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INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ
GUILHERME DE REIS MELO
JHENIFFER CHINASSO DE LARA FARIA
LEONARDO SIRINO
ANÁLISE DE VIABILIDADE DE AQUECIMENTO DE PISCINA VIA QUEIMA DE
BIOGÁS PROVENIENTE PRINCIPALMENTE DE MATÉRIA VEGETAL
Curitiba
2012
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GUILHERME DE REIS MELO
JHENIFFER CHINASSO DE LARA FARIA
LEONARDO SIRINO
ANÁLISE DE VIABILIDADE DE AQUECIMENTO DE PISCINA VIA QUEIMA DE
BIOGÁS PROVENIENTE PRINCIPALMENTE DE MATÉRIA VEGETAL
Trabalho desenvolvido na bolsa CNPq
ofertada aos alunos do Instituto Federal do
Paraná – Campus Curitiba.
Curitiba
2012
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Alunos
Guilherme de Reis Melo
Cursando segundo ano do técnico em mecânica integrado do Instituto Federal do
Paraná.
Já participou da Fetec-MS e da jornada científica do Instituto Federal do Paraná com
o presente trabalho.
Jheniffer Chinasso de Lara Faria
Cursando terceiro ano do técnico em mecânica integrado do Instituto Federal do
Paraná.
Já participou da Fetec-MS e da jornada científica do Instituto Federal do Paraná com
o presente trabalho.
Leonardo Sirino
Cursando segundo ano do técnico em mecânica integrado do Instituto Federal do
Paraná.
Trabalha na empresa LACTEC – Instituto de Tecnologia para o desenvolvimento.
Já participou da Fetec-MS e da jornada científica do Instituto Federal do Paraná com
o presente trabalho.
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Orientadores
Prof.ª Danniella Rosa
Doutor Prof.º Ezequiel Burkarter
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Agradecimentos
Agradecemos, em primeiro lugar, a Deus.
Agradecemos a professora Danniella que sempre nos ajudou em qualquer dúvida e
sempre esteve presente no caminhar do nosso projeto, desde sua concepção até a situação
atual.
Agradecemos ao professor Marcos, que mesmo tendo pouco tempo por causa de seu
doutorado, está nos ajudando na parte do laboratório e de conceitos da física e da química.
Agradecemos a compreensão de todos nossos professores com as faltas que tivemos
que ter por causa do projeto e pela ajuda posterior que ofereceram.
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“Você não pode ensinar nada a um
homem; você pode apenas ajudá-lo a encontrar
a resposta dentro dele mesmo”
Galileu Galilei
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Resumo
A sociedade Thalia possui umas de suas sedes na região serrana próxima a Curitiba,
que durante a época do inverno chega a temperaturas que impossibilitam o banho de
piscina, o nosso objetivo é aquecer esta piscina aproveitando o que é produzido na própria
fazenda. Lá é produzida certa quantidade de dejetos animais, que são bem eficazes para a
produção do biogás, mas também é produzida uma quantidade de folhas muito superior,
porém elas são menos eficazes para a produção de biogás, só que a sua grande quantidade
compensa o seu baixo rendimento, por isso elas vão são ser nosso principal substrato da
composteira.
Para termos noção de qual quantidade de folhas será necessária para a produção da
quantidade suficiente de gás para aquecer a piscina e qual o rendimento desse gás, iremos
realizar alguns experimentos, descobrindo todas essas informações de forma empírica. Para
descobrir a quantidade de gás produzido por massa de folha basta medir a massa do
substrato depois a massa de gás liberado em sua composição. Para determinar seu calor
específico vamos utilizar a equação que relaciona quantidade de calor, energia interna e
trabalho em um gás, realizando o experimento em um local controlado aonde
monitoraremos o volume, pressão, temperatura e massa.
Depois de descobrirmos essas informações do gás, temos que pensar na instalação
do projeto: qual será o tamanho da composteira? Qual a alimentação diária necessária?
Como esse gás será transportado e queimado? Como a água será aquecida e transferida
para a piscina? Tudo isso vai depender dos dados do gás, pois será com eles que saberemos
a quantidade de gás que passará, a que temperatura ela chegará e depois a melhor forma de
aquecer a água.
