 2021 Sabese de acordo com Çengel 2013 que a quantidade de calor durante a queima do combustível é dada por Q mcomb PC 1 onde Q é a quantidade de calor mcomb é a massa de combustível e PC é o poder calorífico Além disso Atkins 2012 explica que o calor latente é a diferença de entalpia entre dois estados da matéria No caso do alumínio os estados são líquido e sólido Então para que o alumínio seja fundido é necessária uma quantidade de calor denominado de calor latente e além deste o calor sensível que faz aumentar a temperatura do material mas não altera o estado da matéria Portanto sabese que a quantidade de calor para fundir o alumínio da temperatura ambiente até o estado líquido é a soma do calor sensível QS e do calor latente QL ou seja Q QS QL 2 na qual o calor sensível e latente são respectivamente determinados por QS mal cΔT 3 e QL mal L 4 onde mal é a massa do alumínio c é o calor específico do alumínio ΔT é a variação de temperatura e L é a constante de calor latente do alumínio Substituindo as equações 3 e 4 em 2 temse Q mal cΔT mal L Reorganizando foi obtido Q mal cΔT L 5 Considerando que o sistema é adiabático e que a análise do ar padrão é a mesma para cada combustível podese simplificar os cálculos e considerar que a quantidade de calor fornecida pelo combustível é toda absorvida pelo alumínio Assim sendo a equação 5 se iguala à equação 1 e então foi obtida a relação mcomb PC mal cΔT L que pode finalmente ser reescrita como mcomb mal cΔT LPC 6 Utilizandose o poder calorífico da Tabela 1 a equação 6 e as propriedades adquiridas para o alumínio é possível obter a massa de um determinado combustível Como a Tabela 1 possui a massa específica dos combustíveis é também possível descobrir o volume de combustível estimado por meio da equação descrita por Moran 2013 V mρ 7 sendo V o volume m a massa e ρ a massa específica do combustível Já para a parte exergética Çengel 2013 explica que o balanço de exergia para um sistema fechado é dado por E calor E trabalho E destruída ΔE sistema Como a variação de exergia do sistema é apenas associada a exergia química e não há exergia associada ao trabalho e exergia destruída a equação é resumida por 1 T0T Q Equi na qual manipulando é obtido Q mcomb equi1T0T 8 onde T0 é a temperatura do estado morto T é a temperatura da fonte e equi é a exergia química específica Igualando a equação 8 com a equação 5 temse mcomb equi1T0T mal cΔT L Então é possível obter a quantidade de massas dos combustíveis usado para a fundição do alumínio como sendo mcombmal 1T0T cΔT L equi 9 6 v7 n1 2021 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Utilizandose das equações 6 7 e 9 com os dados da Tabela 1 para cada combustível é possível obter os dados da massa de combustível necessária para se fundir 1 quilograma de alumínio puro e registrar esses dados na Tabela 2 Tabela 2 Massa e volume estimados com base no poder calorífico e exergia química Combustíveis Massa estimada pelo PC kJkg Massa estimada pela exergia kg Volume estimado pelo PC L Volume estimado pela exergia L Bagaço de cana com 50 de umidade 0028284621 0071496402 002828462 007149640 Palha de cana com 15 de umidade 001404862 0041039466 045910524 134115902 Gasolina 0005342169 001644251 000712289 002192335 Etanol 0008635623 0024024054 001069957 002976590 Óleo de babaçu 0006441193 001887421 000703725 002062079 Óleo de dendê 0006515362 0017940773 000714560 001967622 Óleo de soja 0006186924 0017927126 000675797 001958179 Óleo diesel 000538487 0015718718 000633738 001849914 Biodiesel de mamona 0006443235 0018373906 000701114 001999337 Biodiesel de babaçu 0006174393 0018579107 000696491 002095782 Biodiesel de dendê 0006116015 0017866422 000711413 002078216 Biodiesel de algodão 0006122464 001510582 000699710 001726379 Gás Natural do ES 0004631997 0013999998 604699322 1827676035 Gás Natural da BA 0004674794 0014072448 610286477 1837134173 Gás Natural do NE 0004735616 0014154146 618226588 1847799790 Gás Natural do RJ 0004844073 0014199914 632385480 1853774681 Gás Natural do CE 0004969434 0014627054 648751164 190953711 Os combustíveis sólidos estudados foram o bagaço e a palha da cana na qual a palha se tornou mais proveitosa em quesito de massa estimada para a fundição mas o bagaço foi superior em relação ao volume estimado Para o processo de fundição do alumínio em larga escala ambos não são a melhor escolha visto que os combustíveis líquidos foram mais satisfatórios no critério de seleção Entretanto em empresas de produção sucroalcooleira em que alguns casos o bagaço e a palha são descartados estes combustíveis podem ser aproveitados para fornecer mais exergia ao processo de produção em regeneradores de calor Dentre os óleos vegetais testados teoricamente tanto com base no poder 7 v7 n1 2021 calorífico e na exergia o que demandou a menor quantidade necessária de massa de combustível para fundir o alumínio foi o óleo de soja Assim sendo tornouse o óleo vegetal mais viável para utilização na fonte Em contrapartida o óleo vegetal de pior escolha com base no poder calorífico foi o de dendê enquanto com base na exergia química