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Título: Análise de liberação de energia para biodieseis de segunda geração
Título em inglês: Heat release analysis for second generation biodiesels
Autor(es): Cartaxo, Justino Carvalho
Orientador(es): Bueno, André Valente
Palavras-chave: Engenharia mecânica
Motores de combustão interna
Biodiesel
Mamona
Soja
Data do documento: 4-Mai-2016
Citação: CARTAXO, J. C. (2016)
Resumo: Os biodieseis de segunda geração oriundos de fontes, tais como o sebo bovino e a mamona, vêm experimentando uma expansão em sua produção, sendo adicionados gradualmente ao biodiesel de soja, que constitui a matéria-prima predominante no país. Essas matérias-primas alternativas podem aumentar a estabilidade à oxidação do combustível e, no caso do sebo, diminuir o custo de produção do biodiesel. Contudo, elas também contribuem para um maior distanciamento entre as propriedades das misturas diesel/biodiesel e o óleo diesel convencional. O biodiesel proveniente do sebo bovino, por exemplo, possui um número de cetano de 68,77 frente aos 52,10 do de soja e 48 do óleo diesel mineral. Já o biodiesel de mamona possui viscosidade de 14,5 cSt, frente aos 4,16 do de soja e 2,5 do óleo diesel mineral. Espera-se que essas características singulares tenham consequências importantes nos processos de injeção, atomização e queima do combustível. O objetivo deste trabalho é determinar a extensão dessas consequências, caracterizando-se o impacto de cada um desses biodieseis de segunda geração sobre a taxa aparente de liberação de energia. Empregou-se, para tanto, dados experimentais de pressão no cilindro e um modelo de análise de liberação de calor, ou de energia, com uma zona de combustão. Os dados foram obtidos com um motor diesel turbo de médio porte operando em condições de regime permanente e a três níveis de carga. Preparou-se misturas entre diesel e biodiesel nas concentrações B10, representativas do patamar atual de adição de biodiesel ao diesel mineral, e B20, que corresponderiam à maior adoção de biocombustíveis em um cenário futuro. As matérias-primas de segunda geração, sebo bovino e mamona, também foram comparadas a dados obtidos com o biodiesel de óleo de soja, que corresponde a cerca de 75% a atual produção brasileira de biodiesel. Para as misturas B20, constatou-se que o biodiesel de sebo bovino, por ter maior número de cetano, adianta a combustão em cerca de 1◦ com relação ao de soja e 3◦ com relação ao diesel mineral. Devido a este adiantamento da ignição, o biodiesel de sebo bovino também reduziu a quantidade de combustível consumido pelo modo pré-misturado. A combustão das misturas contendo biodiesel de mamona ficou praticamente inalterada para as condições de alta e média carga com relação ao óleo diesel mineral. Contudo, em baixa carga (bmep=250 kPa) e na concentração correspondente a B10 e B20, o biodiesel de mamona provocou um atraso expressivo na combustão, provavelmente devido à colisão do jato combustível com as paredes do pistão.
Abstract: Second generation biodiesel fuels extracted from sources such as beef tallow and castor bean oil have gone through an increase in production, as they are being gradually added to soybean biodiesel which constitutes the primary biofuel in the country. These alternative materials have potential do increase the fuel’s oxidation stability and, specifically in the case of beef tallow, reduce the cost of producing biodiesel. However, these sources also contribute to making the properties of the biodiesel/diesel blend more distant from those of conventional diesel fuel. Beef tallow biodiesel, for example, has a cetane number of 64.70, compared to 46.44 the soybean and 48 for mineral diesel fuel. In the case of castor bean biodiesel, its viscosity is 14.5 cSt, while soybean’s is 4.2 cSt and mineral diesel’s is 2.5. It is expected that these unique characteristics should have noteworthy consequences in the injection, tomization and combustion processes of the fuel. This work intends to determine the extent of these consequences by characterizing each second generation biodiesel fuel’s impact on the apparent heat release rate. To this end, experimental data on cylinder pressure and a heat release – or energy - analysis model on a combustion zone were utilized. The data were obtained from a medium sized turbo diesel engine operating at steady state for three different load levels. Biodiesel and diesel blends were prepared at concentration levels B10, representative of current commercial use, and B20, corresponding to a greater biofuel adoption in a future scenario. Second generation sources were also compared to data from soybean biodiesel, which forms around 75% of Brazil’s biodiesel production. At B20 concentrations, it was found that beef tallow biodiesel, due to its higher cetane number, hastened combustion by about 1◦ compared to soybean and 3◦ compared to mineral diesel. This anticipation in ignition also caused a reduction in the amount of fuel consumed as a premixed flame. Combustion of castor bean biodiesel was mostly unchanged for high and medium loads compared to mineral diesel fuel. However, on the low load configuration (BMEP = 250kPa) and at B20 concentration, it caused a significant delay in combustion, likely from the collision of the fuel jet against the cylinder wall.
Descrição: CARTAXO, J. C. Análise de liberação de energia para biodieseis de segunda geração. 2016. 53 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/18241
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