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i
SHEILA GRANDINETTI SIMÕES
Projeto Térmico de Fogão a Álcool
104/2014
CAMPINAS
2014
iii
iv
v
vii
Esse trabalho é dedicado à minha família.
ix
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a todos aqueles que tornaram esse trabalho possível, a minha família
pelo apoio em todos os momentos, os amigos da sala da pós, Fábio Nascimento, Graziela
Barbieri, Eugênio Morita, Milene Costa Codolo, Danilo e Jonatas, pelas conversas, incentivos e
ajuda prestada.
Aos amigos da rep por me ajudar nos momentos difíceis e festejar comigo nos momentos
felizes João Paulo Soto Veiga, Cirano Shibuya “Satan”, Maurício de Castro Tomé, Felipo Bacani,
Marcelo Costa, Tião. A Juliana Santos, Mariana Pádua, Fernanda Paranhos, e todas as meninas
da rep. A Nicole Somera, por me auxiliar a deslanchar a escrita desse trabalho.
Ao Maurício Sanchez Alberti por desenhar os meus projetos e aos técnicos da oficina por
terem usinado meus queimadores, sempre com muita dedicação.
Ao professor Caio, pela paciência e toda ajuda prestada para o desenvolvimento desse
trabalho.
Às pessoas que tornaram esse projeto possível: engenheiros da MABE, que financiaram o
projeto, professores e funcionário da USP São Carlos que furaram os queimadores a laser,
Cláudio Coelho que forneceu os injetores para ensaios.
Agradeço especialmente ao Guilherme Augusto Silva Megeto por me apoiar em todas as
fases e situações da minha vida.
xi
Resumo
Este estudo teve como objetivo o projeto e a construção de um fogão doméstico alimentado
continuamente por etanol, com a avaliação de rendimento de queima. O Brasil como o maior
produtor de etanol, produzido a partir da cana-de-açúcar e elevado grau de desenvolvimento
tecnológico, tornou esse combustível uma opção viável para substituição do GLP (gás liquefeito
de petróleo) em fogões domésticos. Para a utilização do etanol foram necessários estudos para
modificações tanto na forma de armazenamento, como no desenvolvimento de um novo design
do queimador, visando uma queima compatível ao combustível já utilizado. Foram feitas análises
termodinâmicas, a fim de descobrir os parâmetros mais relevantes na modificação. A partir
dessas modificações foram desenvolvidos dois queimadores que se encaixam nas categorias
semirrápido e auxiliar, com eficiências de 69% e 72% respectivamente, enquadrando ambos os
queimadores na categoria A de eficiência.
Palavras Chave: Etanol, Combustíveis – Combustão – Equipamentos e Acessórios, Métodos de
Cocção.
xiii
Abstract
This study aimed the project and built of a household stove fed continuously by alcohol
fuel, evaluating burning efficiency. Brazil as the largest sugar-cane ethanol producer and with
high technologic development degree, made this fuel a viable option to replace LPG (liquefied
petroleum gas) in household stoves. For the utilization of ethanol, studies have been necessary
both for the modification of storage and the development of a new burner’s design, seeking a
compatible burn with the already used fuel. Thermodynamics analyses have been made to
discover the most relevant parameters for the modification.From these modifications, were
developed two burners with efficiency of 69% and 72%, that fits onto the categories of semi-fast
and auxiliary in brazilian norm, respectively, both in category A from brazilian norm of
efficiency.
Key Words: Ethanol, Fuel – Combustion – Equipment and accessories, Cooking methods.
xv
Lista de Ilustrações
Figura 1: Fogão a carvão ................................................................................................................. 4 Figura 2: Fogão a lenha ................................................................................................................... 4 Figura 3: Fogão Elétrico .................................................................................................................. 4 Figura 4: Bico de Bunsen. ............................................................................................................. 15
Figura 5: Fogão SuperBlu ............................................................................................................. 16 Figura 6: Fogão Clean Cook .......................................................................................................... 17 Figura 7: Tanque recarregável de combustível.............................................................................. 17 Figura 8: Fogão a álcool NARI ..................................................................................................... 18
Figura 9: Esquema de funcionamento do fogão NARI ................................................................. 18 Figura 10: Protótipo Preliminar ..................................................................................................... 23 Figura 11: Protótipo do queimador, sem a tampa .......................................................................... 24
Figura 12: Esquema de escoamento de combustível para canal de acendimento ......................... 25 Figura 13: Queimador final com fundo em ângulo ....................................................................... 25
Figura 14: Modificação em Botijão para uso de etanol líquido .................................................... 37 Figura 15: Esquema de funcionamento da injeção por gravidade ................................................. 39
Figura 16: Queimador de difusão com injeção por filme de líquido ............................................. 40 Figura 17: Primeira versão testada do queimador ......................................................................... 41 Figura 18: Segundo protótipo do queimador ................................................................................. 42
Figura 19: Terceiro protótipo (com tampa) ................................................................................... 42 Figura 20: Terceiro protótipo (sem tampa) ................................................................................... 43
Figura 21: Queimador com fundo em ângulo ................................................................................ 43 Figura 22: Posição das medidas de temperatura para ensaio......................................................... 45
Figura 23: Fogareiro em corte ....................................................................................................... 48 Figura 24: Fogareiro A .................................................................................................................. 49
Figura 25: Fogareiro B .................................................................................................................. 49 Figura 26: Fogareiro C .................................................................................................................. 50 Figura 27: Fogareiro D .................................................................................................................. 50
Figura 28: Detalhe fogareiro alimentado continuamente .............................................................. 51 Figura 29: Montagem do teste com termopar ................................................................................ 51
Figura 30: Teste visual injeção com injetor convencional ............................................................ 53 Figura 31: Teste visual injeção com injetor mecânico .................................................................. 53
Figura 32: Injetor A com ddp aplicada de 12 V ............................................................................ 54 Figura 33: Injetor A com ddp aplicada de 24 V ............................................................................ 55 Figura 34: Injetor A (comparativo) ............................................................................................... 56 Figura 35: Injetor B com ddp aplicada de 12V ............................................................................. 57
Figura 36: Injetor B com ddp aplicada de 24V ............................................................................. 57 Figura 37: Injetor B (comparativo) ................................................................................................ 58 Figura 38: Queimador por filme de líquido sem duto central ....................................................... 59 Figura 39: Queimador com canal de acendimento em funcionamento ......................................... 60 Figura 40: Alimentação tubo de configuração (a) ......................................................................... 62
Figura 41: Alimentação por tubo de configuração (b) .................................................................. 63 Figura 42: Tempo de resposta - tubos de ¼” ................................................................................. 65 Figura 43: Tempo de resposta - tubos capilares ............................................................................ 66
Figura 44: Tempo de resposta (min) do queimador ¼” em relação à temperatura inicial, onde
chamsus é a chama autossustentável, igcomp é a ignição completa, estQmin é a estabilização
xvi
na vazão mínima, estQmax é a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da
chama após o fechamento do registro. .................................................................................. 68 Figura 45: Tempo de resposta (min) do queimador capilar em relação à temperatura inicial onde
chamsus é a chama autossustentável, igcomp é a ignição completa, estQmin é a estabilização
na vazão mínima, estQmax é a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da
chama após o fechamento do registro. .................................................................................. 70 Figura 46: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (¼”) .......... 72 Figura 47: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (¼”) ............ 73 Figura 48: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (capilar) .... 75 Figura 49: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (capilar) ...... 76
Figura 50: Massa de combustível medida por tempo (tubo capilar) ............................................. 78 Figura 51: Massa medida x tempo (tubo 1/4") .............................................................................. 80
Figura 52: Medida 1 com válvula de vazão na posição "máximo" ............................................... 84 Figura 53: Medida 2 com válvula de vazão na posição "máximo" ............................................... 84 Figura 54: Medida 3 com válvula de vazão na posição "máximo" ............................................... 85 Figura 55: Medida 1 com válvula de vazão na posição "mínimo" ................................................ 87
Figura 56: Medida 2 com válvula de vazão na posição "mínimo" ................................................ 87 Figura 57: Medida 3 com válvula de vazão na posição "mínimo" ................................................ 88
xvii
Lista de Tabelas
Tabela 1: Propriedades de alguns gases do GLP ............................................................................. 7 Tabela 2: Propriedades Etanol ....................................................................................................... 11 Tabela 3: Resultados obtidos do equacionamento do queimador.................................................. 35 Tabela 4: Tempo médio para as configurações de tubos ............................................................... 61
Tabela 5: Conceitos médios para dados qualitativos do funcionamento dos tubos ...................... 64 Tabela 6: Tempo de resposta dos tubos ......................................................................................... 64 Tabela 7: Ensaio de comportamento de queimador alimentado por tubo de ¼” ........................... 67 Tabela 8: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo de ¼” ...................................... 67
Tabela 9: Ensaio de comportamento do queimador alimentado por tubo capilar ......................... 69 Tabela 10: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo capilar ................................... 69 Tabela 11: Ensaio de acendimento tubo ¼” .................................................................................. 71
Tabela 12: Ensaio de acendimento tubo capilar ............................................................................ 74 Tabela 13: Medidas de massa de combustível (tubo capilar) ........................................................ 77
Tabela 14: Medidas de massa de combustível (tubo 1/4" ) ........................................................... 79 Tabela 15: Rendimento para queimador alimentado por tubo capilar........................................... 81
Tabela 16: Rendimento para queimador alimentado por tubo de 1/4" .......................................... 81 Tabela 17: Teste de potência com chama "aberta" ........................................................................ 81 Tabela 18: Válvula de ajuste de vazão no máximo ....................................................................... 83
Tabela 19: Válvula de ajuste de vazão no mínimo ........................................................................ 86
xix
Lista de Abreviaturas
A - área de troca de calor do queimador (m²)
Ao - área do orifício de difusão da chama (m²)
At - área total de difusão (m²)
Calum - calor específico do alumínio (J/kg . K)
Cp- calor específico da água (cal/g.°C)
dalcvap - densidade do vapor de álcool saturado (kg/m³)
g – aceleração da gravidade (m/s²)
hc - coeficiente de troca de calor por convecção (W/m².K)
hch – coeficiente de troca de calor por convecção placa horizontal (W/m².K)
hcv – coeficiente de troca de calor por convecção vertical (W/m².K)
hv = calor latente de vaporização do álcool (kJ/kg)
hr - coeficiente de troca de calor por radiação (W/m².K)
k – condutividade térmica (W/m.K)
L - comprimento específico (m)
m – massa da água (kg)
mar – massa de ar (kg)
mal – massa do alumínio (kg)
mcomb – massa de combustível (kg)
mQ – massa do queimador (kg)
Mar – massa molar do ar (g/mol)
Mcomb – massa molar do combustível (g/mol)
mI – massa de combustível na medida I no ensaio de potência (g)
xx
mII - massa de combustível na medida II no ensaio de potência (g)
mIII - massa de combustível na medida III no ensaio de potência (g)
m - vazão mássica de álcool
1m - vazão mássica de álcool no queimador alimentado por capilar
2m - vazão mássica de álcool no queimador alimentado por tubo ¼”
n – número de orifícios de difusão
PCI – poder calorífico inferior do álcool (kJ/kg)
PCS – poder calorífico superior do álcool (kJ/kg)
PotN – potência nominal do queimador (W)
PotN1 – potência nominal do queimador alimentado por capilar (W)
PotN2 – potência nominal do queimador alimentado por tubo ¼” (W)
qaquec = taxa de aquecimento do queimador (W)
qconv – taxa de transferência de calor por convecção (W)
qconv+rad – taxa de transferência de calor total (convecção + radiação) (W)
qdisp – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela (W)
qdisp1 – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela no queimador alimentado
por capilar (W)
qdisp2 – taxa de transferência de calor disponível pra aquecer a panela no queimador alimentado
por tubo ¼” (W)
Qmáx – vazão máxima de álcool com chama estável (L/s)
Qmin – vazão mínima de álcool com chama estável (L/s)
qqueim – taxa de transferência de calor para o aquecimento do queimador (W)
qrad – taxa de transferência de calor por radiação (W)
qvap – taxa de transferência de calor para a vaporização do álcool (W)
xxi
t – tempo medido (min)
Tamb – temperatura ambiente (K)
taq – tempo de aquecimento (s)
Tálc – temperatura do combustível (°C)
Tmáx – temperatura máxima atingida pela água no ensaio de medida de potência (ºC)
Tsup – temperatura da superfície do queimador (K)
Tvap – temperatura de vapor (K)
T1 – temperatura inicial (°C)
T2 – temperatura máxima (°C)
VM – velocidade média do gás de álcool (m/s)
VM1 – velocidade média do gás de álcool no queimador alimentado por capilar (m/s)
VM2 – velocidade média do gás de álcool no queimador alimentado por tubo ¼”(m/s)
α – difusividade térmica (m²/s)
ε – emissividade
ŋ – rendimento
σ – constante de Stefan-Boltzmann (W/m²K4)
ν – viscosidade dinâmica (m²/s)
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Sumário
Lista de Ilustrações ......................................................................................................................... xv
Lista de Tabelas ........................................................................................................................... xvii
Lista de Abreviaturas .....................................................................................................................xix
1 Introdução e objetivos ................................................................................................................... 1
1.1 Introdução .............................................................................................................................. 1 1.2 Objetivo ................................................................................................................................. 1
2 Revisão Bibliográfica .................................................................................................................... 3
2.1 Revisão Histórica ................................................................................................................... 3 2.2 Combustíveis ......................................................................................................................... 5
2.2.1 Propriedades básicas ....................................................................................................... 5
2.2.2 GLP ................................................................................................................................. 6 2.2.3 Etanol .............................................................................................................................. 8
2.3 Logística de Combustíveis .................................................................................................. 11 2.4 Emissões .............................................................................................................................. 12
2.5 Queimadores ........................................................................................................................ 13 2.6 Fogões a Álcool ................................................................................................................... 15
2.7 Normas ABNT e Comentários ............................................................................................ 19 2.8 Metodologias de Projeto de Fogões .................................................................................... 20
2.8.1 Motivação ..................................................................................................................... 20
2.8.2 Linhas de Estudo .......................................................................................................... 21 2.8.3 Ensaio das linhas de estudo .......................................................................................... 21
2.8.4 Avaliação das Linhas de Estudo ................................................................................... 23 2.8.5 Projeto Preliminar ......................................................................................................... 23 2.8.6 Projeto Detalhado ......................................................................................................... 24
3 Projeto Térmico do Queimador a Álcool .................................................................................... 27
3.1 Relação ar/combustível........................................................................................................ 27 3.2 Cálculo da potência do queimador ...................................................................................... 28
3.3 Balanço de Energia .............................................................................................................. 29 3.5 Vazão de gás de álcool ........................................................................................................ 34
4 Material e Métodos ...................................................................................................................... 37
4.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização ...................................................................... 37 4.2 Linha de Estudo Injeção Eletrônica ..................................................................................... 38
4.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido ................. 38 4.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do
queimador .............................................................................................................................. 44
4.2.2 Ensaios com o queimador com fundo em ângulo e medida de temperatura ................ 45
xxiv
4.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial para o queimador com
fundo em ângulo .................................................................................................................... 46 4.2.4 Ensaios de potência segundo a norma .......................................................................... 46 4.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma ..................................................................... 46
4.4. Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool ........................................ 47
5 Resultados e Discussões .............................................................................................................. 53
5.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização ...................................................................... 53 5.2 Linha de Estudo – Injeção Eletrônica .................................................................................. 54 5.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido ................. 58
5.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do
queimador .............................................................................................................................. 60 5.2.2 Ensaios com o queimador com fundo em ângulo e medida de temperatura ................ 67
5.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial ....................................... 71 5.2.4 Ensaios de potência segundo a norma .......................................................................... 76
5.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma ..................................................................... 80 5.4 Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool ......................................... 81
6 Conclusões e Sugestões ............................................................................................................... 89
7 Referências Bibliográficas ........................................................................................................... 91
1
1 Introdução e objetivos
1.1 Introdução
Desde a sua descoberta, na era Paleolítica, o fogo passou a ser utilizado, na forma de
fogueiras, para o preparo de alimentos e aquecimento de ambientes. Na Idade Antiga, há registros
dos primeiros fogões, nos quais o fogo era colocado em um buraco no chão e o suporte para o
alimento era feito com pedras. Apenas anos mais tarde o fogo foi confinado em fogões de barro e
metal e finalmente chegaram aos fogões que conhecemos hoje em dia.
Inicialmente o fogo era conseguido utilizando-se galhos secos e folhas, combustível esse
que foi, posteriormente, substituído por derivados de petróleo.
Os fogões a gás foram utilizados inicialmente após a revolução industrial na Europa e
apenas em meados da década de 50 no Brasil. Outros combustíveis como a nafta e o querosene
também chegaram a ser utilizados para a cocção de alimentos. Alguns fogões a etanol estão em
fase de teste, em locais onde ainda se utiliza a lenha como principal combustível para o preparo
de alimentos.