foi o de babaçu Todavia salientase que a diferença não foi exorbitante por isso todos os óleos vegetais estudados neste trabalho se apresentam como uma fonte viável para uso na fundição do alumínio Houve um resultado aproximado para o etanol a gasolina e o diesel sendo que o óleo diesel se mostrou melhor do que os biodieseis estudados com relação a massa estimada para o processo No entanto Ghassan 2003 explica que há uma forte tendência em substituir os combustíveis provenientes do petróleo por fontes mais limpas de energia e por isso os biodieseis em geral se mostraram como uma alternativa ao diesel Dentre os gases naturais proveniente de diferentes estados do Brasil o gás natural do estado do Espírito Santo foi superior aos demais em quesito de poder calorífico e de exergia o que influenciou para ser o gás natural com o menor custo mássico necessário para o processo de fundição Relembrando que para realizar esses cálculos assumiuse que não haveria troca de calor com o meio externo assim o valor necessário da massa de cada combustível na prática seria diferente dos valores obtidos na Tabela 5 No entanto para efeitos meramente comparativos de combustíveis é possível fazer tal simplificação pois impõe a todos os combustíveis a mesma situação de troca de calor e assim sendo nenhum deles se sobressai com algum tipo de vantagem 5 CONCLUSÕES O presente artigo destacou possíveis fontes de combustíveis para a substituição aos utilizados atualmente apresentando as estimativas mássicas e volumétricas dos combustíveis com base em seus poderes caloríficos e exergias químicas tendo a hipótese de que o sistema é adiabático e que a análise do ar padrão é a mesma para cada combustível analisado Como proposta para futuras pesquisas sugerese a desconsideração da hipótese de sistema adiabático envolvidas nos cálculos e buscar considerar a variação real da exergia durante a fundição por meio de simulações computacionais métodos analíticos ou experimentais Além disso propõese uma análise termoeconômica a respeito dos combustíveis estudados mensurando os gastos com combustíveis de maneira exata REFERÊNCIAS ABAL Associação Brasileira do Alumínio Disponível em httpwwwabalorgbr Acessado em 17 de setembro de 2020 ABAL Associação Brasileira do Alumínio Reciclagem Disponível em httpabalorgbraluminioprocessosde producaoreciclagem Acessado em 14 de setembro de 2020 ATKINS Peter JONES Lorreta Princípios de química questionando a vida moderna e o meio ambiente Tradução Ricardo Bicca de Alencastro 5 ed Porto Alegre Bookman 2012 BRANDHUBER Cássio Cunha Pacheco Construção e avaliação de um sistema recuperador de calor por fluxo de ar na solidificação do alumínio 2017 Trabalho de Conclusão de Curso Universidade Tecnológica Federal do Paraná 8 v7 n1 2021 CAMARGO Júlia MO et al Characterization of sugarcane straw and bagasse from dry cleaning system of sugarcane for cogeneration system Renewable Energy 2020 CHAVES Carlos Alberto et al Benefícios da reciclagem de materiais O caso do alumínio Revista Livre de Sustentabilidade e Empreendedorismo v 3 n 3 p 111134 2018 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica Tradução Paulo Maurício Costa Gomes revisão técnica Antonio Pertence Júnior 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 COMGÁS Características do gás natural Disponível em httpswwwcomgascombrpara industriacaracteristicasdogasnatural Acesso em 5 de setembro de 2020 DA SILVA Marcelo Bacci DOS SANTOS MORAIS Anderson Avaliação energética do bagaço de cana em diferentes níveis de umidade e graus de compactação XXVIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção Rio de Janeiro p 111 2008 DA SILVA Marina Marques Análise exergética da produção do biodiesel por mistura binária de sebo bovino e óleo de soja 2017 FERRARINI R S COLOMBO D C RIBEIRO L C RODRIGUES R S José J C S Santos O Indicador mais adequado para a valoração do gás natural Base Energética ou Exergética 2015 Apresentação de TrabalhoCongresso FERREIRA Maria Emilia Martins Análise exergoeconômica da produção de biodiesel de babaçu obtido por via metílica e etílica 2014 GHASSAN T A MOHAMAD I AL WIDYAN Combustion performance and emissions of ethyl ester of a waste of vegetable oil in a watercooled furnace Appl Thermal Eng v 23 p285293 2003 KAMATE S GANGAVATI P Exergy analysis of cogeneration power plants in sugar industries Applied Thermal Engineering v 29 p 11871194 2009 LOPES J V M DIAS C S CUNHA V M B PAIVA M ARAÚJO M E Simulação da produção de biodiesel de óleo de palma projeto análise exergética e da separação XXI Congresso Brasileiro de Engenharia Química 2016 LORA E E S ARRIETA F P CARPIO R C Eletricidade a partir do bagaço de cana In Marcello Guimarães Mello Org Biomassa Energia dos Trópicos em Minas Gerais Labmida v1 pp 5981 2001 MEES Alberto Antônio Fusão e Solidificação 2003 Disponível em httpwwwifufrgsbrcrefameesconden html Acesso em 5 de setembro de 2020 MONTEIRO Leonardo de A et al Performance impact of the application of castor oil biodiesel in diesel engines Engenharia Agrícola v 33 n 6 p 1165 1171 2013 MORAIS Marcos de Oliveira BREJÃO