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História do GNV
Temperatura e volume
Equipamentos de Conversão
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Segundo alguns registros antigos mostram que a descoberta do gás natural ocorreu no Irã entre 6000 e 2000 a.C. e que, na Pérsia, utilizavam o combustível para manter aceso o “fogo eterno”, símbolo de adoração de uma das seitas locais. O gás natural já era conhecido na China desde 900 a.C., mas foi no século X que o país começou a extrair a matéria-prima com o objetivo de secar pedras de sal. Utilizavam varas de bambu para retirar o gás natural de poços com profundidade aproximada de 1000 metros.
Na Europa, o gás natural só foi descoberto em 1659, não despertando interesse por causa da grande aceitação do gás resultante do carvão carbonizado (town gas), que foi o primeiro combustível responsável pela iluminação de casas e ruas desde 1790. Já nos Estados Unidos, o primeiro gasoduto com fins comerciais entrou em operação na cidade de Fredonia, no Estado de Nova York, na década de 20, fornecendo energia aos consumidores para iluminação e preparação de alimentos.
O gás natural passou a ser utilizado em maior escala na Europa no final do século XIX, devido ao queimador Bunsen, em 1885 (por Robert Bunsen) - que misturava ar com gás natural - e a criação de um gasoduto à prova de vazamentos, em 1890. Mesmo assim, as técnicas de construção eram modestas e os gasodutos tinham no máximo 160 km de extensão, impedindo o transporte de grandes volumes a longas distâncias, e, conseqüentemente, reduzindo a participação do gás natural no desenvolvimento industrial, marcado pela presença de óleo e carvão.
No final de 1930, os avanços na tecnologia de construção de gasodutos viabilizaram o transporte do gás natural para longos percursos. O mercado industrial do gás natural era relativamente pequeno até a II Guerra Mundial, quando então o gás natural tornou-se extremamente disponível. Entre 1927 e 1931, já existiam mais de 10 linhas de transmissão de grande porte nos Estados Unidos, mas sem alcance interestadual. A descoberta de vastas reservas também contribuiu para reduzir o preço do gás natural, que o tornou uma opção mais atraente que o “town gas”.
O boom de construções pós-guerra foi responsável pela instalação de milhares de quilômetros de dutos, proporcionado pelos avanços em metalurgia, técnicas de soldagem e construção de tubos. Desde então, o gás natural passou a ser utilizado em grande escala por muitos países, devido às inúmeras vantagens econômicas e ambientais.
Como Verificar a capacidade dos cilindros? Analisando-se o volume de gás em m3(metros cúbicos) que cabe em um cilindro em função da temperatura, podemos verificar que há uma variação: vamos observar, por exemplo, o cilindro de 80 litros. Sua capacidade de água em litros é de 80, portanto, caberá dentro dele, a uma temperatura de 15ºC, 20 m3 de gás. Devemos destacar que o cilindro acondiciona um gás que tem comportamento diferente dos líquidos. Se a temperatura sobe, o gás expande e ocupa mais espaço, cabendo menos gás do que inicialmente. em uma situação de temperatura elevada (36ºC por exemplo) o mesmo cilindro de 80 litros deverá acondicionar cerca de 16,5 m3 de gás (vide tabela). Por isso, no mundo inteiro, utiliza-se para identificar os cilindros a capacidade em litros de água, que é constante, e não a capacidade de armazenamento de gás que é variável, pois depende da temperatura, dentre outras variáveis. Desta forma a capacidade em litros está marcada na ogiva dos cilindros conforme regem as normas de fabricação.
fonte tabela: http://www.globogasbrasil.com.br/
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Caracterizando os equipamentos para conversão de veículos para uso de GNV
Os equipamentos básicos de uma conversão típica de veículo para o uso de GNV podem ser vistos na Figura 1. Estes equipamentos compõem o “kit” de conversão. Ao “kit” de conversão deve-se acrescentar o(s) cilindro(s) de acondicionamento do gás a alta pressão. Desse modo, a conversão é possível por meio da composição: “kit” de conversão + cilindro de alta pressão.
