Termodinâmica

UNIVERSIDADE FEDERALDE ITAJUBÁ

Instituto de Engenharia Mecânica Laboratório de EME 606 – TERMODINÂMICA II

2º ENSAIO - BALANÇO ENERGÉTICO DA CENTRAL DIESEL

1 – OBJETIVO

Fazer o balanço energético e exergético de uma central diesel, apresentando os seus fluxos na forma de diagrama. 2 – DESRIÇÃO

O sistema utilizado para o ensaio é composto basicamente por um Motor Diesel Mercedez Benz, um Alternador “Brushless” Negrini, um quadro de comando elétrico e um quadro de medição de temperatura e vazão de combustível. A Figura 1 apresenta um esquema geral do sistema utilizado com o gerador e o motor diesel. A Figura 2 mostra o fluxo principal de conversão de energia no ensaio. Quadro elétrico Gerador Motor Diesel

Figura 1 Esquema Básico da Central Diesel

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Figura 2 Fluxo Básico de Conversão de Energia 2.1 – Esquema de Medidas e Instrumentação

Potência elétrica e de Atrito

A Figura 3 mostra o esquema de ligação dos aparelhos elétricos de medida de potência elétrica (wattimetros) e de corrente elétrica (amperímetros). Quadro elétrico Watímetro Amperímetro

Voltímetro Gerador

Figura 3 esquema de ligação dos aparelhos elétricos de medida de potência

elétrica e de corrente elétrica Devido ao alto valor da corrente, que não seria suportado pelos watímetros, fez-se necessário ligar as bobinas de corrente através de Transformadores de Corrente (CT’s). As bobinas de tensão dos watímetros estão ligadas diretamente à saída do gerador (tensão de 220 V). Para a medida da corrente elétrica é utilizado um amperímetro tipo alicate, devido ao fato deste aparelho realizar a leitura através do efeito de indução, não sendo, portanto necessário o seccionamento dos condutores que realizarão a conecção entre o gerador e o quadro elétrico.

ALTERNADOR MOTOR DIESEL

Weixo QC Welét.

FLUXO DE POTÊNCIAS

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Massa de Combustível A Figura 4 esquematiza o sistema utilizado para a medida do consumo de combustível pelo motor.

Figura 4 Medidor de Vazão de Combustível O motor e o tanque de combustível estão conectados através de uma válvula de comando. Durante a operação normal o motor é suprido pelo óleo diesel do tanque. Ao ser acionada a botoeira de comando, o motor passa a consumir o óleo diesel contido no medidor da Fig.4. O medidor está inicialmente preenchido até acima da marca superior (inicial). O volume entre a marca superior (inicial) e uma marca inferior (final) é calibrado. Quando a superfície do diesel começa a abaixar de nível e passa pela marca inicial dispara-se um cronômetro, que só será travado no momento em que a superfície do óleo passar pela marca inferior (final). Logo após libera-se a botoeira de modo que o motor volte a ser suprido com o óleo do tanque. Portanto, tem-se o volume (calibrado) de óleo diesel consumido em um determinado tempo.

Vazão de Ar A Figura 5 demonstra a maneira utilizada para medir-se a massa de ar aspirada pelo motor durante a sua operação.

Botoeiras de comando

Volume com Diesel

Marca Inicial

Marca Final

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Reservatório Orifício Calibrado Coluna d’água

Figura 5 Sistema de Medição da Vazão de Ar

A vazão de ar é medida através da queda de pressão em um orifício calibrado, que é colocado na entrada de um reservatório ligado ao coletor de admissão de ar ao motor. O manômetro d’água mede a diferença entre a pressão externa (pressão atmosférica local) e a pressão no interior do tubo.

Vazão de Água A Figura 6 mostra o aparelho utilizado para medir a vazão de água que circula através do motor e do radiador.

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Figura 6 Medidor da Vazão de Circulação de Água do Motor O aparelho, denominado de Rotâmetro é instalado entre a saída do radiador e a entrada do motor, de modo que a água que circule através dele já esteja resfriada. A leitura da vazão de água é realizada diretamente em uma escala fixada no corpo do aparelho, e fornece o valor diretamente em litros por minuto (1/min).