Antonio Sérgio NETO Pedro Luiz de Oliveira Costa A logística reversa aplicada na fundição de alumínio auxiliando na redução do consumo de energia e de bauxita Exatas Engenharias v 5 n 12 2015 MORAN M J et al Princípios de termodinâmica para engenharia Tradução Gisele Maria Ribeiro Vieira Paulo Pedro Kenedi Fernando Ribeiro da Silva 7 ed Rio de Janeiro LTC 2013 NETO Pedro R Costa et al Produção de biocombustível alternativo ao óleo diesel através da transesterificação de óleo de soja usado em frituras Química nova v 23 n 4 p 531537 2000 OMETTO Aldo Roberto ROMA Woodrow Nelson Lopes Atmospheric 9 v7 n1 2021 impacts of the life cycle emissions of fuel ethanol in Brazil based on chemical exergy Journal of Cleaner Production v 18 n 1 p 7176 2010 PADILLA Elias Ricardo D et al Produção e caracterização físico mecânica de briquetes de fibra de coco e palha de canadeaçúcar Revista virtual de Química v 8 n 5 2016 SOUZA LUZ Propriedades de óleos empregados em flotação Rio Grande do Norte 2014 SINDIPETRO Teste de qualidades Tabelas de conversão de produtos 2015 VAN DER VORST Geert et al Reduced resource consumption through three generations of Galantamine HBr synthesis Green Chemistry v 15 n 3 p 744748 2013 YAŞAR Abdulkadir ALI Abdulkadir Abdi Investigação dos efeitos do diesel e do biodiesel na análise de energia e exergia em motores a diesel Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi v 31 n 1 pág 159 174 2016
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1 O que é alumínio pósconsumo 2 Comente sobre o poder calorífico dos combustíveis relacionados neste trabalho Alternativamente você utilizaria em escala menor madeira 3 Tomando como base a equação que define o calor q discutida em sala você considera a tabela 2 para justificar algum tipo de aplicação ou utilidade 1 O que é alumínio pósconsumo O alumínio pósconsumo referese aos resíduos de alumínio produzidos após o uso final do produto feito de alumínio como latas embalagens e outros itens conforme o artigo Estudo de possíveis fontes de combustível com base no poder calorífico e na exergia química do alumínio forno de fusão Nas instalações de reciclagem de alumínio esse lixo é recolhido separado e processado para gerar o alumínio reciclado uma importante fonte de matéria prima para o setor de fundição de alumínio Comparado ao alumínio primário feito a partir de minérios de bauxita o alumínio reciclado feito de lixo pósconsumo apresenta uma série de vantagens em termos ambientais e econômicos O artigo afirma que apenas 5 da energia e das emissões de gases de efeito estufa da produção de alumínio primário são produzidos quando o alumínio reciclado é produzido A reciclagem de alumínio também é benéfica Itens de alumínio que já foram usados pelos consumidores e posteriormente descartados ou reciclados são chamados de alumínio pósconsumo Uma ampla gama de produtos de alumínio está incluída nisso incluindo latas de bebidas embalagens de alimentos janelas portas revestimento de telhado e várias outras coisas A reciclagem do alumínio pósconsumo é uma prática importante uma vez que o alumínio é um recurso não renovável e a produção primária de alumínio requer uma grande quantidade de energia e recursos naturais Segundo a Associação Brasileira do Alumínio ABAL a reciclagem de alumínio consome apenas 5 da energia necessária para produzir o alumínio primário a partir da bauxita De acordo com dados da ABAL em 2020 foram recicladas 518 mil toneladas de alumínio no Brasil sendo que 324 mil toneladas eram de alumínio pósconsumo Isso representa uma taxa de reciclagem de 504 do total de alumínio consumido no país A reciclagem do alumínio pode gerar benefícios econômicos e sociais além dos ambientais Segundo a ABAL a reciclagem do alumínio no Brasil deve gerar 27 mil empregos diretos e R 37 bilhões em investimentos em 2020 Concluindo o alumínio pósconsumo referese a produtos feitos de alumínio que já foram usados e abandonados pelos clientes A reciclagem desses produtos ajuda a diminuir o impacto ambiental da produção de alumínio e gera vantagens econômicas e sociais 2 Comente sobre o poder calorífico dos combustíveis relacionados neste trabalho Alternativamente você utilizaria em escala menor madeira Ao avaliar a adequação de um combustível como fonte de energia para a fundição de alumínio seu valor calorífico é uma consideração crucial O valor calorífico que é representado em unidades de energia por massa geralmente em joules por grama ou quilograma é uma medida de quanta energia um combustível pode criar quando é queimado No estudo do artigo mencionado diferentes tipos de combustíveis foram avaliados com base em seu poder calorífico e energia química Por exemplo o carvão é um combustível comum que é frequentemente usado em fundições devido ao seu alto poder calorífico Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos o poder calorífico do carvão pode variar de cerca de 24 a 33 megajoules por quilo dependendo do tipo e da qualidade O gás natural é outro combustível que pode ser avaliado Segundo a mesma fonte tem um poder calorífico superior ao do carvão