Submitted by LUTH SILVA RAMOS null (lutherair@yahoo.com.br) on 2017-03-29T19:49:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Luth Ramos 2017 Final.pdf: 2110056 bytes, checksum: 5f14af4841d2cf0a501f307108e2e0b2 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-03-30T18:14:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ramos_ls_me_guara.pdf: 2110056 bytes, checksum: 5f14af4841d2cf0a501f307108e2e0b2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-30T18:14:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ramos_ls_me_guara.pdf: 2110056 bytes, checksum: 5f14af4841d2cf0a501f307108e2e0b2 (MD5) Previous issue date: 2017-01-26 / A escassez de combustíveis de origem fóssil tem preocupado setores energéticos e industriais. Outra preocupação eminente são as taxas de emissões de poluentes na atmosfera, causado pelo processo de combustão. Estes processos são responsáveis por grande parte de toda energia primária produzida no mundo. Sendo assim, os bicombustíveis tem sido uma alternativa que atende ambas as preocupações. Neste cenário, a atomização também assume uma importante função dentro da combustão de líquidos. O atomizador tem por objetivo desintegrar o combustível líquido em pequenas gotículas, misturando-se com o oxidante na proporção correta e nas condições adequadas, para produzir um processo de combustão eficiente e estável, reduzindo significativamente as formações de fuligens. O objetivo deste trabalho é realizar um estudo teórico de um atomizador do tipo jato-Y, para atomizar misturas de combustíveis com diferentes proporções de QAV-1 + farnesano, QAV-1 + etanol e farnesano + etanol, analisando experimentalmente as propriedades físico-químicas das misturas de combustíveis e teoricamente as características e a qualidade do spray gerado, fazendo uso da equação de Wigg para calcular o MMD (diâmetro médio de gotas). Através das propriedades físico-químicas das misturas de combustíveis é possível analisar possíveis alternativas de combustíveis que podem apresentar características “drop-in” e substitua parcialmente ou definitivamente o QAV-1 (querosene de aviação) atualmente consumido. Qualitativamente o spray gerado possui o MMD entre 30 e 40 µm, podendo variar de acordo com a temperatura de trabalho. Sendo assim o atomizador torna-se favorável para um processo de combustão eficiente. / The scarcity of fossil fuels has worried the energetic and industrials sectors. Concern also exists about emissions and their impact on the environment, which are a byproduct of the petroleum combustion processes. These processes account for much of the primary energy produced in the world. However, biofuels have been an alternative that meets both concerns. In this scenario, the atomization also assumes an important function in the combustion of liquids. The atomizer has goal to disintegrate the liquid fuel in small droplets to have the mixture of fuel/oxidant in the suitable ratio, to produce an efficient and stable combustion process, significantly reducing the formation of soot. The objective of this work is perform a theoretical study of one nozzle of the type Y-jet, to atomize binary mix of fuels with different ratio of jet-A1 + farnesane, jet-A1 + ethanol and farnesane + ethanol, experimentally analyzing the physicochemical properties of the mixtures of fuels and theoretically the characteristics and quality of the formed spray, using the Wigg’s equation to calculate the MMD (Mass Median Diameter). Through of the physicochemical properties of the mixtures of fuels, it’s possible to analyze possible alternatives of fuel that may have “drop-in” characteristics and partially or definitively to replace the currently consumed jet-A1 fuel. Qualitatively the formed spray has the MMD between 30 e 40 µm, however can be varied according with the temperature of work. Furthermore, the nozzle is favorable to an efficient combustion process.

