Relatório 2 - Termo II - Nota: 7,3 PDF

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Relatorio alternativo para o laboratorio de analise de gases...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Instituto de Engenharia Mecânica

Ensaio nº 03: Ensaio de Fluência

Disciplina: Resistência dos Materiais II – Laboratório Curso: Engenharia Mecânica Aeronáutica Aluno: Alvaro Furusho Garcia Matrícula: 2017018309 Professor: Ricardo Risso Chaves Turma: 08 Data e Hora do Ensaio: 24/05/2019 às 10:10

Itajubá 2019

1. INTRODUÇÃO

A partir da criação dos processos de combustão, utilizando os mais variados tipos de combustível para a geração de energia ou algum trabalho mecânico, se tornaram cada vez mais constantes desde a primeira Revolução Industrial no século XVIII. Um exemplo deste processo, amplamente utilizado na atualidade, é o motor de combustão interna, desenvolvida por Otto, os estudos sobre esses equipamentos se tornaram constantes. A fim de buscar a melhor condição possível para um tipo especifico de operação, o motor a diesel foi inventado. Este sendo um motor de ignição por compressão inventada pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (18581913), em que a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão do ar. Resistencia dos Materiais Nas ultimas décadas busca por tornar mais eficientes as máquinas de combustão, diversos estudos foram feitos de modo a aumentar a eficiência térmica. Entretanto não se considerava as consequências no aumento do uso destes equipamentos poluentes. Tendo em vista a proteção da saúde humana e do meio ambiente, houve uma grande quantidade de estudos apontando emissões em níveis danosos de vários compostos, como óxidos de nitrogênio e enxofre, monóxido e dióxido de carbono. Afim de regular o nível destas emissões de poluentes causadas em especifico pelo motor diesel, é necessário analisar os produtos da combustão, além de obter informações a cerca do funcionamento e comportamento do sistema. Assim podemos nos certificar que a emissão de poluentes do motor não excede os limites estabelecidos por leis e normas. Neste relatório encontra-se uma análise dos gases de escape de um motor de tobata (microtrator), Yanmar á diesel. Os dados de concentração dos gases foram coletados por um analisador de gases portátil LAND, modelo LANCOM III.

2. OBJETIVOS

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

3.1. Materiais e equipamentos A princípio, o sistema a ser utilizado para o ensaio e a analise dos produtos de combustão seria efetuado com um Motor Diesel Mercedes Benz, um Alternador Brushless Negrini (Figura 1), mas por problemas técnicos o ensaio foi realizado em um motor de tobata Yanmar á diesel como mostra a Figura 2.

Figura 1: Motor a Diesel Mercedes Benz

Figura 2: Motor de tobata a diesel Yanmar

As especificações do motor a diesel utilizado estão apresentadas na tabela 1: Tabela 1: Especificações do motor a diesel ensaiado

Marca Modelo Radiador Características Potência Rotação Taxa de Compressão

YANMAR NSB 75 R Sim 4 tempos 1 Cilindro 5,5 a 7,5 CV 1800 a 2400 rpm 21:1

Na intenção de coletar dados de produtos dos gases de escape do motor, foi utilizado um analisador de gases portátil LANCOM III, da fabricante LAND, Figura 3.

Figura 3: Analisador portátil LANCOM III

3.2. Metodologia a. Funcionamento do analisador LANCOM III

De acordo com o esquema mostrado na Figura , 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)

b. 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. REFERENCIAL TEÓRICO 4.1. 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.

5. RESULTADOS E GRÁFICOS

Tabela 2 – Composição dos gases de escape Rotaçã o (rpm) 1710

CO (ppm) 261,8

SO2 (ppm) 0

O2 (%)

1825

253,7

1570

267,9

NO (ppm) 76,2

C XH Y (ppm) 131,1

H2 S (ppm) 0

CO2 (%)

15,2%

NO2 (ppm) 0

3,61%

NOX (ppm) 75,7

0

15,4%

0

72,5

121,7

0

3,62%

72,5

0

16%

0

63,9

148

0

3,45%

63,4

Fonte: Laboratório UNIFEI Tabela 3 - Grandezas de desempenho da combustão Eficiência combustão (%) 96,4

Perdas (%) 3,6

Excesso de ar (%) 261,7

Tamb (ºC) 28

Tesc (ºC) 56

93,8

6,2

261,7

28

57

94,3

5,7

318,8

28

55

Fonte: Laboratório UNIFEI

6. GRÁFICOS

As concentrações de poluentes formados para as diferentes cargas aplicadas, em ppm, podem ser analisadas a partir do gráfico abaixo (gráfico 1):