cerca de 55 megajoules por quilograma O poder calorífico de um combustível não deve entretanto ser o único elemento levado em consideração na decisão de utilizálo em fundições ou para outros fins Fornecimento de combustível preços e impacto ambiental são possíveis preocupações cruciais adicionais No caso da madeira ela é um combustível renovável e pode ser uma alternativa viável para uso em escala menor De acordo com um estudo publicado no Journal of Renewable and Sustainable Energy a madeira é uma fonte de energia renovável com um potencial de uso crescente em muitas partes do mundo O estudo também afirma que a queima de madeira para produzir energia é ambientalmente mais amigável do que a queima de combustíveis fósseis porque a liberação de dióxido de carbono é compensada pela absorção de dióxido de carbono pelas árvores durante o crescimento Porém o uso da madeira como combustível deve ser cuidadosamente considerado para garantir que a produção seja sustentável e não leve ao desmatamento ou a outros tipos de deterioração ambiental Além disso é crucial ter em mente que a madeira às vezes tem um valor calorífico menor do que outros combustíveis o que pode afetar a eficácia com que queima nas fundições Em conclusão o poder calorífico é uma consideração significativa ao comparar vários combustíveis para uso em fundições mas outras considerações também devem ser feitas Em menor escala a madeira pode ser um bom substituto mas é fundamental garantir que ela atenda aos requisitos da aplicação em questão e que sua produção seja sustentável 3 Tomando como base a equação que define o calor q discutida em sala você considera a tabela 2 para justificar algum tipo de aplicação ou utilidade Sim a equação para o calor q é uma ferramenta crucial para descobrir quanta energia os diferentes combustíveis liberam durante a queima q m x c x T onde m é a massa do combustível c é seu calor específico e T é a variação de temperatura dá a equação Os valores de maior poder calorífico menor poder calorífico e energia química para diversos combustíveis são apresentados na Tabela 2 do artigo Study of possible fuel sources based on the calorific value and chemical exergy for aluminium melting furnace e podem ser utilizados para auxiliar escolher o melhor combustível para uma determinada aplicação O gráfico pode ser usado por exemplo para analisar várias possibilidades e escolher o combustível que gasta menos energia se a fundição do alumínio exigir um combustível de alto poder calorífico A tabela também pode ser usada para encontrar combustíveis renováveis e ecológicos se a sustentabilidade for uma prioridade A energia química mostrada na tabela também pode ser usada para comparar a eficiência energética de vários combustíveis A energia química é um indicador da quantidade de energia disponível para uso em uma determinada aplicação e é a quantidade de energia que pode ser retirada do combustível por meio de uma reação química completa Em resumo a Tabela 2 do artigo Study of possible fuel sources based on the calorific value and chemical exergy for aluminium melting furnace pode ser usada para selecionar o combustível mais adequado com base em diferentes critérios como poder calorífico sustentabilidade e eficiência energética Comentando mais sobre a tabela 2 mostra os valores de energia química EQ valor calorífico inferior PCI e valor calorífico superior PCS para vários tipos de combustível O PCS que inclui a energia liberada durante a condensação da água criada durante a combustão é a quantidade total de calor produzido durante toda a combustão de uma unidade de massa de combustível Ao contrário o PCI mede o calor emitido durante toda a combustão de uma quantidade unitária de combustível sem contabilizar a energia liberada durante a condensação da água produzida durante a combustão A quantidade máxima de energia que pode ser obtida do combustível durante uma reação química completa é conhecida como energia química EQ O EQ serve como um medidor da quantidade de energia que está disponível para utilização em uma determinada aplicação A Tabela 2 lista uma variedade de combustíveis incluindo biocombustíveis como madeira e bagaço de canadeaçúcar bem como combustíveis fósseis como carvão e petróleo As grandes diferenças nos valores de PCS PCI e EQ entre vários combustíveis podem ajudar na escolha do melhor combustível para uma determinada aplicação Se a sustentabilidade for uma prioridade por exemplo combustíveis renováveis como a madeira podem ser mais atraentes devido às suas baixas emissões de dióxido de carbono CO2 e ao status de fonte de energia renovável ISSN 23594799 Volume 7 Número 1 Ano 2021 p 0109 DOI 1036524ricv7i1845 ESTUDO DE POSSÍVEIS FONTES DE COMBUSTÍVEL COM BASE NO PODER CALORÍFICO E EXERGIA QUÍMICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO STUDY OF POSSIBLE FUEL SOURCES BASED ON THE CALORIFIC VALUE AND CHEMICAL EXERGY FOR ALUMINIUM MELTING FURNACE 1Eduardo Marques Vieira 2Eduardo Silva Farias 1Instituto Federal do Espirito Santo Campus Vitória Email eduardomarquescontatooutlookcom 2Instituto Federal do