Torna-se interessante o desenvolvimento de um fogão a etanol no Brasil, o maior produtor
desse combustível, pois o etanol, segundo Penido (1980), é um combustível “líquido, seguro,
inofensivo, não poluente, renovável, relativamente barato, facilmente transportável e possível, no
caso do Brasil, de ser produzido em grande escala”.
O transporte do etanol brasileiro é realizado, de forma geral, pelo meio rodoviário, porém,
com os investimentos que vêm sendo realizados no setor de transporte hidroviário e dutoviário, o
custo com a logística pode diminuir, tornando esse combustível ainda mais competitivo.
Outro ponto positivo que pode ser abordado diz respeito às emissões devido à queima do
etanol, que por ser um combustível formado por cadeias carbônicas pequenas, emite menos
hidrocarbonetos, em comparação com outros combustíveis líquidos.
1.2 Objetivo
Esse estudo teve como objetivos o projeto, a construção e avaliação de um modelo inédito
de queimador para fogão doméstico alimentado continuamente por etanol hidratado, visando a
otimização do mesmo para obter aplicação doméstica.
2
3
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Revisão Histórica
Desde o domínio do fogo pelo homem, cerca de 500 mil anos a.C., este foi utilizado para o
cozimento de alimentos, conforme os primeiros vestígios de fogueiras indicam pela presença de
ossadas carbonizadas. Segundo historiadores, o fogo foi inicialmente utilizado para o preparo de
alimentos e só mais tarde usado para outros fins.(FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Os fogões tiveram a sua primeira versão na Idade Antiga e eram apenas buracos no chão,
onde se colocava fogo e apoiava-se a panela sobre pedras. Após esse período, começaram a ser
construídos fogões de barro e metal, nos quais se utilizava a lenha como combustível.
No antigo Egito era comum encontrar nas casas, mesmo nas mais modestas, fornos de
terracota, em geral cilíndricos. O cozimento dos alimentos era feito sobre escalfadores baixos,
instalados nos fundos das casas ou ainda em varandas, em habitações de El-Amarna. Ainda podia
ser encontrados cômodos totalmente reservados para a cozinha, em residências espaçosas, na
época de Tutmósis IV, também conhecidas como “casa dos três fornos”. (FLANDRIN,
MONTANARI, 1998)
Os alimentos eram preparados pelos fenícios e catarginenses, principalmente por mulheres,
empregados, ou ainda por cozinheiros profissionais em cômodos pequenos próximos à despensa,
reservados para esse fim, ou ar livre, em fornos onde o fogo era protegido do vento por muretas.
(FLANDRIN, MONTANARI, 1998)
Os árabes cozinhavam ao ar livre em fogões ou algumas vezes em braseiros, alimentados
preferencialmente por carvão, por ser mais fácil de transportar que a madeira e fazer menos
fumaça, em ambientes separados dos cômodos de habitação. (FLANDRIN, MONTANARI,
1998)
Na Europa, apenas no século XVI, o fogo foi limitado em uma “câmara” que consistia em
três lados de alvenaria cobertos por uma placa de ferro. Apenas após a Revolução Industrial,
surgiram os fogões como conhecemos hoje, alimentados por combustíveis derivados do petróleo,
como nafta e que, posteriormente, foram substituídos pelo gás de cozinha (GLP).
No Brasil, na década de 40, nas cozinhas das cidades grandes era utilizado o carvão como
combustível, enquanto que nas regiões mais pobres ainda se fazia o uso da lenha. Os primeiros
fogões elétricos foram desenvolvidos no país no fim desta década, devido à construção de uma
usina termoelétrica em São Paulo, o que barateou a energia elétrica. Com o racionamento de
4
energia na década seguinte, foi encontrado como solução o desenvolvimento de um fogão a
querosene. (Dako, 2007)
Figura 1: Fogão a carvão
Fonte: 2kstore.com
Figura 2: Fogão a lenha
Fonte :AntiqueStoves
Figura 3: Fogão Elétrico
Fonte: Retro Renovation
5
Em meados dos anos 50 iniciou-se a produção de GLP pela Petrobrás, o que fez com que a
indústria de fogões alimentados por esse combustível fosse desenvolvida (Dako, 2007).
Nos últimos anos, alguns fogões a etanol vêm sendo testados no Brasil, Índia e alguns
países da África, com o intuito de substituir o fogão à lenha, causador de danos à saúde de seus
usuários e ao meio ambiente.
2.2 Combustíveis
2.2.1 Propriedades básicas
Segundo a norma NBR-13723-1 (2003), poder calorífico é a quantidade de calor produzida
ao ocorrer combustão completa de uma unidade de volume ou massa de gás, quando os gases
constituintes da mistura de combustão, assim como os produtos da reação estão a 25°C e
101.33kPa.
Existem dois tipos de poder calorífico, o poder calorífico superior (PCS), valor calculado
quando a água da combustão é considerada condensada e o poder calorífico inferior (PCI), no
qual a água proveniente da combustão encontra-se no estado de vapor. O poder calorífico é
medido em MJ/m³ (volume) ou MJ/kg (massa) no sistema internacional (SI).
Razão estequiométrica ar/combustível é a quantidade de ar necessária para que a reação de
oxidação do combustível ocorra de forma completa, ou seja, o ar seja suficiente para oxidar todo
o combustível. Quando há mais ar do que o estequiométrico, a mistura é chamada de pobre,
enquanto que quando há menos ar do que o estequiométrico, a mistura é chamada de rica. (Turns,
1996)
O limite de flamabilidade no ar pode ser definido como a quantidade de combustível (em
sua forma gasosa) que misturado ao ar é capaz de reagir, a partir de uma fonte de ignição. São de
dois tipos, o limite superior e inferior que são, respectivamente, a máxima e a mínima
concentração do combustível que reage quando entra em contado com o ar. Fora desses limites,
não há combustão. Segundo Perry (1941), certas misturas que estão próximas a esses limites,
quando sujeitas a uma fonte de ignição fraca, não reagem com o ar.
Flash point é a temperatura em que uma mistura de ar e combustível pode entrar em
combustão se lhe for fornecida energia a partir de uma chama piloto, porém essa combustão não
pode se autossustentar. (Kanury, 1977)
Por outro lado, a temperatura na qual a chama pode se autossustentar, ou seja, a
6
temperatura na qual a quantidade de calor perdida para o ambiente é menor do que a taxa de calor
que entra no sistema através da reação de oxidação é chamada de temperatura de ignição. O
termo indica a temperatura na qual a combustão rápida ocorre. A autoignição do sistema ocorre
quando esse é sujeito a uma temperatura acima da temperatura de ignição, ou seja, quando o
combustível pode iniciar a reação com o comburente, sem que haja uma fonte de calor.(Perry,
1941)
Segundo Turns (1996) calor latente de vaporização (entalpia de vaporização) é o calor
necessário para que haja vaporização completa de uma unidade de massa do líquido a uma
determinada temperatura, durante um processo em que a pressão se mantenha constante.
Para o propósito do estudo de um queimador, é importante entender o conceito de
velocidade de chama, ou seja, “a velocidade, em relação à frente de chama, à qual os reagentes se
deslocam na direção perpendicular à frente de chama”. (Coelho, 2012)
Em um combustível líquido, é necessária a vaporização do combustível ou a sua
atomização, antes que esse possa reagir com o ar. Portanto, a chama ocorre sempre na interface
entre a superfície do líquido e o ar, ou seja, onde a camada de gás de combustível se mistura com
o ar.(Coelho, 2012)
2.2.2 GLP
O gás liquefeito de petróleo (GLP) é constituído principalmente por propano e butano,
podendo conter outros compostos, em menor quantidade, tais como etano, metano, propeno,
pentanos, entre outros. O GLP é produzido a partir do processamento de petróleo. À pressão
atmosférica, torna-se líquido à temperatura de -42°C, porém pode permanecer em estado líquido
mesmo em temperatura ambiente, se for sujeito a uma pressão de aproximadamente oito
atmosferas.
Nas condições de baixa temperatura ou alta pressão, quando está em estado liquefeito, é
facilmente armazenado e transportado. Devido à forma como é armazenado e às suas
propriedades, o GLP tende a vaporizar rapidamente quando é liberado de seu reservatório,
misturando-se com o ar, podendo causar explosões, caso ocorra uma fagulha simultaneamente ao
vazamento. (Ann. Rev. Energy. 1980. 5:89-105)
A queima do gás liquefeito de petróleo pode resultar em CO2, CO, materiais particulados,
NOx N2O, SO2 entre outros compostos. (U.S. EPA, 1999)
7
O transporte do GLP das refinarias para o consumidor é realizado através de tanques
especiais ou cilindros, nos quais o combustível é pressurizado. Quando a demanda é muito
grande, como para indústrias, o GLP é entregue a granel e descarregado sob pressão nas próprias
instalações em recipientes de armazenamento, a partir dos quais o líquido é vaporizado
posteriormente e direcionado para os pontos de utilização. (William, 1963)
Para residências ou indústrias de baixo consumo de GLP, o produto é distribuído em
cilindros de aço compostos por um regulador para a saída do gás e com capacidade de 10 a 120
lb. Para envasar o gás liquefeito de petróleo nesses recipientes o ar é retirado para prevenir
explosão devido à mistura de combustível com ar enquanto este está armazenado e ainda evitar
que o ar entre no tanque durante o uso. Outra precaução tomada consiste em não preencher o
cilindro completamente com gás, deixando espaço para que ocorra a expansão do líquido devido
ao aumento da temperatura.
Os cilindros devem ser projetados e construídos de forma adequada, seguindo normas. Na
Inglaterra a quantidade de combustível a ser colocada nos tanques é especificada na norma BS
1736: 1951 (FillingRatios for Liquefiable Gases).(William, 1963)
A norma BS 1736:1951 foi substituída pela BS 5355: 1976 (Specifications for filling ratios
and developed pressures for liquefiable and permanent gases) e posteriormente por BS: EN
13099: 2003 e BS EN 13096: 2003. (BSI, 2012)
Tabela 1: Propriedades de alguns gases do GLP
Propriedades Metano Etano Propeno Butanos Butenos Propano Pentanos
Fórmula Química CH4 C2H6 C3H6 C4H10 C4H8 C3H8 C5H12
Densidade a 20°C
(kg/m³) 300 370 514 579 595 500 626
Relação
Estequiométrica 9,53 16,66 21,42 30,94 28,56 23,80 38,08
Ponto de
Ebulição (°C) -164,0 -88,6 -47,4 -0,5 -63,0 -42,1 36,1
Calor latente de
Vaporização
(kJ/kg)
509 488 437 386 391 425 358
Temperatura de
autoignição (°C) 580 515 - 420 - 480 -
PCI (MJ/kg) 50,016 47,161 45,784 45,742 45,319 46,357 45,355
Fonte Coelho, Costa (2012).
Para que o cilindro resista às pressões necessárias para manter o GLP liquefeito as
8
especificações de materiais e métodos de construção descritos na norma BS 401: 1931 devem ser
seguidas. (William, 1963) A norma BS 401: 1931 (Steel cylinders for the storage and transport
of ‘liquefiable’ gases) foi substituída pela norma BS 401: 2000, de mesmo nome.(Carnegie
Library of Pittsburgh, 2012)
O GLP pode ser utilizado como combustível para o cozimento de alimentos, para
aquecimento de residências, com fins industriais, entre outros usos. No Brasil o GLP é
amplamente utilizado para cocção.
A Tabela 1 traz informações sobre as propriedades do GLP relevantes a esse estudo:
2.2.3 Etanol
Os combustíveis fósseis utilizados atualmente nos fogões domésticos não podem ser
considerados, a longo prazo, sustentáveis. O etanol é uma das opções limpas para substituir esses
combustíveis, por ser derivado de fontes renováveis.
“A produção e o uso do etanol no Brasil é o melhor exemplo da introdução da energia
renovável em larga escala de produção.” (Macedo, 2007)
O etanol é um combustível “líquido, seguro, inofensivo, não poluente, renovável,
relativamente barato, facilmente transportável e possível, no caso do Brasil, de ser produzido em
grande escala”. (Penido Filho, 1980).
O etanol tem um papel importante na questão ambiental, pois a cana-de-açúcar é uma
planta bem adaptada, de forma a auxiliar a diminuição da erosão do solo, e de grande poder
fotossintetizante, o que resulta em uma absorção de CO2 maior do que a quantidade desse
componente reiterada ao meio ambiente devido ao seu produto final. A produção do etanol
envolve autogeração de energia, ou seja, os resíduos são utilizados como fonte de energia elétrica
para sua produção ou como nutrientes para o solo. (Fernandes, Coelho, 1996)
São várias as opções de biomassa que podem ser utilizadas para a produção de etanol,
dentre elas estão as de matéria-prima de estrutura açucarada, como a cana-de-açúcar e o sorgo
sacarino, as de estrutura amilácea ou feculenta, como a batata, a batata-doce, a mandioca, o
milho, o grão de sorgo e o babaçu e ainda as de estrutura celulósica como a madeira. Dentre todas
essas biomassas, a produção do etanol de cana-de-açúcar é a mais atrativa devido às facilidades
impostas no processo, como a fermentabilidade direta do caldo. Outros fatores como a utilização
do bagaço como combustível no processo e ainda a alta tecnologia utilizada na cultura da cana
9
também corroboram a supremacia do etanol de cana-de-açúcar. (IBP, 1987)
A produção de etanol de cana pode ser realizada de duas maneiras distintas, sendo uma
através da fermentação do melaço resultante da produção de açúcar, onde o etanol é denominado
residual, e a outra através da fermentação do caldo de cana, obtendo-se o etanol direto.
(IBP,1987)
Segundo Penido Filho (1980), no Brasil encontra-se a maior área de insolação anual,
estando essa situada entre o norte do estado de São Paulo e o Oceano Atlântico, no Nordeste,
passando pelo planalto central ou ainda na Bacia Amazônica, tendo como consequência altos
índices de fotossíntese. Desta forma, o país tornou-se o principal produtor de etanol, por possui
todos os pré-requisitos necessários, ou seja, disponibilidade de solo, água, luminosidade solar,
mão-de-obra disponível e barata.
Segundo Macedo (2007), o aumento da produção de cana-de-açúcar pode ser resumida nas
fases seguintes: i) aumento rápido da produção, que depende de políticas de incentivo, ii)
crescimento da eficiência e iii) redução de custos, com a utilização de novas técnicas.
Com isso, espera-se a curto prazo gerar desenvolvimento de novas variedades de cana,
através da aplicação de novas técnicas e novos processos de produção do etanol; a médio prazo
desenvolver novos co-produtos da sacarose, do bagaço e da cana e a longo prazo obter uma
variedade de cana-de-açúcar mais produtiva e resistente.
Segundo o Plano Decenal de Expansão da Energia 2008-2017, as estimativas de consumo
de etanol hidratado e anidro de 2010 a 2017 são de crescimento de 27,1 bilhões de litros para
53,2 bilhões de litros. No ano de 2007 exportou-se cerca de seis vezes mais etanol do que em
2001 e 2003, principalmente para os EUA e UE. A cultura de cana-de-açúcar no Brasil ocupa
cerca de 2% da terra arável do país, portanto não haverá limitações de áreas agriculturáveis ao
plantio de cana-de-açúcar.
Segundo a projeção da EPE (Empresa de Pesquisas Energéticas), em 2017 a demanda total
por etanol será de 63,9 bilhões de litros. Para que isso seja viável, será necessária a expansão no
setor industrial, o que foi planejado para ser realizado a curto e médio prazo. A curto prazo,
levou-se em consideração as informações sobre projetos de novas usinas já anunciadas em fase
de implementação ou estudo. A médio prazo calculou-se a quantidade de usinas necessárias para
atender a demanda anual de etanol, projetada pela EPE.(Plano Decenal de Expansão da Energia
2008-2017, volume 2)
10
Segundo o Plano Nacional de Energia 2030, a produção de etanol deve aumentar em torno
de 6,0% ao ano no período de 2010-2015, sendo que haverá uma diminuição no ritmo de
produção entre 2020-2025 e 2025-2030, nos quais o aumento deverá ser, respectivamente, de
2,1% e 1,6%.
As primeiras experiências realizadas no mundo utilizando-se o álcool como combustível de
automóveis ocorreram em 1894 na Alemanha e a primeira corrida com carros movidos a álcool
ocorreu em 1899. Pesquisas sobre o álcool como forma de energia foram realizadas na Inglaterra
a partir de 1925. Em diversos países foram utilizadas diferentes matérias-primas para a obtenção
do álcool durante a Segunda Guerra Mundial. No Brasil, o álcool foi testado em motores apenas
em 1919. No início da década de 20, os carros eram abastecidos com etanol puro, enquanto que
no final dessa mesma década, em Pernambuco, era utilizada uma mistura de etanol e éter, a
“azulina”. Em 1931, os importadores de gasolina foram obrigados a adicionar, no mínimo, 5% de
álcool a seu combustível, proporção essa que foi modificada para 30% na época de Getúlio
Vargas (Penido Filho, 1980).