Figura 1: “Kit” de conversão típico para uso de GNV em veículos - Fonte: OYRSA GNC
Estes equipamentos permitem que o veículo convertido utilize o GNV como combustível, conjuntamente com o combustível original. A seguir destacam-se os componentes do “kit” de conversão.1. Redutor de pressão;2. Válvula de abastecimento;3. Válvula de cabeça de cilindro com dispositivos de excesso de pressão e fluxo;4. Tubulação de aço de alta pressão;5. Eletroválvula de combustível (gasolina ou álcool);6. Tubulação de baixa pressão;7. Tubulações e conexões para sistema de água quente;8. Misturadores;9. Chicote elétrico (não apresentado neste “kit”);10. Chave comutadora e indicador de nível;11. Manômetro (medidor de pressão do GNV);12. Suportes das tubulações;13. Tubulações de combustível (gasolina ou álcool). Além dos equipamentos apresentados, pode-se ainda empregar opcionalmente os seguintes equipamentos eletrônicos, que são recomendados pois auxiliam o bom funcionamento do motor:
Dentre os equipamentos apresentados, destacam-se o cilindro de alta pressão, o redutor de pressão, as válvulas de cabeça de cilindro, a tubulação de alta pressão e a válvula de abastecimento. Estes equipamentos desempenham um papel importante no funcionamento e na segurança do veículo convertido e respondem pela maior parte dos custos. Uma descrição mais detalhada destes equipamentos principais será apresentada a seguir.
Cilindro de alta pressão
Este é um dos mais importantes equipamentos na conversão de veículos para uso de GNV. O cilindro é um reservatório construído segundo os mais rigorosos critérios técnicos, de modo que seja possível armazenar o gás natural a elevadas pressões, necessárias ao abastecimento do veículo. Estas pressões estão na faixa de 220 kgf/cm². Portanto o cilindro de armazenamento deve ser resistente para suportar enormes tensões, porém o mais leve possível, para não comprometer em demasia a capacidade de carga do veículo. A Figura 2 ilustra este equipamento.
Figura 2: Cilindros de alta pressão para uso de GNV - Fonte: Inflex
O cilindro de alta pressão para GNV tradicional é fabricado a partir de um tubo de aço-liga cromo-molibdênio, sem costura e de espessura de parede entre 8 e 10mm. O tubo passa por um processo de repuxamento e conformação das extremidades (base de um lado e gargalo do outro). Depois da conformação e do tratamento térmico (tempera e revenido), todos os cilindros são ensaiados pelo método de partículas magnéticas (Magnaflux) de modo a detectar algum tipo de defeito construtivo como trincas e falhas que possam comprometer sua integridade estrutural. A Figura 3 apresenta a ogiva de um cilindro de alta pressão para GNV em corte, podendo-se verificar a variação de espessura da parede do cilindro.
Figura 3: Ogiva em corte de um cilindro de alta pressão para GNV - Fonte Inflex.