Espirito Santo Campus Vitória Email eduardoslvfariasgmailcom Autor de correspondência Artigo submetido em 23092020 aceito em 18122020 e publicado em 24052021 Resumo O alumínio é amplamente utilizado no mundo moderno possuindo muitas aplicações e uma qualidade especial a possibilidade de ser reciclado No entanto para que o alumínio seja fundido e reutilizado é necessária uma fonte de calor No presente artigo procurase analisar possíveis fontes de combustíveis para a fundição de uma quantidade prédeterminada de massa em um corpo de prova de alumínio buscando o mais adequado ao uso O trabalho foi realizado com base em cálculos termodinâmicos utilizandose unicamente do poder calorífico e da exergia química dos combustíveis Dentre os combustíveis estudados estão a gasolina o etanol o diesel o biodiesel proveniente de diversas fontes de óleos óleos vegetais e gases naturais distribuídos em diversos estados do Brasil Este artigo não leva em consideração as perdas de calor para o meio externo mas admitindo as mesmas condições para todos os combustíveis é possível apresentar uma boa comparação de volume e massa de combustível estimado mesmo com tal simplificação O óleo de soja se apresentou como uma possível alternativa de substituição aos combustíveis mais difundidos atualmente gás natural gasolina etanol e diesel e sendo o mais viável para utilização dentre os óleos estudados Os biodieseis embora tenham sido menos viáveis do que o diesel derivado do petróleo se tornam uma boa alternativa em quesito da filosofia de energia mais limpa O gás natural do estado do Espírito Santo foi superior no quesito de poder calorífico e exergia química comparado aos outros gases naturais das outras localidades consideradas Palavraschave termodinâmica combustíveis alumínio poder calorífico exergia Abstract Aluminum is widely used in the modern world having many applications and a special quality the possibility of being recycled However for the aluminum to be melted and reused a heat source is required This paper aims to analyze possible sources of fuels for the smelting of a predetermined aluminium mass amount analyzing the most suitable for use All of this was done based on thermodynamic calculations using only the calorific value and chemical exergy of the fuels Some of the fuels studied are gasoline ethanol diesel biodiesel from different oil sources vegetable oils and natural gases distributed in several states in Brazil This paper does not consider the heat losses to the external environment but assuming the same conditions for all fuels it is possible to present a good comparison of estimated fuel volume and mass even with such simplification The soybean oil was presented as a possible alternative to replace the most widespread fuels today natural gas gasoline ethanol and diesel and is the most viable for use among the studied oils Biodiesels 2 v7 n1 2021 although less viable than petroleumbased diesel become a good alternative in terms of the cleaner energy philosophy The natural gas of the state of Espírito Santo was superior in terms of calorific value and chemical exergy compared to other natural gases from other locations considered Keywords thermodynamics fuels aluminium calorific value exergy 1 INTRODUÇÃO O alumínio é um material muito empregado no setor metalmecânico e sua reciclagem é um dos seus pontos fortes Segundo a Associação Brasileira do Alumínio ABAL desde 2014 o Brasil importa mais do que exporta o alumínio primário alumínio fundido pela primeira vez Assim Chaves 2018 explica que embora a reciclagem já seja significativa cerca de 35 quando comparada com a média mundial cerca de 271 ainda há espaço para o Brasil aumentar a taxa de reciclagem Como tecnologia utilizada para o processo industrial de reaproveitamento da sucata do alumínio a ABAL 2020 mostra que os fornos utilizados para a fundição são do tipo rotativos rotativos selados sidewell sem sal de indução e de plasma Os fornos rotativos têm um rendimento metálico de 50 a 60 Já os fornos rotativos selados têm um rendimento de até 85 Os fornos sidewell são de tecnologia mais moderna em comparação aos demais Os fornos de indução são os menos utilizados enquanto os fornos de plasma estão em desenvolvimento Os fornos citados acimas possuem seus combustíveis prédeterminados pelo próprio projeto do forno por exemplo o diesel e o gás natural são amplamente utilizados Todavia sabese que um dos desafios da engenharia é buscar fontes cada vez mais limpas de energia Para o caso pontual do alumínio Morais 2015 abordou os fatores da logística do processo sendo obtidos bons resultados para a redução de energia elétrica e extração da bauxita que é a matéria prima para a obtenção do alumínio Assim sendo é importante ampliar o leque de possíveis fontes de combustível a fim de possibilitar uma maior diversidade de possíveis combustíveis a serem empregados analisando a eficiência global do processo Para analisar estes combustíveis é necessário indicadores de qualidade de queima e por isso se faz necessário o estudo dos combustíveis baseado no poder calorífico e na