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Sumário 1. Introdução ....................................................................................................................................... 9
2. Diário de bordo ............................................................................................................................. 10
3. Motivação ...................................................................................................................................... 12
4. Objetivos ....................................................................................................................................... 14
5. Métodos ........................................................................................................................................ 15
6. Experimentos ................................................................................................................................ 17
7. Próximos passos ............................................................................................................................ 19
8. Resumo geral ................................................................................................................................. 20
9. Futuros projetos ............................................................................................................................ 21
10. Referências ................................................................................................................................ 22
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1. Introdução
Aquecimento de piscina é uma coisa muito importante nos tempos atuais, pois não
serve apenas para o lazer, mas também estimula a prática de atividade física dentro d’água e
a temperatura ideal pode ser muito benéfica para o nosso corpo.
Todavia, alguns métodos de aquecimento são muito dispendiosos ou agridem muito
o meio ambiente, então tivemos que pensar em um método que satisfizesse os dois lados.
Para realizar nossos estudos e depois realizarmos a aplicação prática, escolhemos a
piscina da sociedade Thalia, na sede Fazenda. Essa sede fica na cidade de Balsa Nova, região
serrana do Paraná, aonde as temperaturas chegam a ficar bem baixas na época do inverno,
impossibilitando um banho de piscina de confortável. Então essa parceria vem de modo a
nos ajudar com um problema prático, com a parte física para lidarmos, e para eles com a
resolução de um problema.
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2. Diário de bordo
Aqui citarei tudo que está anotado no diário de bordo de nossa pesquisa, será útil
para termos uma ideia cronológica de como o projeto andou, desde a sua concepção até a
fase atual.
20 de maio de 2012
Inicio do grupo do projeto e discussão dos meios de se aquecer uma piscina: solar,
caldeira e resistência.
1º de junho de 2012
Levantamento de quanto de biomassa é produzido diariamente na fazenda. Análise
do sistema de aquecimento solar. Qual o lixão mais próximo da fazenda para que se possa
descartar a biomassa sem queimá-la. Como funciona a caldeira de biomassa? Como são
aquecidas as piscinas das outras sedes da sociedade?
Resultados
Uma carreta de lixo por fim de semana. A cidade de balsa nova não aceita esse tipo
de descarte de lixo. Como são as caldeiras aquatubulares? Pesquisar dureza e pH da água.
21 de junho de 2012
Caldeiras proibidas em Curitiba! Qual a emissão na queima da biomassa? Sugestão do
uso do biogás, e pesquisa de qual caldeira se adequa ao seu uso. Tabela comparativa de
eficiência do biogás com outros combustíveis.
Potencial calorifico superior e inferior (para biomassa). Umidade média de 45% com
potencial calorifico de 2150 kcal/kg e eficiência de 87%. A secagem natural ajuda o
combustível pois vai aumentar a sua eficiência.
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6 de julho de 2012
Fizemos uma visita à fazenda para podermos ver de perto como é a situação que será
enfrentada por nosso projeto. Fizemos algumas pesquisas de como os fatores ambientais
interferem na queima da biomassa.
25 de julho de 2012
Como será feito o envasamento do gás? Pesquisa dos diversos tipos de composteira.
9 de agosto de 2012
Todo material orgânico pode ser colocado na composteira, inclusive o lixo produzido
pelos funcionários da fazenda.
10 de agosto de 2012
Reunião com o professor Marcos para discussão de conceitos físicos e químicos como
a determinação do calor especifico de um gás. Uso de garrafas para a realização dos
experimentos necessários para a obtenção dos valores do gás. Determinação dos
acoplamentos da garrafa: fiação para a faísca, termômetro, manômetro, embolo móvel e
substrato no fundo da garrafa. Aferir massas antes e depois para se obter a massa do gás.
Determinação da combinação do substrato para melhor desempenho, com água,
terra, folhas e dejetos.
Setembro, outubro e novembro
Espera do tempo necessário de decomposição e obtenção do resto dos
equipamentos necessários.
Participação na Fetec, na jornada cientifica do Instituto Federal do Paraná e no
Ficiências.
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3. Motivação
A Sociedade Thalia possui várias sedes, mas na sede Fazenda existe uma grande
preocupação para que haja a interação dos sócios com a natureza. Por este motivo a piscina
presente lá é descoberta e não se tem o interesse em cobri-la.
Mas para seguirmos na linha da interação e da preservação da natureza, não iremos
aquecer esta piscina por resistência, o que exige o gasto de muita energia; poderíamos
aquecê-la por meio de caldeira com gás comprado, mas a fazenda apresenta uma grande
quantidade de folhas, que, aliás, dão muito trabalho para fazer seu descarte, e uma pequena
porção de dejetos animais que podem produzir biogás. E a queima desse biogás pode
parecer prejudicial, mas na verdade é benéfica.