A Tabela 1, extraída do site da Inflex / Argentoil, fabricante argentino de cilindros de alta pressão para GNV, apresenta uma série de características da sua linha de cilindros. |
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Tabela 1: Linha de cilindros de alta pressão para GNV - Fonte Inflex |
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Da esquerda para a direita, a 1a coluna apresenta os diâmetros de cilindros fabricados (bitolas), a 2a coluna especifica o volume de água equivalente à capacidade do cilindro, a 3a coluna a pressão de serviço, a 4a coluna a capacidade em metros cúbicos (normal metro cúbico), a 5a coluna o comprimento, a 6a coluna o peso nominal e a 7a coluna o volume equivalente em gasolina do GNV armazenado no cilindro. Existem também cilindros fabricados em alumínio, reforçados com fibra de carbono. Estes cilindros são significativamente mais leves que os de aço-liga, porém seu preço ainda é muito elevado. As características físicas do cilindro de alta pressão exigem que este equipamento seja fabricado seguindo um conjunto de etapas que permitem a obtenção de um equipamento seguro e confiável. Estas etapas compreendem:
No projeto de cilindros de alta pressão para GNV são utilizadas fórmulas para cálculo das tensões nas paredes dos recipientes e análise por elementos finitos, com auxílio de programas de computador. Os dados calculados são então verificados experimentalmente, usando-se equipamentos de medição de tensões na parede do cilindro, denominados de extensômetros. A matéria prima para fabricação dos cilindros deve ser cuidadosamente selecionada. Os tubos de aço-liga sem costura são recebidos do fabricante em diversas bitolas, acompanhados dos certificados de análise química e dos testes hidráulicos, realizados individualmente para cada lote de tubos. Um fabricante tradicional de tubos de aço-liga sem costura é a Mannesmann. Em seguida, são verificadas suas características químicas, físicas, mecânicas e, quando necessário, sua resistência à corrosão sob tensão. A análise mecânica da fratura do aço-liga empregado para fabricação do cilindro, permite ao fabricante definir qual o máximo defeito permissível, a fim de possibilitar:
A pintura da superfície do cilindro tem a função de protegê-lo contra as intempéries e corrosão. No Brasil estes cilindros são pintados na cor rosa. Os fabricantes brasileiros seguem as seguintes normas nacionais e internacionais:
Dentre os fabricantes nacionais destacam-se a Cilbras, do grupo White Martins e a Mat Incêndio. Os ensaios e testes de novos cilindros são executados de diversas formas:
Durante a etapa de produção, 100% dos cilindros devem passar pelos seguintes ensaios:
Deve-se ainda providenciar o ensaio destrutivo de ruptura hidráulica em um cilindro de amostra do lote fabricado.
Válvula de cabeça de cilindro
Cada cilindro recebe uma válvula de cabeça de cilindro em seu gargalo (Figura 1, item 3). Esta válvula tem a finalidade de permitir o abastecimento do cilindro retendo o GNV em seu interior. Este componente possui corpo de latão fundido e usinado, resistente a alta pressão e guarnições de borracha e teflon que permitem a total vedação do conjunto. As válvulas de cabeça de cilindro são equipadas com dispositivo de excesso de fluxo e excesso de pressão. O primeiro interrompe o fluxo de gás caso haja uma ruptura da tubulação, ocasionando uma vazão exagerada de gás na tubulação. O segundo dispõe de um lacre que se rompe caso a pressão no interior do cilindro atinja valores extremamente altos. Alguns modelos de válvula de cabeça de cilindro dispõem de dispositivo de corte rápido acoplado, o que permite fechar manualmente a saída do cilindro. A ligação entre o cilindro e a válvula de cabeça de cilindro é feita por meio do rosqueamento da válvula no gargalo do cilindro. No corpo das válvulas de cabeça de cilindro é usinada uma rosca cônica padronizada com a rosca do gargalo do cilindro. O perfeito casamento entre esta ligação permite o funcionamento do conjunto sem folgas, vazamentos e dentro do mais perfeito critério de segurança. Desse modo, nenhuma intervenção deverá ser feita na superfície rosqueada da válvula de cabeça de cilindro ou no gargalo do cilindro.
Redutor de pressão - válvula reguladora de pressão
A função do redutor de pressão (Figura 1, item 1), também conhecido como válvula reguladora de pressão, é reduzir com segurança a pressão do GNV armazenado nos cilindros (em torno de 220 kgf/cm2) até à pressão de serviço desejável no coletor de admissão do motor. Isto é possível por meio de um elemento sensor de alta pressão e de uma válvula de controle que regulam o fluxo de GNV em resposta às variações de pressão à juzante da válvula. O sistema de controle da vazão de GNV é promovido por um conjunto de membranas que trabalham estimuladas pela diferença de pressão entre a entrada e a saída do redutor de pressão, permitindo um fluxo de GNV capaz de garantir o adequado funcionamento do motor em uma série de condições de marcha. Para garantir o bom funcionamento e evitar o congelamento deste elemento, em função da expansão do gás, existe um disposivo que utiliza o fluido de refrigeração do veículo, com a finalidade de aquecer as partes internas do redutor de pressão. A Figura 4 apresenta um modelo tradicinal de redutor de pressão fabricado pela OYRSA GNC.