Temperaturas A Figura 7 esquematiza o sistema utilizado na medida das temperaturas relevantes do sistema.

Água que circula pelo radiador e pelo motor

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Figura 7 Esquema do Sistema de Medida de Temperaturas

Três (3) termopares estão conectados a um termômetro digital através de uma

chave seletora. O primeiro termopar está imerso na saída do radiador, de modo a permitir a medida da temperatura da água que irá entrar novamente no motor. O segundo termopar está instalado na saída de água do motor (conseqüentemente, na entrada de água do radiador) de modo a possibilitar a medida da temperatura da água que será resfriada. O terceiro termopar está instalado na saída dos gases de escapamento (base do cano de escapamento, próximo ao bloco do motor) para a medida da temperatura dos gases que deixam o motor. A Figura 7 mostra, além disso, o fluxo de água no radiador, que se dá de cima para baixo, pois a água fria é mais pesada do que a água quente.

2.2- Procedimento para Medida de dados

Para a análise da Central Diesel são necessários os seguintes dados: - Temperatura de saída dos gases - Temperatura ambiente - Temperatura da água entrando no radiador - Temperatura da água saindo do radiador - Vazão de ar entrando no motor - Vazão de combustível entrando no motor - Vazão de gases de exaustão saindo do motor - Vazão de água circulando pelo radiador - Potência de atrito do motor - Potência elétrica gerada.

1 2 3

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As medidas dos parâmetros para o balanço são realizadas da seguinte forma: 1. As medidas de temperatura com termopares ligados a um termômetro digital. 2. Vazão de ar na admissão do motor é medida através da queda de pressão em um

orifício circular calibrado. A queda de pressão é medida através de um manômetro em U de coluna d’água.

3. Vazão de combustível e medido cronometrando o tempo gasto pelo motor para consumir consumo de um volume calibrado de combustível.

4. Vazão dos gases de exaustão que saem do motor é obtida somando as vazões de ar e de combustível (conservação de massa, para escoamento estacionário através do motor).

5. Vazão de água circulante no radiador é medida por um rotâmetro instalado no motor.

6. A potência gerada é medida por Watímetros. 7. A potência de atrito é medida de maneira semelhante à da potência gerada, com a

diferença que a máquina elétrica funciona como motor e não como alternador. 2.3 - Dados dos Equipamentos

A) MOTOR

Motor Diesel Mercedez Benz Tipo OM 352 Motor N 344.919.008-547032

B) ALTERNADOR

Alternador Negrini 60 KVA N 14010 Tipo: ATE Mos: 27/21 Serv. Contínuo

Volt Amp 220/127 157

380/220 91 440/254 78 60Hz Classe B rpm : 1800 fases : 3 cosϕ : 0.8 ∆T : 80 [°C] Amp. Exc.: 3 Volt Exc.: 60

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3 - PROCEDIMENTO DE ENSAIO

O ensaio segue os passos abaixo: - Partida do motor - Aceleração do motor até rotação nominal (1800 rpm) - Espera para aquecimento - Sincronização da central com a rede da concessionária - Aplicação de carga e espera para estabilização - Medição de v, i, tamp, tea, tsa, tesc, ∆t, h, mA- Motorização do alternador e medição de V e I

, V e φ

- Retirada da central da rede - Desligamento da central

3.1 - Instruções para partida no motor

- Verificar o nível do óleo lubrificante - Verificar o nível de água no radiador - Ligar a chave geral da bateria - Verificar se o quadro de comando está desligado – deve estar desligado

antes da partida – ligar depois de funcionar o conjunto.

3.2 - Partida

- Desligar a chave de interrupção da cebolinha de óleo empurrando-a - Ligar a chave de ignição empurrando-a - Apertar o botão de partida o suficiente para o motor funcionar - Depois de mais ou menos 1 min, “puxar” a chave da cebolinha - Deixar o motor funcionar uns 3 min em marcha lenta. (800 rpm) - Acelerar até atingir a rotação de trabalho, ou seja, 1800 rpm

3.3 - Ligação do quadro

- Ligar a chave do regulador automático de tensão, feito isto o ponteiro do

voltímetro registrará ± 200 [V], sendo ajustado através do reostato de regulagem fina

- Ligar para baixo a chave geral

3.4 - Conexão em paralelo Convém, neste ponto, dar especial atenção ao procedimento de conectar a central diesel com a rede elétrica da concessionária (CEMIG). Para que os dois sistemas possam entrar em paralelo são necessárias três condições: mesma tensão, mesma freqüência e mesmo ângulo de fase.