O biogás normalmente é constituído de 50 a 70% de metano, que é um gás muito
prejudicial para a o efeito estufa por causa de seu calor específico. E na queima do biogás o
principal gás liberado é o dióxido de carbono, que também é prejudicial para o efeito estufa,
mas chega a ser 25 vezes menos prejudicial que o metano.
Aqui temos uma tabela da composição normal do biogás
²Fonte: Adaptado de WALSH JR. et al. (1988) e BRETON et al. (1994)
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Outra de nossas motivações é que biogás é um tema atual, muitas fazendas já
produzem energia elétrica com o biogás e o usam como combustível, mas quase todas essas
fazendas produzem esse biogás por meio de dejetos de animais, já com a decomposição de
folhas, se existem, são poucos lugares que usam esse método.
Como comparação do potencial do biogás com outras fontes de energia existe a
tabela a seguir, que também justifica a escolha por esse combustível. (1 atm)
O subproduto da composteira também é muito útil, ele pode ser usado como
fertilizante natural, não havendo desperdício de matéria orgânica como há atualmente na
fazenda.
Outro fator de interesse de nossa escolha é o custo, a composteira e os queimadores
terão um custo bem inferior aos outros métodos de aquecimentos estudados, além de que o
combustível é gratuito!
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4. Objetivos
O nosso objetivo é armazenar todas essas folhas, junto com os dejetos de animais do
local e talvez outras espécies de matéria orgânica, depois colocaremos em uma composteira
para que haja a decomposição da matéria orgânica e assim a liberação do gás metano.
Capturando esse gás nós podemos queimá-lo, produzindo chamas que irão aquecer os tubos
por onde a água vai passar.
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5. Métodos
Para nós podermos dimensionar corretamente a composteira devemos ter noção de
vários detalhes, tais como a quantidade de gás liberado por massa de substrato, quanto de
substrato a fazenda produz por dia, a “eficiência” da queima desse gás (poder calorifico);
esses detalhes serão descobertos em sua maioria de maneira empírica. O poder calorifico
desse gás será descoberto por um experimento aonde realizaremos a combustão desse gás
em um recipiente fechado com um êmbolo móvel, nesse recipiente terá um termômetro e
um manômetro; assim podemos calcular o trabalho realizado pelo gás e estimar sua variação
de energia interna, com esses dados descobrimos a quantidade de calor no processo e assim
podemos calcular o calor específico do gás, sendo que antes da combustão iremos medir a
massa de substrato e depois a massa de gás produzido, descobrindo assim a relação entre a
massa de substrato e massa de gás. Para calcularmos a quantidade de substrato diária da
fazenda basta colocarmos todo o substrato em um compartimento o qual conhecemos o
comprimento e a largura, e medirmos a altura que ele alcança.
Existem vários tipos de composteira, elas variam como a matéria orgânica e o seu
subproduto ficam alojados em seu interior. A mais comum aqui no Brasil é a canadense, que
consiste em um local onde fica a matéria orgânica e uma estufa por cima para não deixar o
gás escapar. Aqui está um exemplo de composteira canadense
Alguns experimentos complementares poderão ser realizados depois, como qual a
quantidade de gás necessária para aquecer em um grau a temperatura de toda a água da
piscina; qual a quantidade de calor perdida pela piscina durante certo tempo de exposição.
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Quando este projeto for para campo, suas dimensões irão variar, todo o gás será
produzido em uma composteira alimentada frequentemente, esse gás então será encanado
até os queimadores, que irão produzir a chama que vai ficar em contato com os tubos
hidráulicos em contato com a piscina.
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6. Experimentos
Como quase não existem trabalhos sobre a decomposição de folhas, não sabemos
quase nada sobre os gases que irão se formar, nem sua quantidade. Mas como não nos
interessa saber a sua composição, nosso experimento está voltado para duas questões
principais: Qual o poder de queima dessa mistura (calor específico/potencial calorifico)?
Quanto de gás é produzido a partir de certa massa de substrato?