No Brasil, a indústria de produção de etanol passou por avanços tecnológicos significativos
na década de 70, colocando o país na posição de liderança mundial (Macedo, 2007).Com o fim da
crise do petróleo, as experiências com álcool foram abandonadas e a produção do combustível
teve grande queda. Nos últimos anos o álcool brasileiro tem sido financiado pelo setor privado,
ao contrário das décadas de 70 e 80, nas quais o governo subsidiou o álcool, apenas devido à alta
dos preços no petróleo. Têm-se observado, nas últimas décadas, um aumento nas pesquisas e
investimentos no setor, além do crescimento na importação. Só em 2004, foram obtidos mais de
seis bilhões de dólares em lucros com a produção do etanol. (Salomão A., Onaga M., 2006).
Nas décadas de 80 e 90, foram desenvolvidas novas variedades de cana-de-açúcar, assim
como a vinhaça da cana passou a ser utilizada como fertilizante, de forma a ser feito o controle
biológico durante o crescimento da cana-de-açúcar. (Macedo, 2007)
O etanol é produzido a partir da “fermentação de sucos ricos em sacarose com posterior
destilação” (Bizzo, De Calan, 2004) e é um combustível adequado ao uso em fogões, por ser um
“composto orgânico em que metade dos átomos de carbono estão associados a, pelo menos, um
átomo de oxigênio” (Dometic, Frauenfeld, 2004). Composição essa que evita a formação de
outros compostos, além de dióxido de carbono e água, como produtos de combustão.
Os queimadores desenvolvidos nesse projeto utilizaram para a queima, álcool hidratado a
11
92,6° INPM, combustível tal que pode ser encontrado em supermercados.
A Tabela 2 traz informações relevantes sobre as propriedades do etanol, utilizadas nesse
estudo:
Tabela 2: Propriedades Etanol
Propriedades Etanol Hidratado 95% em volume
Fórmula Química C2H5OH + 19 H2O
Densidade a 20ºC 0,81
Densidade de vapor saturado (kg/m³) 1,44
Relação Estequiométrica 8,3/1
Ponto de Ebulição (ºC) 78
Calor Latente de Vaporização (kJ/kg) 1143
Temperatura de autoignição 580
PCI (kJ/kg) 24920
Flash Point (ºC) 14
Fontes Michelena, Martin (2002), Incropera (2008, Tabela A.5) e IBP (1987).
2.3 Logística de Combustíveis
O etanol é escoado no Brasil por um sistema integrado de rodovias, ferrovias, dutos e
terminais. Segundo IBP (1987), o etanol pode ser transportado em navios e ser utilizado os
mesmos equipamentos e instalações utilizadas para o transporte de derivados claros de petróleo
sem que haja a necessidade de modificações, apenas a pintura interna deve ser observada se é
compatível com o etanol. Para o etanol anidro são necessárias outras precauções para que água ou
sujeira não seja misturada ao produto de forma a tirá-lo da especificação. O transporte de etanol
realizado através de dutos pode utilizar aqueles que servem de transporte de gasolina, porém é
necessário drenar o sistema, preenchido por gasolina, exatamente antes do transporte do etanol,
evitando contaminação do produto por água.
Os locais de armazenamento de etanol estão sujeitos a incêndios ou explosões se a taxa de
mistura de ar e combustível nesses locais estiver na faixa de explosividade, ou seja, entre 3,3
(limite inferior) e 19 (limite superior). Fora dessa faixa não há riscos. (IBP, 1987)
Segundo o Plano Decenal de Expansão de Energia de 2008-2017, até o final de 2010 era
previsto o investimento de R$890,00 milhões em dutovias para o escoamento do etanol, sendo
12
prevista a construção de 1171 km de dutos entre as regiões Centro-Oeste e Sudeste e ainda foi
proposta a criação de uma infra-estrutura de dutos e terminais aquaviários pela Transpetro para a
exportação do etanol, dessa forma a Petrobrás investiria no “Programa Etanol” em três áreas
abrangentes às regiões Sudeste e Centro-Oeste, com o Programa Corredor de Expansão de
Etanol, à região Sul com o Projeto Exportação e à região Nordeste também com o Projeto
Exportação. Outros projetos de investimento no país nesse setor que são o Projeto Brenco
(Companhia Brasileira de Energia Renovável) e o Projeto Uniduto.
O Projeto Brenco previu a construção de um poliduto de 1120 km com a capacidade de
exportação de 4,25 milhões de m³/ano e distribuição interna de dois milhões de m³/ano, contando
ainda com oito terminais, os quais teriam capacidade para o armazenamento de 460 milhões de
litros de etanol. Segundo o Plano Decenal de Expansão de Energia 2008-2017, v. 2, o projeto
deveria ser concluído em 2011.
A UNIDUTO Logística foi formada pela Cosan, Crystalsev e Copersucar em maio de 2008
com a finalidade de construir um alcoolduto para exportação de etanol. O projeto pretendia ligar,
por via de dutos, o terminal portuário de São Paulo a Paulínia. (Plano Decenal de Expansão de
Energia 2008-2017, v.2)
Na data de 25 de junho de 2013 foi realizada a primeira transferência de etanol por meio de
dutos operados pela Transpetro entre o Terminal Terrestre de Ribeirão Preto e a Refinaria de
Paulínia (Replan). (Agência Petrobrás, 2013)
2.4 Emissões
Segundo Silva (2008) na análise do ciclo de vida do etanol pode-se observar as emissões
nos seguintes passos do processo de fabricação: produção e transporte da matéria-prima,
produção, distribuição e armazenamento do combustível e ainda as emissões devido ao uso final
do combustível. O objetivo dessas análises é fazer balanços energéticos e de emissões de gases de
efeito estufa, sendo que essas emissões são estimativas em cada um dos passos acima citados.
O etanol brasileiro, por ser produzido a partir da cana-de-açúcar, exige menos fertilizante
que os outros tipos de etanol, e a produção de calor e energia utilizados em sua fabricação são
provenientes da queima do bagaço da cana. Apesar de o transporte da matéria-prima ser feito
com o uso de caminhões movidos a diesel, ainda resulta em maiores reduções de emissões de
gases de efeito estufa em relação aos combustíveis derivados do petróleo.
13
Das estratégias utilizadas pelos países em desenvolvimento para a redução de emissões, a
substituição dos combustíveis utilizados, por outros alternativos de origem renovável é a que tem
o resultado mais imediato. O etanol é um combustível de “origem renovável, com baixo teor de
carbono, concentração praticamente nula de enxofre, baixa toxidez e potencial reduzido para
geração de poluentes.” (IEL/NC, 2008)
A preparação para a colheita da cana-de-açúcar feita com o método da queimada propicia a
emissão de CO2, CH4, CO, NOx e material particulado, porém, para a extinção dessa prática, são
necessários avanços tecnológicos e a mecanização da colheita. Esse método está sendo extinto
gradativamente. No estado de São Paulo a queimada da cana para a colheita vem diminuindo,
pois entre os anos de 2007 e 2008 o índice de mecanização da colheita chegou a 46% da área
plantada. Na safra 2014/ 2015 a mecanização no estado de São Paulo atingiu 100%.
Para melhorar a produção da lavoura de cana-de-açúcar utiliza-se a prática da irrigação, que
com a recirculação da água, pode reduzir drasticamente o consumo desse bem.Com o uso do
bagaço de cana para a produção de energia térmica, mecânica e elétrica necessárias na produção,
as usinas sulcroalcooeiras tornam-se autossustentáveis.
Outros pontos que devem ser levados em consideração quando se tratando de poluição
ambiental são os resíduos da produção do etanol, tais como a vinhaça, as águas residuais, gases,
particulados e a torta de filtro. A vinhaça não pode ser despejada em corpos hídricos, porém, está
sendo aplicada no cultivo da cana sob a forma de fertilizante, diminuindo a necessidade do uso de
fertilizantes minerais e água e evitando a contaminação dos rios. O mesmo é feito com a torta de
filtro, assim como as águas residuais que já passam por um processo simples de tratamento
(Plano Decenal de Expansão de Energia 2008-2017, v.2).
2.5 Queimadores
Queimadores são “componentes que permitem a queima do gás” (ABNT, 2003). Ou seja, o
queimador é o equipamento que permite que a combustão ocorra, por proporcionar o contato do
combustível com o ar, por um tempo e uma temperatura adequados. Os tipos de queimadores
variam de acordo com o combustível a ser utilizado, que pode estar no estado sólido, liquido ou
gasoso, embora a combustão aconteça sempre na fase gasosa; e com a forma como este é
misturado com o ar. (Priestley, 1973) Podendo ser classificados, ainda, pela sua potência nominal
(Pn), em relação ao poder calorífico superior (PCS). Quando os queimadores possuem potência
nominal entre 0,23 kW e 1,16 kW, são chamados de auxiliares, se a Pn estiver entre 1,16 kW e
14
2,30 kW são chamados semirrápidos e são rápidos se a potência nominal estiver entre 2,30 kW e
3,50 kW e ainda podem ser classificados em ultrarrápidos, se a Pn for superior a 3,50 kW.
(ABNT, 2003)
Os queimadores utilizados em fogões domésticos podem ser de dois tipos, não aerados(ou
de difusão), nos quais o ar entra em contato com o combustível apenas na saída do queimador, ou
aerados (de pré-mistura), no qual uma parte do ar é misturada ao combustível dentro do
queimador e outra parte é adicionada na saída deste. Os queimadores de pré-mistura, consistem
em um injetor, um tubo de mistura e um espalhador. Podem ser divididos em dois conjuntos, os
queimadores cobertos e os queimadores descobertos. (ABNT, 2003)
São chamados cobertos quando o recipiente a ser aquecido não entra em contado direto
com a chama, por estar repousando sobre uma placa e podem ser classificados em permanentes,
quando a placa só pode operar em uma posição ou temporários quando a placa pode ser
removida, de forma a transformar o queimador em descoberto. (ABNT, 2003)
Os queimadores descobertos são aqueles em que a chama entra em contado direto com o
recipiente a ser aquecido. (ABNT, 2003)
Os queimadores aerados seguem o mesmo princípio que o bico de Bunsen (Figura 4), no
qual parte do ar relativo à combustão se mistura por variação de pressão ao combustível quando
esse é injetado. Essa mistura precisa ter velocidade maior do que a velocidade de chama, para que
não haja retorno de chama durante a combustão e, por outro lado, essa não pode ser muito maior
que a velocidade de chama, pois, dessa forma, seria observado o “descolamento” da chama.
Controlando-se a quantidade de ar primário obtêm-se desde uma chama longa e luminosa (como
a obtida nos queimadores não aerados) até uma chama curta e pouco luminosa. (Francis, 1965)
Nos queimadores não aerados não há fornecimento de ar primário e todo ar utilizado na
combustão é adquirido das proximidades da chama (Francis, 1965), por essa razão nos
queimadores por difusão a reação química ocorre em uma pequena camada entre o combustível e
o oxidante. A chama de difusão pode ser homogênea, quando o combustível utilizado está no
estado gasoso, assim como o oxidante, ou heterogênea, na qual o combustível não se encontra no
mesmo estado que o oxidante, como é o caso da oxidação de produtos líquidos e sólidos pelo ar
atmosférico. (Kanury, 1977)
15
Figura 4: Bico de Bunsen.
Fonte: Francis, 1965
Os combustíveis líquidos e sólidos possuem, em geral, temperatura de vaporização menor
do que a temperatura necessária para entrar em combustão. Dessa forma, a queima ocorre
principalmente no estado gasoso. (Kanury, 1977)
Com isso, queimadores projetados para óleos ou combustíveis líquidos são, em geral,
semelhantes aos apropriados à queima de gás, os combustíveis são, neste caso, vaporizados ou
injetados através de um pulverizador que produza gotículas, as quais devem ser totalmente
vaporizadas antes da zona de combustão. (Priestley, 1973)
2.6 Fogões a Álcool
Alguns modelos de fogões a álcool já existentes foram testados em países da África, como
Malawi (Robinson, 2006), Etiópia, e Nigéria (Projeto Gaia, 2008), no Brasil (Projeto Gaia, 2008
– Couto, 2007) e na Índia (Rajvanshi, 2004).
Malawi foi um dos países escolhidos para o teste por ser um dos mais populosos do sul da
África, onde por volta de 84% da população vive em áreas rurais e cuja principal fonte de energia
é o carvão vegetal, utilizado tanto no setor agroindustrial, quanto no doméstico, causando grave
desmatamento. O projeto visou substituir o carvão vegetal por etanol produzido no próprio país
16
(Robinson, 2006).
O fogão SuperBlu (Figura 5) pode ser aceso com o uso de um fósforo ou um acendedor
piezoelétrico, quando colocada uma pequena quantidade de etanol em um reservatório pré-
aquecido. O combustível, ao ser queimado, forma vácuo no tanque conforme retira o ar da
queima, fazendo com que mais combustível seja sugado, por capilaridade, para o bocal
(Robinson, 2006).
Figura 5: Fogão SuperBlu
Fonte: Robinson J. 2006.
O fogão Clean Cook (Figura 6), fabricado pela empresa suíça Domec AB, foi utilizado
durante 30 anos na Europa e América do Norte e foi testado, pelo Projeto Gaia, na Etiópia,
Nigéria e no Brasil, nas regiões rurais de Minas Gerais. O projeto teve como objetivo a difusão de
uma “tecnologia alternativa, com um combustível limpo” (Couto, 2007), gerando menos resíduos
prejudiciais à saúde, a partir do uso de uma fonte de energia renovável.
O fogão consiste em dois queimadores com tanques recarregáveis de combustível
recobertos internamente por uma fibra mineral (Figura 7), que impede vazamentos, podendo
conter, cada um deles, 1,2 litros de álcool, que são suficientes para 4,5 horas de cozimento
(Projeto Gaia, 2008). No Brasil, foi testado entre 2005 e 2007 (Couto, 2007) e na Nigéria entre
dezembro de 2003 e abril de 2004 (Projeto Gaia, 2008).
Nos testes realizados na Etiópia, desde 2004, constatou-se que “o fogão CleanCook,
quando é abastecido com o etanol ou metanol, possui uma queima limpa, e sem fuligem, melhor
17
desempenho que o fogão a querosene, e mais atrativo se comparado ao fogão que utiliza gás
GLP” (Projeto Gaia, 2008). Depois dos testes, durante os quais não houve ocorrência de
acidentes, o fogão Clean Cook substituiu os combustíveis de fontes não renováveis, que eram
utilizados anteriormente, com satisfação dos consumidores, mostrando-se ainda mais eficiente
que outros fogões.
Figura 6: Fogão Clean Cook
Fonte: Couto R. 2007.
Figura 7: Tanque recarregável de combustível
Fonte: ECS – Marine Equipment
Na Índia, entre 2005 e 2006, foi testado o fogão a álcool NARI (Figura 8), que consiste em
um fogão pressurizado, que utiliza álcool com baixa concentração de etanol (em torno de 45-60%
da concentração etanol/água), composto por um tanque de combustível (com capacidade para 2,6
litros de combustível), uma válvula reguladora de pressão (para que a pressão no tanque seja
18
independente da intensidade da chama), um filtro, um controlador de chama e um queimador
(Figura 9) (Rajvanshi, 2004).
Figura 8: Fogão a álcool NARI
Fonte: Rajvanshi A. K., 2004.
Figura 9: Esquema de funcionamento do fogão NARI
Fonte: Rajvanshi A. K., 2004.
A válvula reguladora da chama possibilita a mudança entre as vazões máxima (2,47kW) e
mínima (0,9kW), de forma que o fogão NARI seja equivalente a um fogão a GLP e o queimador
permite que a água do combustível seja evaporada, enquanto o álcool é queimado. A quantidade
19
de CO emitido como produto da combustão está dentro dos limites aceitáveis, sendo menores do
que cinco partes por milhão (ECS-Marine Equipament, 2009).
2.7 Normas ABNT e Comentários
Esse capítulo apresenta as normas ABNT NBR13723-1 (2003) e NBR13723-2 (1999), nas
versões digitalizadas, cedidas pela empresa MABE, com quem esse trabalho foi realizado em
conjunto. Os ensaios foram adaptados para o uso do etanol.
A norma ABNT para aparelho doméstico de cocção a gás (NBR 13723-1, 2003) define
quais características tal aparelho deve conter e como esse deve se “comportar”, além dos passos
que devem ser seguidos durante os ensaios que visam avaliar a segurança do aparelho. Essa
norma será aplicada ao objeto de estudo, pois se trata de um “fogão de mesa independente (em
estudo)” (NBR 13723-1, 2003), apesar de estar sendo utilizado um combustível líquido, para o
qual não há uma norma específica para ensaios.
A potência do queimador é definida pelo produto da vazão pelo poder calorífico e é medida
em kW. (ABNT, 2003)
Segundo cálculos realizados no item 3.2.5, os queimadores estudados podem ser
classificados como auxiliar, pois sua potência nominal está entre 0,23 kW e 1,16 kW.
As condições de ensaio dizem respeito à temperatura do ambiente em que o mesmo será
realizado, o gás e as pressões de referência, aparadores para cada tipo de ensaio.
A norma também especifica o aparador necessário para a realização do ensaio de
rendimento consiste em uma estrutura de madeira, pintada de preto fosco, composta de uma placa
retangular traseira de 1800x780mm e duas placas laterais de dimensões 680x910mm, valores
esses calculados de acordo com a mesa a ser testada.