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O procedimento para colocação dos sistemas em paralelo é composto por: - Ajuste da tensão gerada para que tenha o mesmo nível da tensão da

concessionária (220 [V]). Este procedimento é realizado com auxílio de um equipamento eletrônico e sua monitoração feita em um voltímetro duplo.

- Ajuste de freqüência da tensão gerada para que seja a mesma da concessionária (60 [Hz]). Esse procedimento é realizado através do ajuste do acelerador do motor diesel e monitorado através de um freqüencimetro duplo.

- Sincronização do ângulo de fase (φ). Sua monitoração é realizada através de um fasímetro. Como a sua sincronização é difícil torna-se necessário que o operador fique observando o fasímetro e com as mãos na chave de conecção paralela. No momento que o fasímetro indica ângulo nulo o operador aciona a chave.

3.5 - Parada - Desligar o quadro - Virar a chave de ignição no sentido horário até o segundo contato e esperar

que o motor pare totalmente - Desligar a chave de ignição se for o caso até retirá-la do contato - Para desligar chave deve-se virá-la no sentido anti-horário exatamente 2

contatos 4 – CÁLCULO 4.1 - Balanço Energético Potência Elétrica (Gerador)

ϕ= cosiv3Wel (1)

onde: v = tensão [V] i = corrente [A] W el cosϕ = fator de potência

= potência elétrica [kW]

Potência Mecânica

alt

elm

WW

η=

(2) onde: W m

= potência mecânica [kW] W el

η = potência elétrica [W]

alt(ver gráfico em anexo)

= rendimento alternador

Potência Elétrica (Motor)

ϕ=− cosi.v.3W motel (3)

onde: W el-mot v = tensão [V]

= potência elétrica motor [kW]

i = corrente [A] cosϕ = fator de potência

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Potência de Atrito do motor

altmotelmatr *WW η= −−

(4) onde: W atr-m

= potência de atrito [kW] W el-mot

η = potência elétrica motor [kW]

alt = rendimento alternador Potência de Atrito do Gerador

matrmotelgatr WWW −−− −= (5)

onde: W atr-g

= potência de atrito [kW] W el-mot

η = potência elétrica motor [kW]

alt = rendimento alternador Vazão em Massa de Combustível

tVmc ∆

ρ= (6) onde: cm = vazão em massa de combustível

[kg/s] ρ = massa específica do combustível = 833

[kg/m3

v = volume de combustível [m]

3

∆t = tempo de escoamento [s] ]

Calor Liberado pelo Combustível

PCI.mQ cc = (7)

onde: Q c

= Calor Liberado Pelo combustível [kW]

cm = vazão em massa de combustível [kg/s]

PCI = poder calorífico inferior [kJ/kg] Perda de Calor pelos Gases de Escapamento

( ) ( )ambescpgggg TT.c.mhmQ −=∆= (8) onde: Q g

= calor dos gases [kJ/s]

m g

= vazão em massa dos gases [kg/s] c p

T = calor específico à pressão constante médio dos gases (ver página 17)

esc T

= Temperatura de escoamento [°C] amb

= Temperatura ambiente [°C]

Vazão dos Gases

combarg mmm += (9) onde: gm = vazão dos gases [kg/s] m ar

= vazão de ar [kg/s] m comb = vazão de combustível [kg/s]

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Calor Perdido no Radiador

( )esAAA TT.c.mQ −=

(10)

onde: Q A

= calor no radiador [kW]

m A

= vazão de água no radiador [kg/s]

c A T

= calor específico da água [kJ/kg.°C] s

T = Temperatura de saída da água [°C]

e = Temperatura de entrada da água [°C] Vazão de Ar Admitido no Motor

ar

águaágua2

ar

h.g.2C

4dm

ρ

∆ρπ=

(11)

onde: d = diâmetro do furo [m] C = constante do orifício = 0,59 g = gravidade local [m/s2