300

Concentraçção (ppm)

250 200 CO (ppm) SO2 (ppm) NO2 (ppm) NO (ppm) CXHY (ppm) H2S (ppm) NOX (ppm)

150 100 50 0

1570

1710

1825

Rotação (rpm) Gráfico 1: Gráfico em barras dos valores de emissão de escape (ppm)

A contribuição percentual dos elementos restantes para diferentes cargas pode ser analisada a partir do gráfico abaixo (gráfico 2): 18% 16% Concentração (%)

14% 12% 10% 8%

O2 (%) CO2 (%)

6% 4% 2% 0%

1570

1710

1825

Rotação (rpm)

Gráfico 2: Gráfico em barras dos valores de emissão de escape (%)

O gráfico abaixo (gráfico 3), por sua vez, permite relacionar o excesso de ar presente nos gases de escape com a eficiência térmica apresentada pelo motor, para cada uma das cargas aplicadas:

350 318.8 300 261.7 261.7 250 200 150 100

94.3

96.4

93.8

50 5.7

3.6

6.2

0 1570

1710

1825

Gráfico 3: Desempenho da Combustão (%)

Com a observação das tabelas e gráficos construídos nota-se que o motor á diesel Yanmar está respeitando os limites estabelecidos pelo PROCONVE, junto ao CONAMA, pois para as três rotações ensaiadas os valores ficaram abaixo dos limites.

7. DISCUSSÕES 7.2. Análise de Normas

A fim de reduzir e controlar a contaminação atmosférica e a emissão de ruído por fontes móveis (veículos automotores) o Conselho Nacional do Meio Ambiente CONAMA criou os Programas de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores: PROCONVE (automóveis, caminhões, ônibus e máquinas rodoviárias e agrícolas) e PROMOT (motocicletas e similares) fixando prazos, limites máximos de emissão e estabelecendo exigências tecnológicas para veículos automotores, nacionais e importados. Assim, pelo fato do ensaio ser realizado com um motor a Diesel, foi escolhida a tabela com os limites de veículos pesados de ciclo Diesel presente no site do Ibama, e as normas são as seguintes:

Ao realizar o ensaio não foram obtidos os dados de potência em que a máquina operava no momento de funcionamento do motor nas diferentes rotações, por esse motivo o cálculo para saber se o motor ensaiado está cumprindo as normas estabelecidas pela CONAMA é limitado pela falta deste dado.

8. CONCLUSÃO Pode-se notar que a maior quantidade encontrada é de CO (monóxido de carbono), que é o resultado da combustão incompleta, seguida por NOx (Óxido de nitrogênio), que é peculiar de motores a Diesel. Percebe-se também que a quantidade de CO se manteve quase constante mesmo alterando-se a carga aplicada, porém os outros gases mostraram maior variação, conforme maior a carga, mais ar era injetado na mistura e assim, por conseguinte a quantidade em ppm das substâncias também aumentavam. Percebe-se também, que a maior perda e a menor eficiência foram na terceira carga, isso deixa claro a razão direta entre perdas e eficiência, apesar do aumento na eficiência na rotação intermediaria. As concentrações de

H2 S

e

NO x , que

em conjunto permitiram identificar também os aspectos negativos associados ao aumento de carga, no que diz respeito ao aumento das emissões de poluentes. Além disso, as concentrações de

NO2 , que se comportaram de forma não

esperada em relação ao que fora estabelecido na literatura. É possível considerar que os resultados obtidos estão dentro do esperado, com exceção dos resultados oriundos da comparação com as normas de emissão, isto devido a falta do registro da potencia gerada pelas rotações do motor diesel. Estes resultados baseiam-se em várias estimativas com possíveis erros sistemáticos e aleatórios, além da dificuldade em comparar diferentes grandezas. Contudo, devemos considerar o fato de ter sido possível, mesmo através de estimativas, observar as emissões obtidas para a máquina ensaiada em relação aos limites de emissões de acordo com a norma. Do referencial teórico, é possível atribuir que o aumento na carga de motores a diesel proporciona maior eficiência para o motor, por exigir do motor condições de operação mais intensas, o que influencia na temperatura de combustão (que evidentemente aumenta, ao analisar o aumento da temperatura dos gases de escape) e, consequentemente, nas variações observadas nos dados coletados.

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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de

Grupos

Geradores

Série

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Acesso em: 29 de agosto de 2016 MANAVELLA,

Humberto

José. Combustão

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Emissões. Disponível

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