São especificadas também as dimensões dos recipientes a serem utilizados, dependendo da
potência do queimador a ser analisado e as quantidades de água a ser aquecida durante cada
ensaio, assim como a metodologia para a realização do mesmo e os cálculos necessários, de
acordo com o tipo de queimador.
Com relação á segurança, a norma pede ensaios quanto à resistência ao superaquecimento e
escape de gás não queimado. Para a resistência ao superaquecimento o queimador deve ficar em
funcionamento por 15 min, coberto por um recipiente de 220 mm de diâmetro, com 3,7 kg de
20
água em seu interior. Para o caso do queimador de mesa ainda deve ser mantido aceso por 1 h,
sem a presença de recipientes. Para o ensaio de escape de gás é utilizado um fósforo para
verificar se existe vazamento nas juntas e ainda um detector de gás nos locais onde o gás poderia
se acumular. No caso do combustível líquido, o teste de segurança do escape do combustível
seria visual, pois seria possível observar vazamento do líquido nas conexões ou seu acúmulo em
alguma região do queimador. Não foram programados ensaios de segurança, porém o queimador
esteve em funcionamento durante o período exigido para o ensaio à resistência ao
superaquecimento e não foram observados vazamentos ou acúmulo de combustível no queimador
durante o uso.
2.8 Metodologias de Projeto de Fogões
2.8.1 Motivação
Este trabalho foi realizado a pedido da empresa MABE, que solicitou o desenvolvimento de
uma mesa com queimadores com alimentação contínua de etanol para fogões domésticos, para a
substituição do GLP, utilizando-se dessa forma, um combustível renovável em vez de um
derivado de petróleo.
As seguintes etapas de desenvolvimento do projeto foram seguidas:
1) Reunião com os engenheiros de desenvolvimento da MABE, onde foram determinadas
algumas condições de contorno:
Baixo custo;
Condições de fabricação na linha de montagem da MABE;
Inovação, com a possibilidade de patente;
Prazo estipulado;
Dimensões pré-estabelecidas.
2) Revisão bibliográfica e busca por projetos semelhantes, assim como patentes já
existentes;
3) Desenvolvimento de quatro linhas de estudo
4) Avaliação e ensaios de cada linha de estudo
5) Escolha da linha de projeto
6) Anteprojeto e construção de protótipo preliminar
7) Ensaios do protótipo preliminar
21
8) Projeto térmico do queimador
9) Projeto construtivo
10) Ensaios e reengenharia
11) Projeto definitivo
12) Ensaio de rendimento segundo a norma com projeto definitivo
2.8.2 Linhas de Estudo
Este projeto teve inicialmente quatro linhas de estudo. São elas, injeção por pressurização,
injeção eletrônica, injeção por gravidade e vaporização de filme de líquido, e o estudo de
fogareiros comerciais a álcool.
A linha de injeção por pressurização constituía-se de um botijão modificado contendo
etanol líquido e pressurizado com nitrogênio. O combustível pressurizado era injetado no
queimador através do duto central, como no queimador original a GLP, utilizando-se um injetor
convencional, porém com orifício de saída do combustível da ordem de 0,25 mm, ou ainda um
injetor mecânico. Para essa linha de estudo utilizou-se o princípio do queimador com pré-mistura.
Na segunda linha (injeção eletrônica) estudou-se o comportamento dos injetores eletrônicos
utilizados em motores a combustão interna, buscando a injeção com menor quantidade de etanol
em intervalos cada vez menores, de forma a obter uma mistura homogênea entre ar e
combustível.
No estudo da linha de injeção por gravidade e vaporização por filme de líquido utilizou-se
o princípio do queimador sem pré-mistura. Nessa linha o reservatório de combustível foi
colocado a uma altura acima do queimador, de forma a escoar por gravidade e o queimador foi
projetado de forma a obter um filme de líquido a ser vaporizado em seu interior.
A quarta linha de estudo foi baseada nos fogareiros comerciais já existentes no mercado e
que utilizam o etanol como combustível. Foram feitos estudos de potência e algumas
modificações, visando o objetivo do trabalho.
2.8.3 Ensaio das linhas de estudo
a)Injeção por Pressurização
Para a realização do estudo nessa linha foi necessária a modificação de um botijão do tipo
22
P2 (que comporta 2 kg de GLP), através da inserção de tubo lateral com rosca para ligação de
mangueira de alta pressão para pressurização e tubo pescador no interior.
Foram realizados testes visuais de injeção, utilizando-se injetores convencionais
(semelhantes aos originais para o fogão à GLP) ou injetores mecânicos (utilizados originalmente
em motores de combustão interna), variando-se o diâmetro dos orifícios de saída e a pressão
aplicada pelo nitrogênio inserido no botijão.
O comportamento do jato proveniente do injetor foi observado visualmente, a fim de
comprovar se tal diâmetro de orifício, combinado com a pressão imposta ao sistema, seria
suficiente para que houvesse a vaporização do combustível.
b) Injeção Eletrônica
Ensaios de vazão com injetores de diferentes modelos utilizados em motores de combustão
interna, com variação de tamanho de pulso e tensão aplicada, buscando a obtenção de uma
mistura homogênea entre ar e combustível na injeção.
c) Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido
Testes visuais seguidos de dimensionamento do queimador para obtenção de chama estável
e diminuição de fuligem.
Ajuste de altura do reservatório e ajuste do comprimento e diâmetro interno do tubo de
injeção de combustível para obtenção da vazão ideal de combustível a ser injetado no queimador.
Ensaios para a escolha da configuração e comprimentos de tubo de alimentação do
queimador.
Testes com queimador definitivo com medida de temperatura
Ensaios segundo a norma, realizados na empresa MABE.
d) Estudo de Fogareiros Comerciais a Álcool
Ensaios de potência com a chama aberta ao ambiente e ensaios de potência com
aquecimento de água.
Alimentação contínua de combustível e uso de válvula reguladora de vazão, assim como
novos ensaios de potência.
Modificações na estrutura dos fogareiros visando melhorar a qualidade da chama.
23
2.8.4 Avaliação das Linhas de Estudo
Após a realização dos ensaios, algumas das linhas de estudo foram descartadas e o estudo
posterior se concentrou no desenvolvimento da linha de alimentação por gravidade e vaporização
por filme de líquido, levando-se em consideração os conhecimentos obtidos nos estudos
realizados com os fogareiros comerciais.
A injeção eletrônica foi descartada devido ao encarecimento do produto final pela adição de
controladores eletrônicos.
Na linha de injeção por pressurização foram observados alguns problemas de variação de
pressão e dificuldades de pulverização do etanol e de dimensionamento do queimador para
adequação ao injetor.
2.8.5 Projeto Preliminar
A partir da escolha de desenvolvimento da linha de injeção por gravidade e vaporização por
filme de líquido foi realizada a primeira modificação (Figura 10) no queimador original
(alimentado por GLP) cedido pela MABE, com alimentação através de um tubo capilar
localizado em sua lateral e sem entrada de ar primário, a fim de formar um reservatório para o
etanol líquido injetado. O protótipo preliminar utilizava a tampa original do queimador.
Figura 10: Protótipo Preliminar
Foram realizados testes visuais no protótipo, avaliando a qualidade da chama e regulando a
vazão de combustível, através da altura do reservatório, para conciliar a quantidade de
combustível injetado com a quantidade do mesmo vaporizado e consumido durante a combustão.
Nesses testes observou-se uma dificuldade de acendimento e extinção da chama no queimador,
24
assim como formação de fuligem e chama com ponta amarela, devido à falta de ar na combustão.
2.8.6 Projeto Detalhado
A partir do estudo desenvolvido sobre os fogareiros comerciais existentes e algumas
modificações de melhoramento de aeração, foi dado o próximo passo em direção ao queimador a
etanol. Foi elaborado um projeto, no qual o queimador possui um “reservatório” interno, de
forma a não vazar o combustível injetado, uma entrada de ar primário, porém não pré-misturado e
um canal de acendimento (Figura 11).
Figura 11: Protótipo do queimador, sem a tampa
Após alguns testes realizados com tal queimador, percebeu-se uma dificuldade no
acendimento, devido ao tempo entre a entrada de combustível no queimador e o “vazamento” do
mesmo para o canal de acendimento. Para diminuir esse tempo, usinou-se o seu interior, de
maneira que esse formasse um ângulo em relação ao plano da mesa, fazendo com que o etanol
escoasse para a parede mais rapidamente, quebrando mais facilmente a tensão superficial do
combustível, devido ao furo para escoamento, conforme esquema (Figura 12).
25
Figura 12: Esquema de escoamento de combustível para canal de acendimento
Na Figura 13 pode-se observar essa modificação no queimador.
Figura 13: Queimador final com fundo em ângulo
A entrada de alimentação, os furos utilizados para escoamento do etanol para o canal de
acendimento e a entrada de ar não foram modificados nesse protótipo.
26
27
3 Projeto Térmico do Queimador a Álcool
3.1 Relação ar/combustível
Introdução:
A combustão é um processo no qual o combustível é oxidado, liberando calor. Para que
haja uma combustão completa é necessário que a quantidade de ar disponível para a mesma seja
maior ou igual à quantidade estequiométrica.
Todo o equacionamento foi feito para regime permanente.
Equações:
Para o cálculo da relação ar combustível, tomemos por combustível um hidrocarboneto
dado por CxHy. A relação estequiométrica é dada por:
22222 76,3276,3 aNOHyxCONOaHC yx (1)
Para que todo combustível seja oxidado é preciso que o valor de a seja:
2yxa
E a relação ar/combustível estequiométrica, para esse combustível é dada por:
comb
ar
comb
ar
M
Ma
m
m
1
76,4 (2)
Onde mar é a massa de ar, mcomb é a massa de combustível e Mar e Mcomb são as massas
molares do ar e do combustível, respectivamente. (Turns, 2000).
Como o etanol utilizado nas medidas tem teor 92,8 INPM, em 100 kg de etanol tem-se:
molOH
molmolkg
kgOHHC
4,018
2,7
01,2/46
8,92
2
52
Assim, a equação da reação de combustão para 50 kg de combustível será:
22222252 76,32,3276,32,0 aNOHCONOaOHOHHC ,(3)
onde: 32,3422,01 aa
28
Portanto, a equação balanceada será dada por:
22222252 28,112,3276,332,0 NOHCONOOHOHHC
A razão estequiométrica ar/combustível para o etanol é:
1
23,8
50
14276,331623
mC
A
Propriedades:
A massa molecular pode ser calculada somando-se a massa atômica de cada componente,
multiplicada pela quantidade de componente.
Dados:
Moxigênio= 16, Mhidrogênio= 1, Mcarbono= 12, Mnitrogênio= 14
Metanol = (2 x 12) + (6 x 1) + (1 x 16) => Metanol = 46
3.2 Cálculo da potência do queimador
Introdução:
Potência é a quantidade de energia liberada em um processo, por unidade de tempo. A
potência nominal (PotN) para o queimador a etanol é calculada a partir da vazão mássica de
combustível ( m ) utilizada durante os testes e do poder calorífico superior do etanol (PCS). Os
testes foram realizados com a chama estável. Os cálculos serão realizados simultaneamente para
os dois queimadores desenvolvidos, portanto serão usados os índices (1) para designar os
queimadores alimentados por tubo capilar e (2) para os alimentados por tubo de ¼”.
Equações:
PCSmPotN (3)
Propriedades:
PCS = 25 MJ/kg (Penido Filho, 1983)
29
Dados:
Vazão medida (Figura 50 e Figura 51)
1m = 2,29g/min = skg /1081,3 5
2m = 2,81g/min = 4,68 x 10-5
kg/s
Resultados:
Segundo a equação (3)
kWkgMJskgxPotN 954,0/25/1081,3 5
1
kWkgMJskgxPotN 171,1/25/1068,4 5
2
3.3 Balanço de Energia
Introdução:
A energia liberada pela combustão do etanol é distribuída entre o aquecimento do
queimador, a vaporização do etanol e parte é perdida para o ambiente pela troca de calor
principalmente por convecção e radiação. A quantidade de calor necessária para o aquecimento
do queimador depende do material utilizado e de sua massa. As perdas por troca de calor podem
ser calculadas sabendo-se a temperatura e a geometria do queimador.
Equações:
Durante o aquecimento do queimador, podemos dizer que a potência nominal do mesmo é
sempre superior à taxa de aquecimento (qaquec) que é dada pela equação 8, em regime permanente,
onde qqueim é o calor transmitido ao queimador, qconv+rad é o calor perdido por troca de calor com o
ambiente por convecção e radiação e qvap é a quantidade de calor fornecida ao combustível para
que esse passe do estado líquido para o gasoso.
aquecN qPot (4)
vapradconvqueimaquec qqqq (5)
Cálculo da taxa de calor transmitida por convecção (qconv):
30
ambcconv TTAhq sup , (6)
onde A é a área da superfície considerada, hc é a constante de troca de calor por convecção, Tsup é
a temperatura da superfície e Tamb é a temperatura ambiente.
A constante de troca de calor por convecção (hc) pode ser calculada a partir do número de
Nusselt, através da equação (10):
L
kNu=h
k
LhNu L
cc
L , (7)
onde L é o comprimento característico e k é a condutividade térmica doqueimador.
a) Para a lateral do queimador:
Foi considerada a lateral do queimador como uma placa plana vertical, por ser um cilindro com
altura muito menor que o perímetro e se tratando de convecção natural (Kreith, 1991) cujo
comprimento é igual ao perímetro da tampa, tem-se:
O número de Nusselt é calculado a partir dos números de Rayleigh e Prandtl, segundo a equação
(11):
2
278169
61
Pr492,01
387,0825,0
L
L
RaNu (8)
3
sup )( LTTgRa
amb
L
, (9)
onde
fT
1 (10)
2
sup amb
f
TTT
(11)
b) Para a tampa do queimador:
Considerando a tampa do queimador como uma placa plana horizontal, o número de Nusselt é
dado por:
)1010(54,0 7441 LLL RaRaNu (12)
31
)1010(15,0 11731 LLL RaRaNu (13)
Cálculo da taxa de transferência de calor por radiação (qrad):
Considerando uma superfície cinza, troca líquida de calor por radiação com ambiente é
dada por:
qrad= hr A (Tsup – Tamb) (14)
hr = (Tsup + Tamb)(Tsup2 + Tamb²) (15)
=>qrad= A (Tsup4 – Tamb
4) (16)
Cálculo da taxa de transferência de calor ao queimador (qqueimador):
aq
alumQ
queimt
Tcmq
, (17)
onde mQ é a massa do queimador, calum é o calor específico do alumínio ΔT é a diferença entre a
temperatura inicial e a temperatura final do queimador no aquecimento, a partir da qual a chama
sustentável ocorre no instante em que a chama piloto é acionada e taq é o tempo de aquecimento
do queimador medido desde o acendimento da chama piloto até a ignição completa do
queimador.
Cálculo da taxa de transferência de calor ao álcool para vaporização (qvap):
vvap hmq . , (18)
onde m é a vazão mássica e hv é o calor latente de vaporização do etanol.
Cálculo da taxa de energia disponível quando trabalhando em regime:
Quando o queimador está trabalhando em regime, esse já está aquecido e portanto não há
mais o termo de calor transmitido ao queimador para aquecê-lo, assim, tem-se que a potência
nominal é igual a uma taxa de energia disponível para aquecer a panela, especificada no capítulo
4.2.4, (Qdisp) somada às perdas devido a troca de calor com o ambiente, por convecção e radiação
e devido à vaporização do etanol.
vapradconvNdispvapradconvdispN qqPotqqqqPot (19)
32
Propriedades:
Para o ar à temperatura Tf = 311 K (temperatura média dos ensaios)
= 17,00 x 10-6
m²/s
= 24,13 x 10-6
m²/s
k = 27,1 x 10-3
W/m . K
Pr = 0,705
ε = 0,045 (Fonte: Incropera, 2008)
σ = 5,67 x 10-8
W/ m² K4 (constante de Stefan-Boltzmann)
calum = 903 J/ kg.K (Fonte: Incropera, 2008, Tabela A.1)
g = 9,8 m/s²
hv= 1143 kJ/kg
Dados:
Tamb = 25°C = 298K
Tsup = 70,4ºC = 343,4K
Tvap = 78°C =351K
mQ = 0,130 kg
A = 9,15 x 10-3
m²
taq = 150 s
Tf = (51,5 + 25)/2 = 38,25°C = 311K
= Tf-1
= 3,22x10-3
K-1
A temperatura de superfície utilizada foi a temperatura medida na qual o acendimento do
queimador acontece mais rapidamente.