Nos últimos anos o principal desafio da humanidade foi a substituição total ou parcial dos combustíveis fósseis que são responsáveis pelas mudanças climáticas e contribuem para a formação dos gases do efeito estufa. Como alternativa, os combustíveis renováveis - denominados biocombustíveis - têm se tornado uma alternativa viável. Este trabalho investigou o comportamento térmico e a energia de ativação de dois biocombustíveis (farnesano e biodiesel de soja) e suas misturas com diesel fóssil. Além disso, foram feitos estudos comparativos de comportamento térmico e energia de ativação entre todos os combustíveis. Os estudos foram feitos empregando-se análise termogravimétrica (TGA) sob atmosfera de ar sintético. As condições experimentais para os testes termogravimétricos foram: massa das amostras de 4,0 ± 0,5 mg, razões de aquecimento de 5, 10, 15, 20 e 25ºC min-1 e faixa de temperatura entre 30ºC e 400ºC. Outras técnicas, tais como calorimetria, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC - \"Differential Scanning Calorimetry\") e testes em motor diesel OM 926 LA CONAMA P7/EURO 5 também foram aplicadas para se avaliar o comportamento térmico destes combustíveis. Os valores de poder calorífico superior (PCS) para o farnesano, diesel fóssil e biodiesel são 46,9 MJ/kg, 45,3 MJ/kg e 39,7 MJ/kg, respectivamente. Os experimentos no motor diesel mostraram uma economia de 3% para o farnesano e um consumo de 14,25 % para o biodiesel em relação ao diesel fóssil. Em média, os valores de energia de ativação para os combustíveis puros encontrados neste estudo foram de 82,20 ± 3,38 kJ mol-1, 86,61 ± 8,48 kJ mol-1 e 96,61 ± 3,74 kJ mol-1 para farnesano, diesel fóssil e biodiesel de soja, respectivamente. Como a energia de ativação está diretamente relacionada com o atraso de ignição e, consequentemente, ao processo de combustão, o farnesano apresentou uma melhor qualidade de combustão em relação ao biodiesel de soja. Por meio das emissões obtidas nos testes European Stationary Cycle test (ESC) com a utilização do motor diesel foi possível obter correlações lineares entre energia de ativação e as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) e hidrocarbonetos (HC) e correlações polinomiais entre energia de ativação e as emissões de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e material particulado (MP). A adição de biodiesel de soja ao diesel provocou um aumento das emissões tanto para o NOx quanto para o HC em até 21,29% e 19,31%, respectivamente, e queda nas emissões de CO, CO2 e MP em até 33,44%, 2,44% e 47,37%, respectivamente. Por outro lado, a adição de farnesano ao diesel proporcionou uma diminuição de todas as emissões, ou seja, 11,22 %, 15,67%, 15,09%, 4,66% e 6,14% para NOx, HC, CO, CO2 e MP, respectivamente. A partir dos resultados obtidos neste estudo é possível entender o comportamento dos combustíveis durante suas respectivas queimas tendo como base as suas energias de ativação. / In recent years, the main challenge of the humanity was the total or partial replacement of fossil fuels, which are responsible for both the climate changes and the production of greenhouse gases. As an alternative, renewable fuels - named biofuels - have become viable. This study investigated the thermal behavior and the activation energy of two biofuels (farnesane and soybean biodiesel) and their mixture with fossil fuel. In addition, the thermal behavior of the biofuels and their mixtures with fossil fuel were compared with pure fossil diesel. Experiments were performed applying thermogravimetric analysis (TGA) under synthetic air atmosphere and other conditions such as, sample mass of 4,0 ± 0,5 mg, heating ratios of 5, 10, 15, 20 and 25 °C min-1 and temperature range between 30ºC and 400°C. In addition, calorimetry, differential scanning calorimetry (DSC) and experiments in a diesel engine OM 926 LA CONAMA P7 / EURO 5 were applied. Calorific value (CV) of the farnesane, biodiesel and fossil diesel are 46.9 MJ kg-1, 45.3 MJ kg-1 and 39.7 MJ kg-1, respectively. Experiments in the engine showed a fuel saving of 3% for farnesane and an increase consumption of 14.24 % for biodiesel, compared to fossil diesel. On average, the values of activation energy for pure fuels determined in this study were 82.20 ± 3.38 kJ mol-1, 86.61 ± 8.48 kJ mol-1 and 96.61 ± 3.74 kJ mol-1 for farnesane, fossil diesel and soybean biodiesel, respectively. As the activation energy is directly related to the ignition delay and hence the combustion process, it was observed that farnesane presented a better quality of combustion in comparison to the biodiesel. By means of the emissions obtained by the European Stationary Cycle test (ESC) in the diesel engine, it was possible to observe linear correlations between activation energy for both nitrogen oxide (NOx) and hydrocarbon (HC) emissions, and polynomial correlations between activation energy and carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and particulate matter (PM) emissions. The addition of soybean biodiesel to the diesel promoted an increase of both NOx and HC emissions in 1.29% and 19.31%, respectively and a decrease of 33.44%, 2.44% and 47.37% for CO, CO2 and PM emissions, respectively. On the other hand, the addition of farnesane to the fossil diesel, a reduction in all emissions were observed, i.e, 11.22%, 16.67%, 15.09%, 4.66%, 6.14%. of NOx, HC, CO, CO2 and PM, respectively. From the results obtained in this study, it is possible to understand the behavior and the emissions of the fuels produced during their burning based on their activation energies.