exergia Portanto este artigo visa estabelecer as fontes de combustíveis mais adequadas para fundir alumínio analisando de modo comparativo os poderes caloríficos e a exergia por meio de cálculos termodinâmicos ou seja um estudo teórico 2 REFERENCIAL TEÓRICO A média entre a temperatura do estado morto 25C e a temperatura de fusão do alumínio 660C é 3425 C De acordo com Brandhuber 2017 o calor específico do alumínio a 300C é 101 kJkgK e este é um valor aceitável para os cálculos pois permanece constante para todos os combustíveis e não influenciará na escolha de uma possível fonte de combustível É ainda visto que segundo Mees 2003 o calor latente L do alumínio é igual a 39748 kJkg Para que o alumínio seja fundido é necessária uma fonte de calor e para escolher um dado combustível como possível fonte de calor se faz necessário analisar determinadas propriedades termodinâmicas Çengel 2013 define a propriedade termodinâmica denominada de poder calorífico como a quantidade de calor liberada pela queima completa do 3 v7 n1 2021 combustível na qual os produtos da combustão estão à temperatura ambiente O poder calorífico é denominado poder calorífico inferior PCI quando a água é liberada sob a forma de vapor e de poder calorífico superior PCS quando a água dos gases de combustão é completamente condensada Além do poder calorífico Çengel 2013 explica que uma parcela da energia da fonte é inevitavelmente rejeitada como energia indisponível Assim se fez necessário uma propriedade que considere apenas o trabalho útil disponível pela fonte Então Moran 2013 corrobora a exergia como o máximo trabalho possível obtido entre o sistema até que este entre em equilíbrio com o ambiente estado morto Sendo o estado morto considerado tipicamente como 25C e 1 atm Kamate 2009 explica que o bagaço de cana com 50 de umidade possui exergia química igual a 9889 kJkg Ainda é explicado a propriedade Φ sendo a razão da exergia química pelo poder calorífico inferior de combustível e sendo igual a 128 ou seja o poder calorífico inferior do bagaço com 50 de umidade é de 7725 kJkg Além disso Da Silva 2008 mostrou que para 50 de umidade o poder calorífico superior é igual a 9519 kJkg e 1000 kgm³ Realizando uma média entre o PCI e PCS temse PC igual a 8622 kJkg Já Lora 2001 mostra que a palha da cana possui um PCI de 15174 kJkg e exergia química igual a 17228 kJkg Complementando Padilla 2016 encontrou um PCS igual a 17490 kJkg Semelhantemente ao bagaço realizando uma média temos PC igual a 17359 kJkg Já no que se diz respeito a massa específica é difícil ser mensurado pois varia de acordo com o grau de compactação Contudo Camargo 2020 indicou que uma boa estimativa para a palha bruta ou seja não triturada é de 306 kgm³ De acordo com Çengel 2013 o PCI da gasolina é 44000 kJkg e o PCS é 47300 kJkg o que pode nos dar uma aproximação de PC igual a 45650 kJkg Já o etanol apresenta um PCI de 26810 kJkg e um PCS de 29670 kJkg logo PC é 28240 kJkg Van Der Vorst 2013 indicou que a exergia da gasolina é de 43000 kJkg e Ometto 2010 após uma série de estudos sobre o etanol forneceu um valor de exergia igual a 29430 kJkg Já pelo Sindipetro 2015 a massa específica da gasolina se situa entre 07300 e 07700 gml ou gcm³ e a massa específica do etanol está entre 8029 e 8112 kgm³ Com uma média simples e convertendo para kgm³ considerase uma massa específica da gasolina igual a 7500 kgm³ e do etanol igual a 8071 kgm³ Neto 2000 faz uma análise sobre diversas propriedades dos óleos de babaçu dendê e soja do óleo diesel e dos biocombustíveis de mamona babaçu dendê e algodão Sendo destacado o poder calorífico e a massa específica destes combustíveis na Tabela 1 A massa específica do óleo de soja não foi descrita por Neto porém Souza 2014 explica que o óleo de soja possui uma massa específica de 9155 kgm³ Lopes 2016 simulou a produção do biodiesel a partir do óleo de palma também chamado de óleo de dendê onde foi descrito que no processo havia uma entrada de 39409 MJh com uma vazão de 1000 kgh ou seja o óleo de dendê possui exergia química igual a 39409 kJkg Além disso ao fim do processo o autor obteve como resultado 33392 MJh com uma vazão mássica de 8438 kgh ou seja 39573 kJkg de exergia do biodiesel Com base neste processo descrito por Lopes fica ainda nítido que a diferença entre os óleos e os biodieseis é o fato de que o biodiesel é produzido a partir do processamento e tratamento do óleo vegetal Da Silva 2017 mostra que a exergia química do óleo de soja é igual a 39439 kJkg 4 v7 n1 2021 De acordo com Ferreira 2014 a exergia do óleo de babaçu é 236107 kJ com um total de 630 kg ou seja o óleo possui uma exergia específica de 37460 kJkg E após o processo de obtenção do biodiesel temse uma exergia de 223107 kJ com 586 kg logo a exergia específica do biodiesel de babaçu 38055 kJkg Em seu estudo Yaşar 2016 define que a exergia do biodiesel de algodão é dada por 873 kW em que a vazão mássica é 000186519 kgs Portanto a exergia específica do biodiesel de algodão é aproximadamente 46805 kJkg Monteiro 2013 realizou um estudo comparativo entre o diesel convencional e o