Resolução:
Cálculo da taxa de transferência de calor por convecção:
66
33132
1013,241000,17
108,112894,3431022,38,9
KKKxsmRaL
33
4
L 10=Ra 0,556
a) Placa Plana Vertical
2
278
169
51
4
705,0492,01
10556,038,0825,0
LNu
6,81=NuL
KmWhh cvcv ².64,15108,11
101,27*81,63
3
b)Placa Plana Horizontal
00,310556,054,0414 LL NuxNu
KmWhh chch ².89,6108,11
101,27*00,33
3
KmWhhhh cchcvc ².53,2289,664,15
WqKKmxmWq convconv 19,112894,343²1015,9²/53,22 3
Cálculo da taxa de transferência de calor por radiação:
4483 2894,3431067,51015,9045,0 KKxxqrad
W=qrad 0,16
WqWWq radconvradconv 35,1116,019,11
WWWWWqaquec 78,13255,4388,7716,019,11
Cálculo da taxa de transferência de calor ao queimador:
Para acendimento com o queimador inicialmente a temperatura ambiente, temos
Wqs
KKkgKJkgq queimadorqueimador 88,77
82
)2894,343(903130,0
Cálculo da taxa de transferência de calor ao álcool para vaporização (qvap):
34
WkgkJskgqvap 55,431143*1081,3 5
Cálculo da taxa de energia disponível quando trabalhando em regime:
WqWWWq dispdisp 1,89955,4335,11954 11
WqWWWq dispdisp 1,111655,4335,111171 22
3.5 Vazão de gás de álcool
Introdução:
Ao ser vaporizado, o etanol se expande, gerando um fluxo de gás de etanol através dos
orifícios de difusão localizados na tampa do queimador. A velocidade com que o gás os atravessa
depende da área e da quantidade desses orifícios.
Equações:
VM = qalcvap / At , (21)
onde VM é a velocidade com que o gás atravessa os furos de difusão, Qalcvap é a vazão de vapor de
etanol e At é a área total dos orifícios.
Aon=Ao=At , (22)
onde Ao é a área de cada orifício e n é o número de orifícios existentes na tampa do queimador. A
tampa utilizada no projeto foi uma tampa comercial e seus orifícios foram medidos.
Dados:
n = 32
Ao = 4,15 x 10-6
m²
Resolução:
²1033,1²1015,432 46 mxmxAt
scmsmmx
smxVM /65,28/2865,0
²1033,1
/³1081,34
5
1
35
scmsmmx
smxVM /19,35/3519,0
²1033,1
/³1068,44
5
2
A velocidade VM deve ser aproximadamente igual à velocidade de chama do etanol para
que não haja descolamento da chama.
Os resultados obtidos dos cálculos realizados esse capítulo estão dispostos na Tabela 3:
Tabela 3: Resultados obtidos do equacionamento do queimador
Grandeza Queimador alimentado
por capilar
Queimador alimentado
por tubo ¼”
PotN 945 W 1171 W
qconv 11,19 W 11,19 W
qrad 0,16 W 0,16 W
qqueim 77,88 W 77,88 W
qvap 43,55 W 43,55 W
qaquec 132,78 W 132,78 W
qdisp 899,1 W 1116,1 W
m 3,81x10-5
kg/s 4,68x10-5
kg/s
VM 0,2865 m/s 0,3519 m/s
36
37
4 Material e Métodos
4.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização
Nessa primeira parte deste trabalho foram realizados testes, nos quais foram utilizados
queimadores originalmente utilizados em fogões alimentados por GLP. Tal fogão foi cedido pela
empresa responsável pela idealização deste projeto. A injeção de etanol líquido ocorreu através
da pressurização com nitrogênio desse combustível em um botijão modificado conforme a Figura
14.
Figura 14: Modificação em Botijão para uso de etanol líquido
As modificações às quais o botijão foi sujeito foram: (a) a colocação de um tubo de ligação,
com rosca, em sua lateral, para a inserção do combustível no interior do botijão e posterior
conexão de mangueira de alta pressão de ligação ao cilindro de nitrogênio, e (b) a colocação de
um tubo pescador em seu interior, juntamente com um adaptador à válvula GVU original do
botijão. Para a conexão com o fogão utilizou-se também uma mangueira de alta pressão.
Os ensaios preliminares visaram apenas à observação do comportamento do etanol ao ser
expelido por injetores com diferentes diâmetros de orifícios e foram realizados em dois estágios,
com e sem a presença do queimador. Foram utilizados os seguintes diâmetros de orifícios nos
injetores: 0,020mm, 0,025mm e 0,030mm, com uma pressão aplicada de 3kgf/cm².
38
O mesmo procedimento foi realizado com um injetor automotivo mecânico pressurizado a
4kgf/cm². A diferença de pressão utilizada para o injetor mecânico em relação aos demais se deve
ao fato de este iniciar seu funcionamento a uma pressão mínima de 3,6kfg/cm².
4.2 Linha de Estudo Injeção Eletrônica
Em paralelo aos testes de injeção por pressurização foram realizadas medidas de vazão de
alguns injetores construídos especialmente para esse ensaio, cujas características de
funcionalidade são apresentadas no capítulo de resultados, utilizados em motores de combustão
interna, os quais foram ligados a um circuito composto por um osciloscópio, uma fonte de tensão
e um gerador de sinais de onda quadrada, com possibilidade de variação do tamanho do pulso,
através da variação da frequência.
Inicialmente a fonte foi ajustada para gerar uma tensão de 12V, e, através da modificação
do tamanho e da frequência do pulso aplicados ao injetor, foi medido tempo necessário para que
o injetor liberasse um determinado volume de etanol. O volume variou de acordo com as
condições de trabalho, ou seja, para pulsos menores, onde a vazão era muito baixa, o volume de
etanol medido foi menor, enquanto que para pulsos maiores, mediu-se um volume maior, para
que o tempo não fosse muito curto, minimizando, assim, os erros de medição.
O procedimento foi repetido ao ajustar a fonte para gerar uma tensão de 24V.
O tamanho de pulso inicial em cada teste variou de acordo com o modelo de injetor e a
tensão aplicada, mantendo o padrão de que o menor valor de pulso utilizado fosse o aquele no
qual o etanol começasse a ser injetado.
Tais testes foram realizados com o objetivo de entender o funcionamento dos injetores
eletrônicos para o uso em testes de velocidade de chama e, a partir dos dados obtidos, encontrar a
menor vazão e o menor pulso, a fim de obter uma mistura mais homogênea com o ar no processo
de medição da velocidade de chama.
4.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido
Nessa parte dos estudos, foi necessária a montagem de um suporte para um reservatório a
uma altura superior à do queimador, para que o combustível escoasse do reservatório ao
39
queimador, sem a necessidade de uma força, além da gravitacional. Na parte superior do
reservatório foi projetada uma abertura, através da qual seria feito o preenchimento do
reservatório com combustível, enquanto que na parte inferior foi adaptada uma saída de
combustível, conectada a um tubo, o qual fazia a ligação entre o reservatório e o distribuidor de
combustível do fogão, passando por um filtro. Após o distribuidor, o combustível chega ao
queimador, depois de passar por uma válvula reguladora, que é acionada manualmente. Portanto,
o etanol percorria o seguinte caminho, ainda em estado líquido: reservatório filtro
distribuidor válvula reguladora queimador (Figura 15).
Figura 15: Esquema de funcionamento da injeção por gravidade
A altura na qual o reservatório deveria ser posicionado foi obtida através de medidas
realizadas com o uso de um rotâmetro de baixa vazão. Em tais medidas, primeiramente, variou-se
a vazão de combustível injetado no queimador com a válvula agulha do rotâmetro, observando os
limites de vazão entre os quais a chama se apagasse por falta de combustível e a quantidade de
etanol injetado no queimador fosse maior do que a velocidade de consumo desse combustível, ou
seja, o volume de etanol aumentasse no interior do queimador, apesar da combustão estar
ocorrendo. Na sequência, variou-se a altura do reservatório com a válvula agulha do rotâmetro
totalmente aberta, observando qual altura correspondia à vazão conveniente, encontrada
anteriormente.
Com essa configuração, foram realizados testes de acendimento, os quais visavam o estudo
do tempo de acendimento e sua futura diminuição, e testes visuais da qualidade da chama, os
quais proporcionaram uma analise acerca da quantidade de ar e combustível que entravam no
sistema, de forma a serem propostas modificações cabíveis para o melhoramento do queimador
final. O etanol injetado no queimador foi aceso com o uso de uma chama piloto.
40
No primeiro teste realizado, foi utilizado o queimador original cedido pela empresa MABE,
sendo alimentado através de um tubo capilar inserido em um furo já existente, usado inicialmente
para o acendimento por faísca. Porém a capacidade do queimador original de conter o
combustível em seu estado líquido era pequena, de forma que ocorriam vazamentos por
transbordamento. Portanto a primeira modificação feita visava o aumento da área interna. Para
tanto, foi tampado o duto central do queimador, de forma a se obter um reservatório (Figura 16),
originando um queimador não aerado, diferentemente do anterior que utilizava o princípio de pré-
mistura. A tampa utilizada durante os testes foi a original, de ferro fundido.
Figura 16: Queimador de difusão com injeção por filme de líquido
Nos ensaios realizados com esse queimador observou-se uma chama estável, porém com
fuligem e ponta amarelada, devido a pouca quantidade de ar na combustão.
A partir dessa observação, foi projetado o primeiro protótipo para o fogão, tendo por base o
queimador original, porém com paredes mais altas, de maneira a formar um reservatório (Figura
17) e com a injeção de combustível feita pela parte inferior do queimador. O protótipo foi
usinado em uma peça de alumínio e a tampa utilizada foi a do queimador original, em ferro
fundido.
Tal protótipo foi construído a partir das medidas originais e, portanto, possuía uma parede
larga de material que dificultou o acendimento. Foi necessário acender o queimador sem a tampa
e colocá-la depois, com cuidado para não abafar a chama. Como uma saída para facilitar o
acendimento, usou-se o princípio da capilaridade, escavando sulcos na parede interna, na direção
dos furos de difusão, com aproximadamente um milímetro de diâmetro e que percorriam toda a
41
parede, tocando o fundo do queimador, perpendicularmente a esse.
Figura 17: Primeira versão testada do queimador
Para os testes com esse protótipo ainda foi utilizada a montagem experimental com controle
de vazão através do rotâmetro.
Mesmo depois de feitos os sulcos na parede do queimador, ainda havia dificuldade de
acendimento, devido à grande quantidade de material na estrutura do queimador, de forma que a
chama era rapidamente extinta, quando a tampa era colocada sobre a chama, sem que o ar
primário fosse bloqueado, tendo como causa a perda de energia da chama por troca de calor. Para
melhorar o acendimento, diminuiu-se a quantidade de material do queimador, diminuindo as
paredes externas, por usinagem, de forma a manter os sulcos na parede interna e manter a área
para a captação do combustível líquido.
Apesar de todas as modificações realizadas, havia muita dificuldade de acendimento do
queimador, além da obtenção de uma queima incompleta, com muita fuligem e chama com
pontas amarelas.
Voltando os olhos para os testes realizados com o fogareiro A (alimentado continuamente),
originou-se o segundo protótipo (Figura 18), que teve como base o fogareiro com o furo central,
retornando à ideia do queimador de difusão.
Nesse protótipo o combustível seria injetado diretamente no interior do queimador, través
de um tubo. Porém esse protótipo ainda apresentava dificuldade de acendimento, pois não
possuía um modo intrínseco de aquecimento do queimador antes de seu pleno funcionamento,
como foi observado também nos testes com o fogareiro. Nesse caso, não era possível acender o
Injeção do etanol
42
queimador sem o uso de uma chama externa.
Figura 18: Segundo protótipo do queimador
Para acabar com esse problema, foi incorporado um canal de acendimento na parte externa
do queimador, originando o terceiro protótipo do queimador (Figura 19).
Figura 19: Terceiro protótipo (com tampa)
Nesse protótipo, o combustível é injetado no queimador, através de um tubo posicionado
em sua base (entrada de alimentação de etanol), e escoa pelo fundo do queimador, saindo pelos
orifícios de escoamento, preenchendo o canal de acendimento (Figura 20). Foram realizados
testes com queimadores cuja entrada de alimentação era feita através de um tubo capilar e
queimadores alimentados por um tubo de ¼” de diâmetro, com diferentes comprimentos. A vazão
de combustível foi controlada por uma válvula de controle de vazão, original do fogão fornecido,
com posição de fogo alto (máximo) e baixo (mínimo).
Com o uso de uma chama piloto, o combustível que escoa para o canal de acendimento
entra em combustão, aquecendo o queimador até que seja atingida a temperatura de cerca de
43
78°C (temperatura de vaporização do etanol), na qual todo combustível injetado é vaporizado. O
gás de etanol se expande e é expelido através dos furos de difusão da tampa, obtendo-se uma
chama semelhante àquela observada em um queimador a gás, enquanto a chama externa se
extingue.
Figura 20: Terceiro protótipo (sem tampa)
Figura 21: Queimador com fundo em ângulo
Apesar de todas as modificações apresentadas, foi observada uma demora no acendimento
do queimador devido à dificuldade do combustível atingir o canal de acendimento, portanto,
optou-se por usinar o fundo do queimador, transformando-o em um plano inclinado, fazendo com
44
que o combustível injetado se acumulasse próximo aos furos de escoamento para o canal de
acendimento, formando uma camada de combustível capaz de quebrar a tensão superficial
propiciada pela pequena dimensão do orifício, alcançando o canal de acendimento em menos
tempo (Figura 21).
4.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do
queimador
O terceiro protótipo (Figura 20) foi testado utilizando diferentes configurações de tubos de
alimentação, a fim de obter uma resposta mais rápida, quando acionado o registro, assim como
uma queima mais estável e de melhor qualidade.
Para a escolha da configuração e comprimento dos tubos de alimentação do queimador,
foram realizados testes nos quais os tubos poderiam estar na configuração (a) tubo ¼” –
capilar, ou (b) tubo ¼” – capilar – tubo ¼”. Os dois tipos de configuração foram montados
dessa forma, pois foi observado que se não houvesse uma parte do tubo com um
estrangulamento, ou seja, a inserção do tubo capilar, não seria obtida a perda de carga
necessária para garantir a quantidade de combustível compatível com o queimador a ser
inserida. Em ambos os casos, o tubo de ¼” estava ligado à saída da válvula reguladora.
Na configuração (a) variou-se o comprimento do tubo capilar de 8cm a 12cm. Na
configuração (b) manteve-se o capilar com comprimento constante de 10cm e variou-se o
comprimento do tubo de ¼” mais próximo ao queimador entre 3cm e 6cm.
Para cada configuração mediu-se os tempos necessários para:
que a chama fosse autossustentável, ou seja, não necessitasse mais da chama piloto
para se manter acesa;
o acendimento efetivo do queimador (ignição completa), caracterizado pelo
acendimento do gás de etanol através dos furos de difusão da tampa e a extinção da
chama no canal de acendimento;
manter o queimador em funcionamento na vazão máxima por três minutos e em
seguida posicionar o registro na vazão mínima;
estabilizar a chama na vazão mínima (tempo de resposta);
manter o queimador em funcionamento na vazão mínima por dois minutos e em
45
seguida posicionar o registro na vazão máxima;
estabilização da chama na vazão máxima (tempo de resposta);
manter o queimador em funcionamento na vazão máxima por mais dois minutos e
em seguida girar o registro para a posição fechada;
extinção completa da chama.
Entre cada ensaio realizado o queimador foi resfriado à temperatura ambiente, a fim de
manter as mesmas condições iniciais.
Durante os ensaios observou-se a qualidade da chama produzida no queimador, assim
como sua estabilidade e comportamento na vazão mínima. Para descrever essas
características, foram utilizados conceitos de um a cinco, significando respectivamente:
péssimo, ruim, regular, bom e ótimo. Foram anotadas ainda, as possíveis anormalidades no
funcionamento do queimador.
4.2.2 Ensaios com o queimador com fundo em ângulo e medida de temperatura
Figura 22: Posição das medidas de temperatura para ensaio.
Com o queimador com fundo em ângulo seguiu-se o mesmo procedimento dos ensaios para
escolha da configuração do tubo de alimentação, com a diferença de que o queimador não foi
resfriado à temperatura ambiente, mas a uma temperatura acima da inicial da medida
imediatamente anterior. A temperatura foi medida em três pontos distintos do queimador, sendo
eles: topo (tampa), centro (lateral) e base (canal de acendimento) (Figura 22), antes do início do
46
procedimento.
4.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial para o queimador com fundo
em ângulo
A partir das medições citadas no item 4.2.1.,foram escolhidas as melhores configurações de
tubo de alimentação, com as quais, foram realizadas medidas de tempo de acendimento, para
diversas temperaturas, a fim de verificar o comportamento do queimador em diferentes
temperaturas.
Para tanto, foi realizada a medida da temperatura inicial do queimador em três pontos do
queimador (Figura 22), utilizando-se um pirômetro óptico. Após essa medida, iniciou-se o
acendimento do queimador e foram marcados os tempos respectivos para haver chama
sustentável e ignição completa.
Após o acendimento efetivo do queimador, o registro de combustível foi fechado e o
queimador foi resfriado a uma temperatura superior à medida inicial no teste imediatamente
anterior. Dessa forma, montou-se uma curva de tempos por temperaturas iniciais.
4.2.4 Ensaios de potência segundo a norma
Para o ensaio de potência do queimador, segundo a norma, será necessário fazer uso de
um recipiente metálico, sem cabo, que comporte dois litros de água e possua diâmetro da base de
220mm.