]

águah∆ ρ

= diferença de pressão [m]

ar = densidade do ar [kg/m3] Densidade do Ar

T.Rpatm

ar =ρ

(12)

onde: patm = pressão atmosférica local [N/m2

T = temperatura [K] ]

R = 287 J/kg K

O balanço energético é realizado de acordo com a equação abaixo:

matrgatrelAgcp WWWQQQQ −− −−−−−= onde: Q p

= perdas de energia no motor diesel

Q c

= calor liberado pelo combustível

Q g

= calor dos gases de escapamento

Q A

= calor da água de arrefecimento

W el

= trabalho elétrico W atr-g

= trabalho de atrito do gerador

W atr-m

= trabalho de atrito do motor

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5 – TABELAS DE VALORES LIDOS E CALCULADOS A Tabela 1 contem os valores lidos durante o ensaio.

Tabela 1 Grandeza Valor Unidade 1 W 20 el kW 2 W 20 el-mot kW 3 V 220 V 4 Vel-mot 220 V 5 i 62 A 6 i 65 el-mot A 7 T 30,5 amb °C 8 T 64 e °C 9 T 56 s °C 10 T 237 esc °C 11 V 33 agua 1/min 12 ∆h 33 água mm H20 13 ∆t 8’52’’ seg 14 Vc 25 ml 15 p 691 atm mmHg 16 d 45 mm

A tabela 2 deve ser preenchida com os valores para os cálculos, retirados das tabelas.

Tabela 2 Grandeza Valor Unidade

1 ho (25 °C) kJ/kg

2 hágua de entrada °C kJ/kg

3 hágua de saída °C kJ/kg

4 so (25 °C) kJ/kg K

5 ságua de entrada °C kJ/kg K

6 ságua de saída °C kJ/kg K

7 PCI 42.886,8 kJ/kg

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A tabela 3 expõe todos os valores calculados para análise energética.

Tabela 3 Grandeza Valor Unidade

1 W el kW

2 W m kW

3 W el-mot kW

4 W atr-m kW

5 W atr-g kW

5 m c kg/s

6 Q c kW

7 m ar kg/s

8 m g kg/s

9 Q g kW

10 Q A kW

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6 – DIAGRAMA

Deve ser feito, para a central diesel, o diagrama de Sankey como mostra a Figura 8. Eles deverão indicar as transferências de energia em escala (por exemplo, em papel milimetrado).

Figura 8 Diagrama de Sankey (energia)

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A seguir é mostrado o gráfico e a equação que indica o rendimento em função

da corrente I (A) solicitada ao gerador.

...C+C+C+C= 33

2210 IIIaltη

Para corrente entre 23 a 159 A C 84.9637 0 C -2.69854 1 C 0.206562 2 C -0.00761624 3 C 0.000172372 4 C -2.56007E-006 5 C 2.54863E-008 6 C -1.68917E-010 7 C 7.16293E-013 8 C -1.75966E-015 9 C 1.9049E-018 10

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CALOR ESPECÍFICO A PRESSÃO CONSTANTE

O calor específico do ar seco na temperatura T, (K), é dado por: ...TC+TCT+C+C=c 3

32

210Tpar, (J/kg K)

Para temperatura entre 200 a 800K

C0 = +1,0189134 E+03 C1 = -1,3783636 E-01 C2 = +1,9843397 E-04 C3 = +4,2399242 E-07

C4 = -3.7632489 E-10

O calor específico à pressão constante dos produtos da combustão na forma polinomial são dados por:

TCp,Tar,p,T,gp f+1f+c=c θ (J/kg K)

onde ar

comb

mm

f

=

....+TPC+TPCT+PC+PC= 33

2210TCp,θ

Para temperatura entre 200 a 800K

CP0 = -3,5949415 E+02 CP1 = +4,5163996 E+00 CP2 = +2,8116360 E-03 CP3 = -2,1708731 E-05 CP4 = +2.8688783 E-08 CP5 = -1.2226336 E-11