biodiesel proveniente da mamona Assim foi concluído que a exergia do diesel é de 44980 kJkg e a do biodiesel da mamona é de 38480 kJkg Já Ferrarini 2015 faz o estudo energético e exergético para o uso do gás natural proveniente das regiões do Espírito Santo Bahia Rio de Janeiro Ceará além do Nordeste em geral Já segundo a Comgás 2020 o gás natural possui 0766 kgm³ sendo considerado os gases naturais estudados com a mesma massa específica Portanto a Tabela 1 é a compilação do poder calorífico da exergia química e da massa específica dos combustíveis acima citados Tabela 1 Poder calorífico exergia química e massa específica para os combustíveis Combustíveis Poder calorífico kJkg Exergia química kJkg Massa específica kgm³ Bagaço de cana com 50 de umidade 8622 9889 10000 Palha de cana com 15 de umidade 17359 17228 306 Gasolina 45650 43000 7500 Etanol 28240 29430 8071 Óleo de babaçu 37861 37460 9153 Óleo de dendê 37430 39409 9118 Óleo de soja 39417 39439 9155 Óleo diesel 45288 44980 8497 Biodiesel de mamona 37849 38480 9190 Biodiesel de babaçu 39497 38055 8865 Biodiesel de dendê 39874 39573 8597 Biodiesel de algodão 39832 46805 8750 Gás Natural do ES 52649 50502 0766 Gás Natural da BA 52167 50242 0766 Gás Natural do NE 51497 49952 0766 Gás Natural do RJ 50344 49791 0766 Gás Natural do CE 49074 48337 0766 3 PROCESSOS METODOLÓGICOS Os cálculos termodinâmicos foram feitos a partir de uma temperatura T0 e uma pressão P0 equivalentes ao estado morto que são 25C e 1 atm respectivamente Admitese ainda a utilização de 1 kg de alumínio como corpo de prova sendo analisado na sequência qual o combustível que teria mais gasto volumétrico para elevar a entalpia do alumínio da temperatura ambiente até o ponto de fusão 5 v7 n1 2021 Sabese de acordo com Çengel 2013 que a quantidade de calor durante a queima do combustível é dada por Q mcomb PC 1 onde Q é a quantidade de calor mcomb é a massa de combustível e PC é o poder calorífico Além disso Atkins 2012 explica que o calor latente é a diferença de entalpia entre dois estados da matéria No caso do alumínio os estados são líquido e sólido Então para que o alumínio seja fundido é necessária uma quantidade de calor denominado de calor latente e além deste o calor sensível que faz aumentar a temperatura do material mas não altera o estado da matéria Portanto sabese que a quantidade de calor para fundir o alumínio da temperatura ambiente até o estado líquido é a soma do calor sensível QS e do calor latente QL ou seja Q QS QL 2 na qual o calor sensível e latente são respectivamente determinados por QS mal cΔT 3 e QL mal L 4 onde mal é a massa do alumínio c é o calor específico do alumínio ΔT é a variação de temperatura e L é a constante de calor latente do alumínio Substituindo as equações 3 e 4 em 2 temse Q mal cΔT mal L Reorganizando foi obtido Q mal cΔT L 5 Considerando que o sistema é adiabático e que a análise do ar padrão é a mesma para cada combustível podese simplificar os cálculos e considerar que a quantidade de calor fornecida pelo combustível é toda absorvida pelo alumínio Assim sendo a equação 5 se iguala à equação 1 e então foi obtida a relação mcomb PC mal cΔT L que pode finalmente ser reescrita como mcomb mal cΔT LPC 6 Utilizandose o poder calorífico da Tabela 1 a equação 6 e as propriedades adquiridas para o alumínio é possível obter a massa de um determinado combustível Como a Tabela 1 possui a massa específica dos combustíveis é também possível descobrir o volume de combustível estimado por meio da equação descrita por Moran 2013 V mρ 7 sendo V o volume m a massa e ρ a massa específica do combustível Já para a parte exergética Çengel 2013 explica que o balanço de exergia para um sistema fechado é dado por E calor E trabalho E destruída ΔE sistema Como a variação de exergia do sistema é apenas associada a exergia química e não há exergia associada ao trabalho e exergia destruída a equação é resumida por 1 T0T Q Equi na qual manipulando é obtido Q mcomb equi1T0T 8 onde T0 é a temperatura do estado morto T é a temperatura da fonte e equi é a exergia química específica Igualando a equação 8 com a equação 5 temse mcomb equi1T0T mal cΔT L Então é possível obter a quantidade de massas dos combustíveis usado para a fundição do alumínio como sendo mcombmal 1T0T cΔT L equi 9 6 v7 n1 2021 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Utilizandose das equações 6 7 e 9 com os dados da Tabela 1 para cada combustível é possível obter os dados da massa de combustível necessária para se fundir 1 quilograma de alumínio puro e registrar esses dados na Tabela 2 Tabela 2 Massa e volume estimados com base no poder calorífico e exergia química Combustíveis Massa estimada pelo PC kJkg Massa estimada pela exergia kg Volume estimado pelo PC L Volume estimado pela exergia L Bagaço de cana com 50 de umidade 0028284621 0071496402 002828462 007149640 Palha de cana com 15 de umidade 001404862 0041039466 045910524 134115902 Gasolina 0005342169 001644251 000712289 002192335 Etanol 0008635623 0024024054 001069957 002976590 Óleo de babaçu 0006441193 001887421 000703725 002062079 Óleo