O recipiente deve ser preenchido com dois litros de água e colocado sobre o queimador.
O etanol colocado no reservatório deve ter quantidade suficiente para não entrar ar no sistema,
enquanto estiver sendo realizada a medida. Posicionando o reservatório sobre uma balança com
precisão de 0,01g, de forma que nenhuma parte do reservatório ou da mangueira esteja presa,
evitando que haja erro na medida, o queimador deve ser acesso e funcionar por dez minutos antes
de ser iniciada a medida. Após esse período será medida a massa de combustível a cada minuto,
por dez minutos.
4.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma
Os ensaios de rendimento segundo a norma (NBR-13723-2, 1999) foram realizados
47
utilizando dois recipientes de alumínio, com base plana, paredes polidas e sem cabo, ambos com
220mm de diâmetro interno e contendo 3,7kg, cujas dimensões e quantidade de água colocada no
interior do segundo recipiente estão de acordo com o valor especificado na norma para a potência
nominal dos queimadores ensaiados.
O ensaio foi dividido em duas etapas. Na primeira parte, o recipiente foi colocado sobre a
chama e mantido nessas condições por dez minutos, tempo no qual se iniciou a segunda parte do
teste, que consistiu em colocar sobre a chama o recipiente que ainda não havia sido utilizado,
para o qual foi realizada a medida da temperatura e do tempo necessário para o aumento da
temperatura da água.
A água no interior do recipiente estava à temperatura de 20°C ± 1°C no início da medida e
atingiu 90°C ± 1°C no momento em que o registro foi colocado na posição desligado. Após a
extinção da chama foi medido a temperatura máxima atingida pela água.
Para a medição da temperatura da água foi utilizado um termômetro de mercúrio com
precisão de 0,1°C, preso à tampa da panela por uma rolha, de forma a ficar em contato com o
centro da massa de água.
O rendimento do queimador é dado pela fração de calor cedido pelo queimador que
efetivamente é utilizada para aquecer a água. Dessa forma:
tPot
TTcm
N
p
)( 12
Os ensaios foram realizados seis vezes para cada queimador analisado, o alimentado por
tubo capilar e o alimentado por tubo de 1,4”.
4.4. Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool
Nessa parte do projeto foram estudados quatro diferentes tipos de fogareiros comerciais
alimentados a álcool, a fim de entender seu funcionamento e medir a potência gerada por tais
equipamentos, assim como buscar novas ideias para o projeto do fogão.
Os fogareiros A, B e C (Figura 24 a Figura 26), possuem um reservatório interno para o
qual o combustível escoa ao ser colocado no furo central, e que pode ser observado na Figura 23.
48
Figura 23: Fogareiro em corte
A quantidade de combustível a ser colocada no fogareiro deve ser tal que preencha todo o
reservatório interno e sobrando um filme de álcool no furo central, portanto, para os fogareiros A
e B foram utilizados 50mL de combustível, enquanto que para o fogareiro C foram necessários
80mL do combustível para satisfazer a condição de acendimento.
Para o acendimento do combustível foi utilizada uma chama piloto, que ao entrar em
contato com o combustível no fundo do furo central, gera uma chama na superfície do
combustível, aquecendo o fogareiro. Quando a temperatura de vaporização do álcool é atingida, a
chama no furo central se apaga ao mesmo tempo em que o gás de álcool que sai pelos furos de
difusão é inflamado, fazendo com que o fogareiro assuma uma queima parecida à observada em
um fogão doméstico convencional.
O fogareiro D possui uma estrutura diferente dos demais, com um espaço reservado à
colocação do combustível, o qual fica exposto ao ar, e uma entrada central de ar. Para os testes
com esse fogareiro foram utilizados 10mL de álcool, devido à sua pequena capacidade de
armazenamento. A chama, no caso desse fogareiro, ocupa toda a superfície do álcool durante o
processo de combustão, desde o acendimento até a extinção da chama por falta de combustível.
Primeiramente as medidas foram realizadas com a chama “aberta” ao ambiente, na qual
apenas o combustível foi inflamado e foi medido o tempo para a extinção da chama por falta de
combustível. Em seguida, as medidas foram repetidas, porém com a colocação de um recipiente
49
contendo água sobre o fogareiro. Nessa segunda parte do procedimento, mediu-se além do tempo
necessário para a extinção da chama, a temperatura da água do recipiente durante o processo de
consumo do combustível, de forma a ser calculada a quantidade de calor fornecida ao recipiente e
à água.
Nos fogareiros A, B e C, o combustível colocado foi suficiente para que a temperatura final
da água fosse superior a 100°C, de forma que foi necessária a medição da massa da água antes de
depois do aquecimento, além do tempo, desde o acendimento da chama até o início da fervura, e
desde o início da fervura até a extinção da chama.
Durante os testes iniciais, o fogareiro A se mostrou mais estável e apresentou queima mais
completa (chama azul) que os outros fogareiros testados. Portanto foi escolhido para seguir os
próximos passos no estudo do queimador alimentado continuamente.
O fogareiro A foi então modificado, ao ter inserido em sua base um tubo capilar. Tal tubo
foi ligado a um reservatório de combustível posicionado a uma altura superior ao fogareiro, de
forma que o combustível chegasse até o fogareiro pela ação da gravidade, através do tubo,
passando por uma válvula, que vetava ou permitia a passagem do combustível, em duas vazões
disponíveis (máxima e mínima), estudando dessa forma o comportamento do fogareiro quando
alimentado continuamente.
Figura 24: Fogareiro A
Figura 25: Fogareiro B
50
Apesar de o fogareiro A ter uma queima mais completa que os outros fogareiros testados, a
sua chama ainda mostrava sinais de queima incompleta, como pontas amarelas. Como foi
utilizada a válvula do fogão original cedido pela empresa, não pôde ser modificada a quantidade
de combustível a ser injetada no fogareiro, portanto, para resolver o problema de combustão
incompleta, aumentou-se a quantidade de ar disponível na queima. Para tanto, foi aberto um furo
no interior do fogareiro, onde inicialmente se colocava o combustível, e os furos que ligavam
esse local ao reservatório interno foram tampados. Porém essa modificação acarretou um novo
problema, pois com essa configuração o acendimento não pôde ser realizado como anteriormente,
havendo a necessidade de utilizar um pequeno reservatório externo, com quantidade de álcool
suficiente para aquecer o fogareiro, de forma a ser apagado, com o uso de um abafador, quando a
chama dos furos de difusão estivesse completamente acesa.
Outra modificação aplicada ao fogareiro A foi a inserção de um termopar em seu interior,
através de um furo na parede lateral (Figura 28), para que fosse realizada a medida de
temperatura do etanol injetado durante o processo caracterizado por aquecimento, acendimento,
extinção da chama por corte de combustível e esfriamento, em função do tempo.
Figura 26: Fogareiro C
Figura 27: Fogareiro D
51
Figura 29: Montagem do teste com termopar Figura 28: Detalhe fogareiro alimentado
continuamente
52
53
5 Resultados e Discussões
5.1 Linha de Estudo – Injeção por Pressurização
Nos testes visuais realizados (Figura 30 e Figura 31), observou-se que o jato de etanol na
saída do injetor convencional, apesar da pressão utilizada no botijão, não forma um leque, de
maneira que a vaporização do etanol devido à despressurização rápida, descrita pelo fenômeno
Joule- Thompson não ocorre de forma efetiva.
Figura 30: Teste visual injeção com injetor
convencional
Figura 31: Teste visual injeção com injetor
mecânico
Na Figura 30 observa-se que o jato alcança uma altura considerável ao sair sob pressão do
injetor convencional. No caso do teste com o queimador acoplado o jato tocava a tampa do
queimador com alta velocidade, de forma que foi observado um problema de vazamento do
combustível através do duto central.
Na Figura 31 referente ao teste realizado com o injetor mecânico, observa-se a formação de
um leque de combustível na saída do injetor, com vaporização do etanol. Porém a abertura do
jato mostrou-se maior do que o diâmetro interno do duto central, de forma que o combustível
54
injetado tocava as paredes do duto, ocasionando vazamento.
5.2 Linha de Estudo – Injeção Eletrônica
Os injetores eletrônicos, utilizados em motores de combustão interna, foram avaliados ao
serem sujeitos à aplicação de tensões de 12V (Figura 32) e de 24V (Figura 33). Durante tal
avaliação, mediu-se a vazão em função do tamanho de pulso, o qual foi ajustado para cada
medição.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,00 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Va
zoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 32: Injetor A com ddp aplicada de 12 V
Na Figura 32 o injetor está sujeito a uma tensão de 12 V e observa-se que o injetor começa
a liberar combustível com uma vazão baixa (próximo a zero mL/s), ao ser utilizado um tamanho
de pulso em torno de 1ms e cresce de forma linear, ou seja, conforme o tamanho do pulso
aumenta, a vazão aumenta na mesma proporção.
Quando sujeito a uma tensão de 24 V, como pode ser observado na Figura 33, o tamanho
55
de pulso para o início da liberação de combustível foi maior do que 1,5ms e a vazão inicial foi
superior àquela obtida quando aplicada uma tensão de 12 V.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
V
azoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 33: Injetor A com ddp aplicada de 24 V
Quando aplicada uma tensão de 24 V, a vazão de combustível e o tamanho do pulso são
linearmente relacionados, porém a vazão aumenta ligeiramente mais rapidamente com o tamanho
do pulso nesse caso, do que quando aplicados 12 V. Essa conclusão pode ser verificada pelas
curvas de ajuste obtidas em cada uma das situações, mais precisamente pelos coeficientes
angulares das mesmas.
Portanto, ao comparar os resultados obtidos para ambas as tensões aplicadas, em um
mesmo gráfico (Figura 34), pode ser observada essa distinção nas vazões iniciais determinadas
pelo tamanho de pulso gerado, de forma a verificar que quanto maior a tensão aplicada, maior
será vazão de etanol injetado e o início da injeção ocorrerá apenas com um tamanho do pulso
maior.
56
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
ddp aplicada 12V
ddp aplicada 24V
Va
zoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 34: Injetor A (comparativo)
O mesmo procedimento foi utilizado para um segundo injetor (Injetor B), aplicando-se
tensões de 12 V e 24 V.
As curvas obtidas para ambas as situações são bastante similares, nos dois casos a vazão do
combustível foi iniciada para a mesma medida de tamanho de pulso. As curvas de ajuste nos dois
casos mostram inclinações de reta semelhantes, de forma que a vazão de combustível aumenta
nos dois casos igualmente, em relação ao tamanho de pulso gerado.
Ao observar a figura 37 pode-se verificar que a vazão quando foi aplicada uma tensão de 24
V foi ligeiramente maior do que a obtida ao aplicar a tensão menor.
Como essa variação de vazão é muito pequena quando comparadas as medidas obtidas,
pode-se dizer que o Injetor B trabalha nas mesmas condições, independentemente da tensão
aplicada.
Não é possível afirmar que o mesmo ocorra para o caso de tensões maiores, pois esse
aspecto não foi investigado, além de não fazer parte do escopo desse projeto.
57
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,00 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Va
zoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 35: Injetor B com ddp aplicada de 12V
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,00 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Va
zoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 36: Injetor B com ddp aplicada de 24V
58
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,00 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
ddp aplicada 12V
ddp aplicada 24V
Va
zoم
(m
L/s
)
Tamanho do Pulso (ms)
Figura 37: Injetor B (comparativo)
Apesar dos resultados obtidos serem favoráveis ao projeto, os injetores de motor a
combustão não foram utilizados nos demais testes para construção do queimador, devido ao
pedido dos patrocinadores do projeto para que o mesmo fosse um fogão com investimento de
baixo custo.
5.3 Linha de Estudo - Injeção por Gravidade e Vaporização por Filme de Líquido
Nos primeiros testes, realizados utilizando-se o princípio de injeção por gravidade, houve
muita dificuldade de acendimento devido à grande quantidade de material nos queimadores. O
acendimento do queimador só foi conseguido após ter sua tampa removida e ao se utilizar uma
chama piloto. Depois de aceso, ao recolocar a tampa do queimador no lugar, o fogo se extinguiu
devido à perda de calor. O processo de acendimento mostrou-se lento e, muitas vezes,
improdutivo. Ao consegui-lo definitivamente, uma grande quantidade de etanol acumulada no
interior do queimador podia ser observada, de forma que a extinção da chama chegava a demorar
59
até cinco minutos após o corte da alimentação.
Visando facilitar o acendimento, optou-se por usinar sulcos nas paredes laterais internas do
queimador, na tentativa de que o etanol subisse pelos sulcos, através do princípio da capilaridade,
chegando aos furos de difusão, e entrando em contato direto com a chama piloto. Porém, o
procedimento mostrou-se insuficiente, pois a área de contado entre o combustível e a chama
piloto era muito pequena em relação à perda de calor do queimador para o ambiente, observando-
se, assim, o não acendimento do equipamento.
Figura 38: Queimador por filme de líquido sem duto central
A próxima configuração de queimador testada, na qual o duto central foi tampado,
formando um reservatório de combustível no interior do queimador, obteve mais sucesso no
quesito acendimento. Porém, ao cortar a entrada de ar primário, a chama observada nos testes era
proveniente de uma queima incompleta, e, portanto, foi observada ponta amarelada e liberação de
fuligem. (Figura 38)
A Figura 39 mostra o queimador com canal de acendimento em funcionamento. Pode-se
observar que a chama obtida é azul e relativamente baixa, como em um fogão convencional a
gás.
O queimador com canal de acendimento mostrou-se o modo mais prático de se acender um
fogão com utilização de etanol líquido. O acendimento demora em torno de um minuto com o
queimador em temperatura ambiente, e é praticamente instantâneo quando o queimador já está
60
aquecido. Não há derramamento de combustível, pois há um reservatório de tamanho suficiente
no interior do queimador, e quando o etanol atinge o volume máximo do canal de acendimento,
sua chama é facilmente acesa. Quando foi observado grande acúmulo de combustível no canal de
acendimento, a chama tornou-se alta, por alguns instantes, no momento em que o etanol atingiu
sua temperatura de vaporização e voltou a ser uma chama como a observada nos fogões a gás,
quando a chama dos furos difusores se acendeu.
Figura 39: Queimador com canal de acendimento em funcionamento
5.2.1 Ensaios para escolha da configuração e comprimento de tubo de alimentação do
queimador
Para a escolha da configuração dos tubos de alimentação a serem utilizados nas próximas
fases do estudo do queimador, foram realizados testes com diversos comprimentos, para as duas
configurações possíveis (alimentação com tubo de ¼” ou com tubo capilar). A partir da média
dos cinco ensaios realizados com cada uma dessas configurações e seguindo os passos descritos
em 4.2.1, foi organizada a Tabela 4, que contém os valores de tempo corrido, em minutos, desde
o acionamento do registro até a extinção completa da chama. Os melhores resultados obtidos
estão em destaque na tabela, sendo que a comparação foi feita com tubos de diferentes
comprimentos, porém com a mesma configuração.
61
Tabela 4: Tempo médio para as configurações de tubos
TUBO DE ¼” TUBO CAPILAR 0,031"
DADOS CRONOMETRADOS 3CM 4CM 5CM 6CM 8CM 9CM 10CM 11CM 12CM
Abertura do registro (1) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Chama sustentável (2) 0,70 2,07 2,70 2,89 0,95 1,48 1,36 2,04 0,86
Ignição completa (3) 3,40 3,72 4,46 4,34 2,65 4,37 2,97 3,86 2,71
Registro na Qmin (4) 6,40 6,69 7,47 7,14 5,65 7,37 5,97 6,86 5,71
Estabilidade na Qmin (5) 7,11 7,12 7,78 7,38 6,01 7,74 6,03 6,88 5,75
Registro na Qmax (6) 9,11 9,12 9,78 9,39 8,01 9,73 8,03 8,88 7,75
Estabilidade na Qmax (7) 9,24 9,22 9,98 9,60 8,22 9,82 8,10 9,37 8,20
Fechamento registro (8) 11,24 11,22 11,98 11,60 10,22 11,82 10,10 11,37 10,20
Fim da chama (9) 11,61 11,53 12,40 11,92 10,25 11,83 10,13 11,38 10,24
Tempo Total 11,61 11,53 12,40 11,92 10,25 11,83 10,13 11,38 10,24
A comparação entre os dados pode ser visualizada nas Figura 40 e Figura 41, que trazem os
resultados para a configuração (a) e (b) respectivamente.
62
Figura 40: Alimentação tubo de configuração (a)
63
Figura 41: Alimentação por tubo de configuração (b)
64
Observando as Figura 40 e Figura 41, nota-se que os tubos para os quais o desempenho
geral foi melhor têm a configuração (b), com exceção do tubo de configuração (a) de 3 cm que
teve um acendimento mais rápido, comparado aos resultados obtidos com os tubos de
configuração (b).