Orientador: Celso Eduardo Tuna / Resumo: Com a criação de combustíveis alternativos para a redução de emissões de CO2 no setor aeronáutico, torna-se necessária a determinação de suas propriedades de segurança e, entre elas destacam-se os limites de inflamabilidade. O combustível alternativo aeronáutico, que é utilizado neste trabalho, é o farnesano, fabricado a partir da cana de açúcar, por um processo que transforma açúcar em hidrocarboneto, pela empresa Amyris, localizada em São Paulo, Brasil. O objetivo dessa dissertação é determinar experimentalmente os limites de inflamabilidade, inferior (LII) e superior (LSI) do farnesano, QAV e misturas de 10% (F10) e 50 % (F50) em massa de farnesano com o QAV a pressões reduzidas em ar. Utiliza-se uma bancada experimental, que segue a norma americana ASTM E681, para a determinação dos limites de inflamabilidade, em que se utiliza o critério visual de propagação de chama e um recipiente de vidro borosilicatado de 20,716 L. Primeiramente são determinados os limites de inflamabilidade dos combustíveis para a pressão de 101,3 kPa em temperaturas entre 140 e 220°C, comparando-se os resultados com os valores teóricos disponíveis na literatura para a validação do procedimento experimental. Em segundo lugar, são determinados os limites de inflamabilidade das amostras a pressões reduzidas como 80, 60, 40 e 20 kPa em temperaturas entre 140 e 200°C. Foram realizados, no total 636 testes para determinação dos limites de inflamabilidade, sendo a duração média, para cada teste de 20 minu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The creation of alternative fuels to reduce CO2 emissions from the aeronautical sector needs determination of their safety properties, among which are flammability limits. farnesane is the alternative aviation fuel used in here, which has been produced from sugar cane through a conversion process known as direct sugar to hydrocarbon (DSHC) created by a company called Amyris, which is located in São Paulo, Brazil. Thereby, it is aimed to experimentally determine the flammability limits, lower (LFL) and upper (UFL) of farnesane, Jet fuel and mixtures of 10% (F10) and 50% (F50) in mass of farnesane at reduced pressures with air. For such a purpose, an experimental bench was built in accordance with American standard ASTM E681 to determine the lower flammability limits, in which flame propagation was analyzed visually through a 20.716 L borosilicate glass flask. The Flammability Limits of the fuels were initially determined at a pressure of 101.3 kPa and temperatures ranging between 140 and 220 ° C, whose results were compared with theoretical values found in literature in order to validate the experimental procedure. Afterwards, the Flammability Limits of samples were determined at reduced pressures, i.e. 80, 60, 40 and 20 kPa, and temperatures ranging between 140 and 200 ° C. 636 tests were performed altogether, the average time of each test was 20 minutes. Finally, prediction equations of flammability limits, were presented as a function of temperature / Mestre

Nos últimos anos o principal desafio da humanidade foi a substituição total ou parcial dos combustíveis fósseis que são responsáveis pelas mudanças climáticas e contribuem para a formação dos gases do efeito estufa. Como alternativa, os combustíveis renováveis - denominados biocombustíveis - têm se tornado uma alternativa viável. Este trabalho investigou o comportamento térmico e a energia de ativação de dois biocombustíveis (farnesano e biodiesel de soja) e suas misturas com diesel fóssil. Além disso, foram feitos estudos comparativos de comportamento térmico e energia de ativação entre todos os combustíveis. Os estudos foram feitos empregando-se análise termogravimétrica (TGA) sob atmosfera de ar sintético. As condições experimentais para os testes termogravimétricos foram: massa das amostras de 4,0 ± 0,5 mg, razões de aquecimento de 5, 10, 15, 20 e 25ºC min-1 e faixa de temperatura entre 30ºC e 400ºC. Outras técnicas, tais como calorimetria, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC - \"Differential Scanning Calorimetry\") e testes em motor diesel OM 926 LA CONAMA P7/EURO 5 também foram aplicadas para se avaliar o comportamento térmico destes combustíveis. Os valores de poder calorífico superior (PCS) para o farnesano, diesel