de dendê 0006515362 0017940773 000714560 001967622 Óleo de soja 0006186924 0017927126 000675797 001958179 Óleo diesel 000538487 0015718718 000633738 001849914 Biodiesel de mamona 0006443235 0018373906 000701114 001999337 Biodiesel de babaçu 0006174393 0018579107 000696491 002095782 Biodiesel de dendê 0006116015 0017866422 000711413 002078216 Biodiesel de algodão 0006122464 001510582 000699710 001726379 Gás Natural do ES 0004631997 0013999998 604699322 1827676035 Gás Natural da BA 0004674794 0014072448 610286477 1837134173 Gás Natural do NE 0004735616 0014154146 618226588 1847799790 Gás Natural do RJ 0004844073 0014199914 632385480 1853774681 Gás Natural do CE 0004969434 0014627054 648751164 190953711 Os combustíveis sólidos estudados foram o bagaço e a palha da cana na qual a palha se tornou mais proveitosa em quesito de massa estimada para a fundição mas o bagaço foi superior em relação ao volume estimado Para o processo de fundição do alumínio em larga escala ambos não são a melhor escolha visto que os combustíveis líquidos foram mais satisfatórios no critério de seleção Entretanto em empresas de produção sucroalcooleira em que alguns casos o bagaço e a palha são descartados estes combustíveis podem ser aproveitados para fornecer mais exergia ao processo de produção em regeneradores de calor Dentre os óleos vegetais testados teoricamente tanto com base no poder 7 v7 n1 2021 calorífico e na exergia o que demandou a menor quantidade necessária de massa de combustível para fundir o alumínio foi o óleo de soja Assim sendo tornouse o óleo vegetal mais viável para utilização na fonte Em contrapartida o óleo vegetal de pior escolha com base no poder calorífico foi o de dendê enquanto com base na exergia química foi o de babaçu Todavia salientase que a diferença não foi exorbitante por isso todos os óleos vegetais estudados neste trabalho se apresentam como uma fonte viável para uso na fundição do alumínio Houve um resultado aproximado para o etanol a gasolina e o diesel sendo que o óleo diesel se mostrou melhor do que os biodieseis estudados com relação a massa estimada para o processo No entanto Ghassan 2003 explica que há uma forte tendência em substituir os combustíveis provenientes do petróleo por fontes mais limpas de energia e por isso os biodieseis em geral se mostraram como uma alternativa ao diesel Dentre os gases naturais proveniente de diferentes estados do Brasil o gás natural do estado do Espírito Santo foi superior aos demais em quesito de poder calorífico e de exergia o que influenciou para ser o gás natural com o menor custo mássico necessário para o processo de fundição Relembrando que para realizar esses cálculos assumiuse que não haveria troca de calor com o meio externo assim o valor necessário da massa de cada combustível na prática seria diferente dos valores obtidos na Tabela 5 No entanto para efeitos meramente comparativos de combustíveis é possível fazer tal simplificação pois impõe a todos os combustíveis a mesma situação de troca de calor e assim sendo nenhum deles se sobressai com algum tipo de vantagem 5 CONCLUSÕES O presente artigo destacou possíveis fontes de combustíveis para a substituição aos utilizados atualmente apresentando as estimativas mássicas e volumétricas dos combustíveis com base em seus poderes caloríficos e exergias químicas tendo a hipótese de que o sistema é adiabático e que a análise do ar padrão é a mesma para cada combustível analisado Como proposta para futuras pesquisas sugerese a desconsideração da hipótese de sistema adiabático envolvidas nos cálculos e buscar considerar a variação real da exergia durante a fundição por meio de simulações computacionais métodos analíticos ou experimentais Além disso propõese uma análise termoeconômica a respeito dos combustíveis estudados mensurando os gastos com combustíveis de maneira exata REFERÊNCIAS ABAL Associação Brasileira do Alumínio Disponível em httpwwwabalorgbr Acessado em 17 de setembro de 2020 ABAL Associação Brasileira do 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Princípios de termodinâmica para engenharia Tradução Gisele Maria Ribeiro Vieira Paulo Pedro Kenedi Fernando Ribeiro da Silva 7 ed Rio de Janeiro LTC 2013 NETO Pedro R Costa et al Produção de biocombustível alternativo ao óleo diesel através da transesterificação de óleo de soja usado em frituras Química nova v 23 n 4 p 531537 2000 OMETTO Aldo Roberto ROMA Woodrow Nelson Lopes Atmospheric 9 v7 n1 2021 impacts of the life cycle emissions of fuel ethanol in Brazil based on chemical exergy Journal of Cleaner Production v 18 n 1 p 7176 2010 PADILLA Elias Ricardo D et al Produção e caracterização físico mecânica de briquetes de fibra de coco e palha de canadeaçúcar Revista virtual de Química v 8 n 5 2016 SOUZA LUZ Propriedades de óleos empregados em flotação Rio Grande do Norte 2014 SINDIPETRO Teste de qualidades Tabelas de conversão de produtos 2015 VAN DER VORST Geert et al Reduced resource consumption through three generations of Galantamine HBr synthesis Green Chemistry v 15 n 3 p 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