A Tabela 5 traz os conceitos médios obtidos através da observação da qualidade chama em
cada ensaio realizado com cada comprimento de tudo, para ambas as configurações. Ao analisar a
estabilidade da chama foi observado se não houve descolamento ou retorno de chama, assim
como a extinção da chama, mesmo com o abastecimento de combustível, ou a pulsação da
chama. No quesito características da chama observou-se se a chama estava azul ou com ponta
amarela. Para o estudo do comportamento na vazão mínima observou-se a estabilidade e as
características da chama especificamente quando o registro estava posicionado na vazão mínima.
Tabela 5: Conceitos médios para dados qualitativos do funcionamento dos tubos
TUBO DE ¼” TUBO CAPILAR 0,031”
DADOS QUALITATIVOS 3CM 4CM 5CM 6CM 8CM 9CM 10CM 11CM 12CM
Estabilidade da chama 3,8 4,4 3,8 4 3,6 5 4,0 3,5 3,0
Características da chama 2,6 3 3,4 4 3,4 3,2 3,8 3,0 2,2
Comportamt. da chama na Qmin 3,2 3,2 3,6 1,4 1,6 1 1,6 1,0 2,2
Em média, a chama nos queimadores alimentados diretamente pelos tubos de ¼”
apresentou-se mais estável e comportou-se melhor quando a válvula estava posicionada na vazão
mínima.
Tabela 6: Tempo de resposta dos tubos
Tempo de resposta do queimador (min)
TUBO DE 1/4" TUBO CAPILAR 0,031"
DADOS CRONOMETRADOS 3CM 4CM 5CM 6CM 8CM 9CM 10CM 11CM 12CM
Chama sustentável 0,70 2,07 2,70 2,89 0,95 1,48 1,36 2,04 0,86
Ignição completa 2,70 1,65 1,76 1,46 1,69 2,89 1,61 1,82 1,85
Estabilidade na Qmin 0,71 0,43 0,31 0,24 0,36 0,37 0,06 0,02 0,04
Estabilidade na Qmax 0,12 0,10 0,20 0,20 0,21 0,09 0,07 0,48 0,45
Fim da chama 0,38 0,31 0,42 0,32 0,03 0,01 0,03 0,02 0,04
Para obter os dados da Tabela 6, fez-se a diferença entre duas medidas de tempo adjacentes
e foram excluídas as medidas de tempo pré-determinadas (três minutos na vazão máxima, dois
minutos na vazão mínima e mais dois minutos na vazão máxima), obtendo, dessa forma, o tempo
65
de resposta para cada tubo, em cada etapa do ensaio. Os melhores desempenhos apresentados
pelos tubos estão em destaque na tabela.
As Figura 42 e Figura 43 expressam os tempos de resposta dos tubos analisados,
separando-os conforme a configuração utilizada.
Cha
ma
Suste
ntav
el
Ignica
o Com
plet
a
Estab
ilida
de n
a Qm
in
Estab
ilida
de n
a Qm
ax
Extinca
o da
Cha
ma
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tem
po (
min
)
Evento
3cm
4cm
5cm
6cm
Figura 42: Tempo de resposta - tubos de ¼”
A Figura 42 mostra que a chama se tornou autossustentável mais rapidamente quando o
queimador foi alimentado com o tubo de 3 cm de comprimento, porém, para essa mesma
configuração o tempo necessário para que ocorresse a ignição completa foi de aproximadamente
três minutos, enquanto para as outras configurações se manteve menor do que dois minutos. O
tubo de 3 cm de comprimento demorou ligeiramente menos de 30 s a mais que as outras
configurações para estabilizar na vazão mínima e o tempo para estabilizar novamente na vazão
máxima e para extinguir a chama após o desligamento da válvula de vazão foi comparável às
66
demais configurações de tubo de ¼”.
Para a configuração com alimentação do queimador por tubo capilar (Figura 43), o que
obteve menor tempo de acendimento autossustentável foi o tubo de comprimento 12 cm. Quanto
ao tempo de ignição completa, esse foi comparável às demais configurações (menor que dois
minutos), com exceção do tubo de 9 cm que obteve tempo de resposta em torno de três minutos.
A estabilidade da chama após o posicionamento da válvula para na posição “mínimo”
ocorreu rapidamente para as configurações de tubo a partir de 10 cm e a estabilidade da chama
quando posicionada a válvula novamente no “máximo” ocorreu em um tempo maior para as
configurações de tubo acima de 11 cm. Exceto a configuração de 6 cm, a extinção da chama
ocorreu praticamente imediatamente ao posicionamento da válvula na posição “desligado”.
Cha
ma
Suste
ntav
el
Ignica
o Com
plet
a
Estab
ilida
de n
a Qm
in
Estab
ilida
de n
a Qm
ax
Extinca
o da
Cha
ma
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tem
po (
min
)
Evento
6cm
8cm
9cm
10cm
11cm
12cm
Figura 43: Tempo de resposta - tubos capilares
Em geral, os queimadores alimentados diretamente por tubo capilar responderam mais
rapidamente às mudanças no registro, porém, em alguns casos, após permanecer dois minutos
com o registro na posição de vazão mínima, a chama não voltou a atingir o estado de vazão
67
máxima. Em contrapartida, os alimentados diretamente pelo tubo de ¼” apresentaram pequena
diferença entre as vazões máxima e mínima.
Os tubos escolhidos para alimentar o queimador foram aqueles que apresentaram menor
tempo de ignição (chama sustentável), ou seja, o tubo na configuração ¼” – capilar – ¼”, com
medida de 3 cm e o tubo com a configuração ¼” – capilar com comprimento de 12 cm.
5.2.2 Ensaios com o queimador com fundo em ângulo e medida de temperatura
As medidas realizadas com o queimador alimentado pelo tubo ¼” e comprimento 3 cm
estão dispostas na Tabela 7 e levam em consideração o tempo total (desde o início do
acendimento, até a extinção da chama). As medidas apresentadas na tabela são as médias obtidas
a partir de três medidas consecutivas para cada queimador. As indicações “topo”, “centro” e
“base”, se referem à temperatura medida antes do início do acendimento do queimador.
Tabela 7: Ensaio de comportamento de queimador alimentado por tubo de ¼”
Topo (°C) 37,7 44,8 50,5 61,9 70,4
Centro (°C) 31,8 38,7 43,8 47,7 56,0
Base (°C) 28,0 31,3 36,4 38,3 41,8
Chama Sustentável 0,66 0,37 0,21 0,04 0,01
Ignição Completa 1,66 1,37 1,04 0,65 0,11
Registro em Qmin 4,66 4,37 4,04 3,65 3,11
Estabilização em Qmin 4,81 4,53 4,13 3,76 3,21
Registro em Qmáx 6,81 6,53 6,13 5,76 5,21
Estabilização em Qmáx 6,92 6,65 6,27 5,82 5,31
Fechamento do registro 8,92 8,65 8,27 7,82 7,31
Extinção da chama 9,17 9,01 8,64 8,19 7,62
Tabela 8: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo de ¼”
Topo (°C) 37,7 44,8 50,5 61,9 70,4
Centro (°C) 31,8 38,7 43,8 47,7 56,0
Base (°C) 28,0 31,3 36,4 38,3 41,8
Chama Sustentável 0,66 0,37 0,21 0,04 0,01
Ignição Completa 1,00 1,01 0,83 0,61 0,10
Estabilização em Qmin 0,16 0,16 0,09 0,11 0,10
Estabilização em Qmáx 0,11 0,12 0,13 0,06 0,11
Extinção da chama 0,24 0,36 0,37 0,38 0,31
68
Para uma análise mais detalhada do comportamento do queimador, é mais interessante
estudar o tempo de resposta deste, quando submetido a alguma mudança durante o processo,
portanto, foram organizados os dados de forma a verificar esse comportamento (Tabela 8)
chamsus igcomp estQmin estQmax fimchama
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
tem
po
(m
in)
evento
37,7°C
44,8°C
50,5°C
61,9°C
70,4°C
Figura 44: Tempo de resposta (min) do queimador ¼” em relação à temperatura inicial, onde chamsus é a
chama autossustentável, igcomp é a ignição completa, estQmin é a estabilização na vazão mínima, estQmax é
a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da chama após o fechamento do registro.
As medidas de temperatura mostradas na Figura 44 são relativas ao topo do queimador, e
pode-se notar que ao aumentar a temperatura em cerca de 10 °C, o tempo de resposta do
queimador nas fases observadas de chama autossustentável e ignição completa diminui
consideravelmente, para as demais fases o tempo de resposta do queimador se mantém coerente
para todas as temperaturas iniciais, pois quando o teste atinge essas fases, a temperatura do
queimador já está acima da temperatura de vaporização do etanol.
Na Figura 44 observa-se que o tempo de resposta do queimador, devido à mudança de
vazão foi razoavelmente rápido, porém, a chama gerada não se mostrou estável, principalmente
69
nos dois minutos seguintes à ignição completa do queimador. Além disso, não foi observada
grande mudança em relação ao tamanho da chama entre as vazões máxima e mínima. O tempo
despendido para obter uma chama autossustentável, ou seja, momento a partir do qual não era
mais necessário o uso de uma chama piloto, foi razoavelmente alto.
As medidas realizadas com o queimador alimentado por tubo capilar Tabela 9 levam em
consideração os tempos totais, desde o acendimento até a extinção da chama. Os valores
apresentados na tabela representam as médias referentes a três medidas consecutivas, realizadas
com o queimador para as diversas temperaturas de topo, centro e base, conforme indicado.
Tabela 9: Ensaio de comportamento do queimador alimentado por tubo capilar
Topo (ºC) 37,7 47,5 55,7 64,5 76,3
Centro (°C) 35,2 45,0 48,5 60,9 66,5
Base (°C) 31,2 38,4 40,1 45,1 48,1
Chama Sustentável 0,18 0,09 0,04 0,02 0,00
Ignição Completa 1,22 0,86 0,62 0,21 0,01
Registro na Qmin 4,22 3,86 3,62 3,21 3,01
Estabilidade na Qmin 4,68 4,16 3,83 3,59 3,41
Registro na Qmax 6,68 6,16 5,83 5,59 5,41
Estabilidade na Qmax 6,84 6,37 6,04 5,79 5,57
Fechamento do Registro 8,84 8,37 8,04 7,79 7,57
Extinção da Chama 9,51 9,09 8,66 8,28 8,13
O tempo de resposta apresentado pelo queimados alimentado por tubo capilar pode ser
observado na Tabela 10 e na Figura 45.
Tabela 10: Tempo de resposta do queimador alimentado por tubo capilar
Topo (ºC) 37,7 47,5 55,7 64,5 76,3
Centro (°C) 35,2 45,0 48,5 60,9 66,5
Base (°C) 31,2 38,4 40,1 45,1 48,1
Chama Sustentável 0,18 0,09 0,04 0,02 0,00
Ignição Completa 1,03 0,77 0,58 0,19 0,01
Estabilidade na Qmin 0,46 0,29 0,21 0,39 0,40
Estabilidade na Qmax 0,17 0,22 0,22 0,19 0,17
Extinção da Chama 0,66 0,72 0,61 0,49 0,56
A fase de chama autossustentável do queimador alimentado por capilar ocorre rapidamente,
mesmo quando a temperatura inicial é de 37,7 °C, porém nessa condição inicial o tempo para que
70
haja ignição completa chega próximo de um minuto.
chamsus igcomp estQmin estQmax fimchama
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
te
mp
o (
min
)
evento
37,7°C
47,5°C
55,7°C
64,5°C
76,3°C
Figura 45: Tempo de resposta (min) do queimador capilar em relação à temperatura inicial onde chamsus é a
chama autossustentável, igcomp é a ignição completa, estQmin é a estabilização na vazão mínima, estQmax é
a estabilização na vazão máxima e fimchama é a extinção da chama após o fechamento do registro.
O queimador alimentado pelo tubo capilar possui um tempo de resposta mais longo quanto
à mudança de vazão, porém o tempo de acendimento é consideravelmente menor, além de gerar
uma chama mais estável do que o queimador com tubo de ¼”. Para essa configuração de
queimador, foi observada uma diferença considerável entre a chama existente nas vazões máxima
e mínima.
71
5.2.3 Ensaios de acendimento com medida de temperatura inicial
Os resultados obtidos nos ensaios de acendimento realizado com o queimador alimentado
por tubo de ¼” estão dispostos na Tabela 11.
Tabela 11: Ensaio de acendimento tubo ¼”
Media Desvio Padrão
Temperatura (°C) tempo (min) tempo (min)
topo centro base chamasust. ign. Completa chamasust. ign. Completa
28,6 28,0 27,4 1,65 3,12 0,17 0,41
30,6 30,3 28,9 1,63 2,85 0,12 0,12
32,7 31,5 29,3 1,31 2,69 0,08 0,26
34,7 32,5 30,1 1,14 2,49 0,14 0,18
36,7 33,7 31,1 1,24 2,30 0,15 0,08
38,7 34,5 31,3 0,99 2,28 0,12 0,14
40,5 35,5 32,6 0,94 1,99 0,11 0,13
42,4 38,1 33,5 1,09 2,18 0,27 0,12
44,7 39,3 34,4 0,87 1,91 0,20 0,20
46,4 40,8 35,2 0,93 1,96 0,05 0,12
48,3 41,7 36,6 0,63 1,60 0,16 0,05
50,7 44,8 36,9 0,59 1,51 0,17 0,09
52,5 43,4 37,1 0,71 1,73 0,12 0,18
54,4 45,3 38,1 0,51 1,33 0,10 0,03
56,7 47,3 36,0 0,47 1,36 0,21 0,14
58,2 49,3 39,9 0,31 1,01 0,14 0,04
60,5 49,4 39,4 0,36 1,23 0,24 0,28
62,6 51,2 40,4 0,25 0,92 0,19 0,17
64,5 51,1 41,1 0,24 0,89 0,20 0,16
66,7 52,1 41,9 0,16 0,54 0,11 0,07
68,7 53,5 42,7 0,04 0,44 0,02 0,09
70,3 54,5 44,0 0,02 0,35 0,01 0,04
72,6 55,9 44,3 0,02 0,38 0,01 0,19
74,5 57,1 44,6 0,02 0,35 0,01 0,15
72
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
20
30
40
50
60
70
80
topo
centro
baseT
em
pe
ratu
ra (
°C)
tempo (min)
Figura 46: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (¼”)
Nas Figura 46 e Figura 47 são observados, respectivamente, os tempos necessários para que
haja chama sustentável e ignição completa no queimador alimentado por um tubo de ¼” para
uma determinada temperatura inicial. As temperaturas nos três pontos foram medidas
simultaneamente, de forma que é possível afirmar que as temperaturas na base e no centro
aumentam mais lentamente do que a temperatura no topo, isso se deve ao fato de que na base e
no centro há mais troca de calor com o combustível, pois esse entra no queimador em sua fase
líquida e o topo está mais em contato com a chama proveniente da reação de combustão.
Nota-se que conforme a temperatura aumenta o tempo necessário para chama sustentável
diminui, de forma que quando a base está a uma temperatura de cerca de 40 °C, o acendimento é
praticamente instantâneo. Nessa condição, o topo do queimador apresenta temperatura próxima
de 78 °C, ou seja, próxima à temperatura de vaporização do etanol. Quando o queimador está na
temperatura ambiente, o tempo de acendimento (chama sustentável) é em média ligeiramente
superior a um minuto e meio.
73
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
20
30
40
50
60
70
80
topo
centro
baseT
em
pe
ratu
ra (
°C)
tempo (min)
Figura 47: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (¼”)
Os tempos mostrados na Figura 47 não correspondem ao tempo de resposta do queimador,
e sim ao tempo total medido desde a abertura da válvula do combustível até o momento em que a
ignição se completa.
Os resultados obtidos nos ensaios de acendimento para o tubo capilar estão dispostos na
Tabela 12.
74
Tabela 12: Ensaio de acendimento tubo capilar
Média Desvio Padrão
Temperatura (°C) tempo (min) tempo (min)
topo centro base chama sustentável ignição completa chamasust. ignição completa
28,6 28,1 27,3 0,73 2,57 0,04 0,49
30,7 29,5 28,9 0,74 2,12 0,07 0,20
32,7 30,3 29,3 0,55 2,13 0,08 0,21
34,5 32,1 29,9 0,45 1,68 0,05 0,14
36,7 35,7 32,2 0,29 1,76 0,09 0,07
38,7 36,2 33,6 0,27 1,51 0,07 0,16
40,7 38,7 34,5 0,21 1,47 0,07 0,02
42,5 40,2 34,9 0,21 1,39 0,05 0,08
44,6 43,3 37,6 0,16 1,23 0,07 0,01
46,1 43,7 36,7 0,11 1,03 0,07 0,11
48,3 45,3 38,8 0,13 1,18 0,08 0,09
50,5 46,5 40,7 0,08 1,25 0,06 0,23
52,7 46,7 36,2 0,15 1,02 0,07 0,12
54,7 46,8 39,2 0,11 1,04 0,07 0,09
56,3 50,1 39,9 0,13 0,77 0,10 0,12
58,9 49,3 40,2 0,11 0,80 0,10 0,17
60,8 53,4 40,3 0,09 0,77 0,06 0,05
62,3 52,5 41,8 0,13 0,71 0,10 0,07
64,5 51,8 40,7 0,11 0,60 0,10 0,14
66,3 51,5 42,8 0,08 0,57 0,04 0,04
68,3 52,7 43,1 0,07 0,39 0,04 0,10
70,3 56,9 43,9 0,03 0,22 0,03 0,05
72,3 56,9 45,5 0,04 0,19 0,04 0,05
74,6 54,8 43,3 0,06 0,16 0,06 0,07
75
As Figura 48 e Figura 49 mostram os dados referentes às medidas de temperatura de topo,
centro e base no queimador e tempo necessário para que houvesse a chama sustentável e a
ignição completa do queimador, respectivamente. Em ambas as figuras observa-se que a
temperatura de topo é sempre maior do que a de centro, que por sua vez é maior do que a
temperatura na base, de forma que a temperatura que mais influencia na diminuição do tempo de
acendimento efetivo do queimador (tanto a chama sustentável quanto a ignição completa) é a
medida no topo. A temperatura de base mostra-se menor que as duas outras, pois é dessa região
que o etanol líquido absorve calor para passar para o estado gasoso, enquanto que a temperatura
de topo é a maior, pois essa região é a que recebe maior quantidade de calor devido à radiação.