Figura 4: Redutor de pressão tradicional - Fonte: OYRSA GNC
Este modelo de redutor tem duas eletroválvulas de segurança e um manômetro acoplados ao corpo do redutor. O manômetro mede a pressão de saída do gás. Este tipo de equipamento é provido de dispositivo que aproveita o fluido de arrefecimento do motor para seu resfriamento. Diversos fabricantes mundialmente conhecidos produzem este tipo de redutor, entre os quais destacam-se a Rodagás e a Landi Renzo. Um modelo mais moderno de redutor de pressão é apresentado na Figura 5. Este equipamento é fabricado pela ITT e representa um modelo mais compacto, embora execute as mesmas funções do redutor OYRSA.
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Figura 5: Redutor de pressão compacto ITT
Tubulação de alta pressão e conexões
A tubulação de alta pressão é responsável por conduzir o GNV desde a válvula de abastecimento até o cilindro de armazenamento e deste até a válvula reguladora de pressão (Figura 1, item 4). Tanto a linha de abastecimento do cilindro como de alimentação do redutor de pressão podem apresentar diâmetro interno nominal de 8 mm, ou se pode opcionalmente alimentar o redutor de pressão com tubo de 6 mm de diâmetro interno.
Esta tubulação é produzida em aço-liga e deve apresentar acabamento bicromatizado, internamente e externamente. Eventualmente aceita-se que esta tubulação tenha acabamento externo pintado com tinta epoxi, porém o acabamento cromatizado é uma proteção adicional que deve ser especificada contra a corrosão.
A ligação entre a tubulação e o chassi/monobloco do veículo deve ser feita com abraçadeiras acolchoadas, que evitem o atrito entre partes metálicas e a possibilidade de diminuição da espessura da parede do tubo.
A junção entre os componentes da tubulação é feito por conexões de latão fundido, dentro dos mesmos padrões exigidos para as válvulas de cabeça de cilindro. Um exemplo da técnica empregada na conexão destas partes é apresentado na Figura 6.
Este sistema de conexão, muito utilizado em junções de circuitos hidráulicos, emprega uma anilha metálica que, após o aperto, esmaga o tubo dentro da sede (etapa 4), permitindo a total vedação da junção. Naturalmente deve-se garantir um corte perfeito do tubo de modo que seu encaixe na sede seja total. O aperto da porca externa deve ser realizado de forma contínua e suave, de modo a moldar o tubo dentro da sede sem esmagá-lo em demasia.
Figura 6: Acoplamento entre tubulação de alta pressão e conexão - Fonte: Hermeto
Válvula de abastecimento
A válvula de abastecimento (Figura 1, item 2) é o dispositivo que permnite o abastecimento do veículo. É composta de um corpo de latão fundido ou de aço-liga e uma sede capaz de acoplar o bico de abastecimento do “dispenser”. A vedação entre estas duas partes é feita por meio de “o rings” de borracha.
As válvulas de abastecimento devem possuir um dispositivo de corte rápido acoplado, de modo a garantir a interrupção do fluxo de gás em caso de acidente no abastecimento. Sua instalação deve ficar em lugar acessível e sua fixação deve ser perfeita e tolerar a constante manipulação a cada abastecimento.
Referências
Gifel, Prospecto de Divulgação do Produto - Cilindros de Armazenamento de GNV;
OYRSA GNC, Equipos de Conversion, OYRSA Division Equip. Automotores GNC;
MAT-INCENDIO S.A., Um Programa Completo de Cilindros, MAT INCENDIO S.A. Divisão de Cilindros de Aço;
Inflex/Argentoil, Compressed Gas and CNG Cilinders;
ITT, Pressure Regulator for Automotive Natural Gas.