O nosso experimento será executado da seguinte maneira: vários galões serão
preenchidos com diferentes combinações de terra, água, folhas e dejetos para nós
analisarmos qual combinação é mais eficiente. Estes galões serão deixados em repouso por
volta de 45 dias, que é o tempo necessário para que haja todas as quebras de moléculas e a
formação de gases que nos interessam. Para analisarmos o poder de queima iremos fazer a
combustão desses gases, por isto na tampa dos galões será posta a fiação para a faísca. Para
analisar a combustão de cada galão existirá um sistema composto por uma mangueira que
será conectada ao galão e a um êmbolo móvel graduado para medirmos a variação do
volume (dV), na mangueira também será adaptado um barômetro, para medirmos a pressão
inicial e a sua variação, com estes dados já podemos calcular o trabalho realizado por este
gás através da seguinte fórmula:
W = ∫PdV
Nos galões será acoplado um termômetro para medirmos a variação de temperatura
(dT), tanto durante a combustão tanto como depois do equilíbrio. Com as diversas medições
de temperatura, pressão e volume durante a combustão desses gases poderão estimar uma
curva para seu comportamento e assim determinar aproximadamente a variação de energia
interna desses gases. Com isso já podemos determinar o calor especifico dessa mistura, pela
seguinte fórmula:
Q = W + dU
Como já calculamos o trabalho e a variação da energia interna, e também sabemos
que:
Q = m.c.ΔT
Podemos facilmente calcular o calor especifico da mistura de gases, sendo que para
calcular a massa do gás basta medir a massa do galão antes da combustão e depois tirar
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todo o gás de seu interior e medir sua massa de volta, essa diferença entre as massas vai ser
a massa do gás.
Como a massa do substrato foi medida antes e agora temos também a massa do gás
podemos fazer uma relação massa de substrato/massa de gás que irá facilitar o
dimensionamento da composteira.
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7. Próximos passos
O nosso trabalho está na fase de espera dos resultados do experimento, quando
estes forem conhecidos começaremos o dimensionamento da composteira e a aplicação em
campo em posterior. Teremos que selecionar o material para construir a composteira e um
meio para pressurizar e armazenar o gás para depois usá-lo nos queimadores e aquecer a
água da piscina.
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8. Resumo geral
A sociedade Thalia Possui umas de suas sedes na região serrana próxima a Curitiba,
que durante a época do inverno chega a temperaturas que impossibilitam o banho de
piscina, o nosso objetivo é aquecer esta piscina aproveitando o que é produzido na própria
fazenda. Lá é produzida certa quantidade de dejetos animais, que são bem eficazes para a
produção do biogás, mas também é produzida uma quantidade de folhas muito superior,
porém elas são menos eficazes para a produção de biogás, só que a sua grande quantidade
compensa o seu baixo rendimento, por isso elas vão são ser nosso principal substrato da
composteira.
Para termos noção de qual quantidade de folhas será necessária para a produção da
quantidade suficiente de gás para aquecer a piscina e qual o rendimento desse gás, iremos
realizar alguns experimentos, descobrindo todas essas informações de forma empírica. Para
descobrir a quantidade de gás produzido por massa de folha basta medir a massa do
substrato depois a massa de gás liberado em sua composição. Para determinar seu calor
específico vamos utilizar a equação que relaciona quantidade de calor, energia interna e
trabalho em um gás, realizando o experimento em um local controlado aonde
monitoraremos o volume, pressão, temperatura e massa.
Depois de descobrirmos essas informações do gás, temos que pensar na instalação
do projeto: qual será o tamanho da composteira? Qual a alimentação diária necessária?
Como esse gás será transportado e queimado? Como a água será aquecida e transferida
para a piscina? Tudo isso vai depender dos dados do gás, pois será com eles que saberemos
a quantidade de gás que passará, a que temperatura ela chegará e depois a melhor forma de
aquecer a água.
O nosso projeto está atualmente na fase de espera dos resultados dos experimentos
que estão realizados para obtermos os dados do gás.
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9. Futuros projetos
Como nosso trabalho ainda não terminou, não podemos fazer uma conclusão, porém
já podemos dar sugestões de novos projetos relacionados.
Dependendo da quantidade e da qualidade do gás das folhas, ele poderá ser usado
em um gerador para a geração de energia elétrica para a fazenda, diminuindo os custos. Os
tratores da fazenda podem ser adaptados para o uso de biogás como combustível, e muitos
outros interessantes projetos que podem ser desenvolvidos seguindo essa mesma ideia.
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10. Referências
“Manual de treinamento em biodigestão” – Instituto Winrock
“CONSTRUÇÃO DE BIODIGESTOR PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DA
FERMENTAÇÃO DE ESTERCO BOVINO” – Vera Lucia Vitorelli Neves
“Utilização da biomassa: avaliação dos resíduos e utilização de pellets em caldeiras
domésticas” - João Jorge Mestre Dias
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