fóssil e biodiesel são 46,9 MJ/kg, 45,3 MJ/kg e 39,7 MJ/kg, respectivamente. Os experimentos no motor diesel mostraram uma economia de 3% para o farnesano e um consumo de 14,25 % para o biodiesel em relação ao diesel fóssil. Em média, os valores de energia de ativação para os combustíveis puros encontrados neste estudo foram de 82,20 ± 3,38 kJ mol-1, 86,61 ± 8,48 kJ mol-1 e 96,61 ± 3,74 kJ mol-1 para farnesano, diesel fóssil e biodiesel de soja, respectivamente. Como a energia de ativação está diretamente relacionada com o atraso de ignição e, consequentemente, ao processo de combustão, o farnesano apresentou uma melhor qualidade de combustão em relação ao biodiesel de soja. Por meio das emissões obtidas nos testes European Stationary Cycle test (ESC) com a utilização do motor diesel foi possível obter correlações lineares entre energia de ativação e as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) e hidrocarbonetos (HC) e correlações polinomiais entre energia de ativação e as emissões de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e material particulado (MP). A adição de biodiesel de soja ao diesel provocou um aumento das emissões tanto para o NOx quanto para o HC em até 21,29% e 19,31%, respectivamente, e queda nas emissões de CO, CO2 e MP em até 33,44%, 2,44% e 47,37%, respectivamente. Por outro lado, a adição de farnesano ao diesel proporcionou uma diminuição de todas as emissões, ou seja, 11,22 %, 15,67%, 15,09%, 4,66% e 6,14% para NOx, HC, CO, CO2 e MP, respectivamente. A partir dos resultados obtidos neste estudo é possível entender o comportamento dos combustíveis durante suas respectivas queimas tendo como base as suas energias de ativação. / In recent years, the main challenge of the humanity was the total or partial replacement of fossil fuels, which are responsible for both the climate changes and the production of greenhouse gases. As an alternative, renewable fuels - named biofuels - have become viable. This study investigated the thermal behavior and the activation energy of two biofuels (farnesane and soybean biodiesel) and their mixture with fossil fuel. In addition, the thermal behavior of the biofuels and their mixtures with fossil fuel were compared with pure fossil diesel. Experiments were performed applying thermogravimetric analysis (TGA) under synthetic air atmosphere and other conditions such as, sample mass of 4,0 ± 0,5 mg, heating ratios of 5, 10, 15, 20 and 25 °C min-1 and temperature range between 30ºC and 400°C. In addition, calorimetry, differential scanning calorimetry (DSC) and experiments in a diesel engine OM 926 LA CONAMA P7 / EURO 5 were applied. Calorific value (CV) of the farnesane, biodiesel and fossil diesel are 46.9 MJ kg-1, 45.3 MJ kg-1 and 39.7 MJ kg-1, respectively. Experiments in the engine showed a fuel saving of 3% for farnesane and an increase consumption of 14.24 % for biodiesel, compared to fossil diesel. On average, the values of activation energy for pure fuels determined in this study were 82.20 ± 3.38 kJ mol-1, 86.61 ± 8.48 kJ mol-1 and 96.61 ± 3.74 kJ mol-1 for farnesane, fossil diesel and soybean biodiesel, respectively. As the activation energy is directly related to the ignition delay and hence the combustion process, it was observed that farnesane presented a better quality of combustion in comparison to the biodiesel. By means of the emissions obtained by the European Stationary Cycle test (ESC) in the diesel engine, it was possible to observe linear correlations between activation energy for both nitrogen oxide (NOx) and hydrocarbon (HC) emissions, and polynomial correlations between activation energy and carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and particulate matter (PM) emissions. The addition of soybean biodiesel to the diesel promoted an increase of both NOx and HC emissions in 1.29% and 19.31%, respectively and a decrease of 33.44%, 2.44% and 47.37% for CO, CO2 and PM emissions, respectively. On the other hand, the addition of farnesane to the fossil diesel, a reduction in all emissions were observed, i.e, 11.22%, 16.67%, 15.09%, 4.66%, 6.14%. of NOx, HC, CO, CO2 and PM, respectively. From the results obtained in this study, it is possible to understand the behavior and the emissions of the fuels produced during their burning based on their activation energies.