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
20
30
40
50
60
70
80
topo
centro
base
Te
mp
era
tura
(°C
)
tempo (min)
Figura 48: Tempo para chama sustentável para temperaturas de topo, centro e base (capilar)
76
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
20
30
40
50
60
70
80
topo
centro
base
Te
mp
era
tura
(°C
)
tempo (min)
Figura 49: Tempo para ignição completa para temperaturas de topo, centro e base (capilar)
5.2.4 Ensaios de potência segundo a norma
Para o cálculo da potência do queimador foram realizadas três medidas com quantidades
iniciais de combustível no reservatório com valores próximos. Como o queimador precisava ser
mantido aceso por dez minutos antes do início da medida, não foi possível garantir o mesmo
estado inicial para as três medidas, mesmo colocando a mesma quantidade de combustível antes
de acender a chama.
Abaixo, a Tabela 13 descreve os dados obtidos nas medidas e a média desses valores.
77
Tabela 13: Medidas de massa de combustível (tubo capilar)
t (min) mI (g) mII (g) mIII (g) Média (g)
10 171,30 164,23 164,20 166,58
11 169,10 161,69 161,80 164,2
12 167,09 159,35 159,45 161,96
13 164,87 156,89 157,17 159,64
14 162,73 154,40 154,73 157,29
15 160,69 152,00 152,43 155,04
16 158,43 149,65 150,06 152,71
17 156,37 147,27 147,72 150,45
18 154,20 144,85 145,40 148,15
19 152,14 142,40 143,09 145,88
20 150,00 140,07 140,75 143,61
A Figura 50 mostra as três medidas realizadas, assim como a média dessas em função do
tempo, e ainda o ajuste linear para a média.
78
8 10 12 14 16 18 20 22
140
144
148
152
156
160
164
168
172
Medida I (g)
Medida II (g)
Medida III (g)
Média
Curva de ajuste da Média
Ma
ssa
me
did
a(g
)
t (min)
Equaçao y = a + b*x
R² 0,99998
Valor Desvio Padrao
A Intercepto 189,48106 0,05094
A Inclinaçao -2,29567 0,00332
Figura 50: Massa de combustível medida por tempo (tubo capilar)
O coeficiente angular da curva corresponde à vazão mássica de combustível utilizada no
funcionamento do queimador, portanto, a vazão mássica ( m ) do queimador estudado é de
2,29g/min.
Utilizando-se a vazão mássica e sabendo que a potência nominal do queimador é dada por
PCSmPotN , foi possível calcular a potência nominal do queimador.
)/(25)/)(601000/(29,2)/(25min)/(29,2 kgMJskgkgMJgPotN
sMJkgMJskgPotN /1054,9)/(25)/(1081,3 45
kWskJPotN 954,0/1054,9 1
Portanto, a potência do queimador é de 954 W, colocando-o na categoria de queimador
79
auxiliar.
Para o queimador alimentado por um tubo de ¼” foi realizado o mesmo procedimento. A
Tabela 14 mostra os dados coletados:
Tabela 14: Medidas de massa de combustível (tubo 1/4" )
t (min) mI (g) mII (g) mIII (g) Média (g)
10 166,00 164,30 164,01 164,77
11 163,24 161,42 161,19 161,95
12 160,46 158,53 158,37 159,12
13 157,62 155,76 155,69 156,36
14 154,90 152,93 152,86 153,56
15 152,13 150,20 150,15 150,83
16 149,33 147,43 147,42 148,06
17 146,54 144,68 144,69 145,30
18 143,70 141,92 141,98 142,53
19 139,36 139,20 139,29 139,28
20 136,67 136,47 136,60 136,58
Os resultados obtidos das medidas de massa de combustível para o tubo de ¼” podem ser
observados na Figura 51:
Da mesma maneira feita anteriormente, foi calculada a vazão mássica do queimador
alimentado por um tubo de ¼”. O coeficiente angular da média das medidas é 2,81, assim, a
vazão mássica é dada por:
)/(25)/)(601000/(81,2)/(25min)/(81,2 kgMJskgkgMJgPotN
sMJsMJskgPotN /10171,1)/(25)/(1068,4 35
kWPotN .171,1
A potência do queimador alimentado por um tubo de ¼” é de 1,17 kW, colocando-o na
categoria de queimador semirrápido.
80
8 10 12 14 16 18 20 22
136
140
144
148
152
156
160
164
168
172
Medida I (g)
Medida II (g)
Medida III (g)
Média (g)
Curva de ajuste da Média
Ma
ssa d
e c
om
bu
stive
l (g
)
t (min)
Equaçao y = a + b*x
R² 0,99979
Valor Desvio Padrao
média(g)Intercepto 192,89106 0,19917
Inclinaçao -2,80888 0,01299
Figura 51: Massa medida x tempo (tubo 1/4")
5.2.5 Ensaios de rendimento segundo a norma
Nos ensaios de rendimento foram realizadas seis medidas do tempo necessário para que a
temperatura da água no recipiente variasse de 20°C±1°C até 90°C±1°C com a chama acesa e
medindo a temperatura máxima atingida pela água após a extinção da chama. Os valores
encontrados estão distribuídos na Tabela 15, onde T1 é a temperatura inicial da água, T2 é a
temperatura da água no momento em que a chama foi extinta, Tmax é a temperatura máxima
atingida pela água, após a extinção da chama, t é o tempo medido e η é o rendimento calculado.
Para o queimador alimentado por tubo capilar, foram obtidas as seguintes medidas:
81
Tabela 15: Rendimento para queimador alimentado por tubo capilar
T1 (°C) T2 (°C) Tmax (°C) t (min) η
20,0 90,0 90,6 28,68 0,67
19,4 90,1 90,7 29,22 0,66
19,9 90,0 90,6 26,80 0,71
20,5 90,2 90,5 26,20 0,72
20,5 90,2 90,5 23,27 0,81
19,4 90,1 90,6 25,90 0,74
A eficiência média encontrada no queimador alimentado por um tubo capilar foi de 72%,
com um desvio padrão entre os valores encontrados de 0,06.
Para o queimador alimentado por tubo de ¼”, foram obtidas as seguintes medidas:
Tabela 16: Rendimento para queimador alimentado por tubo de 1/4"
T1 (°C) T2 (°C) Tmax (°C) t (min) η
21,0 90,2 90,5 23,45 0,65
20,5 90,5 90,8 21,73 0,71
20,6 89,9 90,2 23,12 0,66
21,0 90,5 90,8 21,77 0,71
21,0 90,0 90,2 21,15 0,72
20,2 90,1 90,5 21,93 0,71
A eficiência média calculada para o queimador alimentado por tubo de ¼” foi de 69%, com
desvio padrão de 0,03.
5.4 Linha de Estudo – Estudo dos Fogareiros Comerciais a Álcool
Medidas de potência realizadas com os fogareiros A, B, C e D (Figura 24 a Figura 27), nos
quais foi colocada uma quantidade de combustível adequada ao tamanho e design do mesmo
(conforme descrito no item 4.1.2.), e medido o tempo da extinção da chama pelo consumo de
todo o combustível, resultaram os valores da Tabela 17.
Tabela 17: Teste de potência com chama "aberta"
Volume (L) Tempo (s) Potência (W) Fogareiro
0,05 1255,80 802,39 A
0,05 1055,57 955,38 B
0,08 1329,45 1247,12 C
0,01 351,39 573,50 D
82
Por chama “aberta” entende-se que o queimador foi utilizado sem que houvesse um
recipiente colocado sobre ele, como por exemplo, uma panela.
As medidas 1, 2 e 3 (Tabela 18) foram realizadas utilizando-se o fogareiro A, alimentado
continuamente por um tubo capilar conectado ao seu fundo, mantendo, ainda, a válvula
reguladora de vazão na posição “máximo”.
83
Tabela 18: Válvula de ajuste de vazão no máximo
MEDIDA 1 MEDIDA 2 MEDIDA 3
t (min) Tálc (°C) Obs. t (min) Tálc (°C) Obs. t (min) Tálc (°C) Obs.
0,00 55 0,00 35 0,00 36
0,20 56 0,17 36 0,15 37
0,30 62 0,40 52 0,40 43
0,38 67 0,82 66 0,50 61
0,47 70 acendeu 1,02 68 acendeu 0,60 68
0,63 72 1,48 76 0,77 69
1,00 74 1,63 77 0,93 69
1,23 78 1,77 78 1,13 73
1,63 79 2,00 79 1,78 72
2,50 79 2,52 76 2,33 74 acendeu
3,00 79 2,82 79 2,57 76
3,82 86 desligou 3,28 79 3,13 78
4,00 90 3,67 79 3,42 79
5,75 98 apagou 4,13 80 4,37 79
6,10 97 4,67 79 5,37 80
6,28 96 5,28 79 5,93 83
6,38 95 5,78 88 6,02 89
6,52 94 5,87 90 6,13 92
6,67 93 5,95 91 6,25 96
6,78 92 6,03 92 6,47 99
6,92 91 6,28 93 6,53 100
7,03 90 6,68 95 6,75 103
7,13 89 7,30 96 desligou 6,87 103 desligou
7,35 87 7,95 95 7,22 107
7,82 83 8,30 95 7,43 110
8,08 81 8,70 96 7,82 112
8,33 79 9,03 97 apagou 10,07 100 apagou
Nas Figura 52 a Figura 54, são mostradas essas medidas em forma de gráfico. As
observações “acendeu”, “desligou” e “apagou”, referem-se, respectivamente, ao momento em
que a chama nos furos do difusor se acende, ao momento em que a válvula reguladora de vazão é
colocada na posição “desligado” e ao momento em que a chama se extingue totalmente.
84
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
T (
°C)
t (min)
Figura 52: Medida 1 com válvula de vazão na posição "máximo"
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
T (
°C)
t (min)
Figura 53: Medida 2 com válvula de vazão na posição "máximo"
Como o queimador possuía um problema relacionado ao acendimento, foi necessário
85
posicionamento de um recipiente externo, contendo combustível, embaixo do mesmo, de forma
que a chama proveniente desse recipiente fornecesse a energia necessária para o acendimento
completo do queimador.
Com a utilização da chama piloto, o queimador levou em média, para as três medidas, um
minuto para acender completamente quando a temperatura interna do queimador se encontrava
próxima de 70 °C. Ao atingir 78 °C (temperatura de vaporização do álcool) a temperatura se
manteve constante no interior do queimador, formando-se um patamar nessa medida, enquanto
ainda havia filme de líquido no interior do queimador para ser vaporizado. Quando todo álcool
no interior do fogareiro se encontrou em seu estado gasoso, observa-se novamente um aumento
de temperatura, devido à troca de calor entre o queimador e o gás. Após o fechamento da válvula,
a chama ainda demorou um tempo pra se extinguir, momento, a partir do qual, a temperatura
começa a diminuir.
Apenas para a primeira medida foram coletados dados de temperatura após a extinção da
chama, para verificar o comportamento esperado para a mesma.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
T (
°C)
t (min)
Figura 54: Medida 3 com válvula de vazão na posição "máximo"
86
Tabela 19: Válvula de ajuste de vazão no mínimo
MEDIDA 1 MEDIDA 2 MEDIDA 3
t (min) Tálc (ºC) Obs. t (min) Tálc (ºC) Obs. t (min) Tálc (ºC) Obs.
0,00 51 0,00 50 0,00 38
0,17 52 0,17 51 0,17 39
0,33 54 0,33 55 0,33 41
0,50 72 0,50 60 0,50 61
0,67 69 0,83 66 0,67 69 acendeu
0,83 69 1,00 73 acendeu 0,83 71
1,00 72 acendeu 1,17 81 1,00 71
1,33 75 1,33 85 1,17 72
1,67 78 1,50 88 1,33 75
2,00 79 1,67 90 1,50 77
2,50 85 2,00 92 1,67 79
2,83 90 2,33 93 1,83 83
3,00 93 2,50 94 2,00 88
3,17 94 2,83 95 2,33 94
3,33 96 3,00 95 2,50 95
3,50 97 3,33 96 2,83 98
3,67 98 3,67 97 3,00 99
3,83 100 4,00 99 3,33 100
4,00 101 4,50 101 4,00 98
4,17 102 4,83 103 4,67 98
4,33 103 desligou 5,17 106 desligou 5,33 98 desligou
6,07 106 apagou 7,97 100 apagou 6,75 103 apagou
As medidas 1, 2 e 3 (Tabela 19) foram realizadas utilizando-se o fogareiro A, alimentado
continuamente por um tubo capilar conectado ao seu fundo, mantendo a válvula reguladora de
vazão na posição “mínimo”. As medidas realizadas com ajuste de vazão na posição mínimo
87
podem ser visualizadas em forma de gráfico nas Figura 55 a Figura 57.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
T
(°C
)
t (min)
Figura 55: Medida 1 com válvula de vazão na posição "mínimo"
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
T (
°C)
t (min)
Figura 56: Medida 2 com válvula de vazão na posição "mínimo"
88
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
T (
°C)
t (min)
Figura 57: Medida 3 com válvula de vazão na posição "mínimo"
Com a válvula reguladora posicionada na vazão mínima, o queimador acendeu
efetivamente em média em um minuto. Na medida 1, a temperatura não atingiu um patamar, ou
seja, houve sempre um crescimento da temperatura. Por ser menor a vazão (comparada ao teste
anterior, no qual a vazão utilizada foi máxima), não ocorreu o acúmulo excessivo de combustível
no interior do queimador, de forma que logo que a temperatura de vaporização foi atingida, todo
combustível passou para o estado gasoso, trocando calor com o queimador e aumentando sua
temperatura final.
Nas medidas 2 e 3, a temperatura aumenta mais rapidamente e observa-se uma espécie de
patamar próximo aos 100 °C.
Não foi medida a temperatura após o fechamento do registro para as medidas com vazão
mínima, porém pode-se afirmar que o comportamento da temperatura da chama após o
fechamento do registro é similar à dos ensaios anteriores, com vazão máxima, ou seja, a
temperatura diminui ao extinguir a chama.
89
6 Conclusões e Sugestões
Com base nos experimentos e nas análises realizadas nesse trabalho, pode-se concluir que o
desenvolvimento de um fogão a etanol foi realizado com êxito.
O fogão funcionou com alimentação contínua de etanol líquido a uma vazão mássica de
8,31x10-5
kg/s. Uma das principais etapas do trabalho foi o desenvolvimento de um queimador
que se adequasse aos pré-requisitos acordados com os engenheiros da MABE, que patrocinou o
mesmo. Diferentemente dos queimadores convencionais a gás, o desenvolvido nesse projeto não
é um queimador de pré-mistura, pois o ar entra em contato com o combustível, já na fase gasosa,
apenas nos furos de difusão. Apesar disso, a chama obtida na queima do etanol é azul indicando
uma queima completa.
Uma vantagem da tecnologia desenvolvida é o fato ser o queimador alimentado por etanol
líquido que é vaporizado ao contato com o mesmo, ou seja, não há a possibilidade de escape de
gás para o ambiente. Esse fato pode ser considerado um item de segurança quando comparado
aos fogões a gás, uma vez que a chama pode se apagar por algum motivo e o fluxo de gás
continuar através do queimador.
Uma das dificuldades encontradas nesse trabalho foi a demora no acendimento do
queimador. Uma solução utilizada foi o desenvolvimento de um queimador com fundo em ângulo
e com canal de aquecimento, proporcionando o escoamento do etanol para uma região mais
externa do queimador.
Os queimadores projetados se mostraram bastante eficientes, com potências de 0,954 kW e
1,171 kW e eficiências de 72% e 69% para os queimadores alimentados por tubo capilar e por
tubo de ¼”, respectivamente.
Como trabalho futuro, pode ser sugerido o estudo da variação da vazão em cada estágio de
aquecimento do queimador com o objetivo de verificar se o estágio de aquecimento apresenta
vazão de combustível diferente daquela medida em regime permanente. Outras alternativas para
melhoria na rapidez do acendimento devem ser testadas.
90
91
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