Relatório 1 - Balanço Energético da Central Diesel

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Instituto de Engenharia Mecânica
Ensaio nº 01: Balanço Energético da Central Diesel
Disciplina: EME503P - Termodinâmica I Experimental
Cursos: Engenharia Mecânica
Alunos: Maria Eduarda Teixeira | Raphael Willian de Oliveira
Matrículas: 2018000158 | 2017002926
Professor: Fagner Luis Goulart Dias
Turma: 03
Data e Hora do Ensaio: 02/09/2019 – 13h30
Itajubá, 2019.2
INTRODUÇÃO
O diagrama de Sankey é de extrema importância pois tem uma utilização muito ampla nos setores de transformação energética além de expor de uma maneira muito mais sucinta e direta as oportunidades de melhoria nos processos de eficiência energética. 
O inventor do método foi o capitão irlandês Matthew Henry Sankey, que usou este tipo de diagrama em 1898 para evidenciar as perdas e a eficiência energética de caldeiras a vapor. (ALEXANDRE MATER, 2018)
O experimento envolveu o estudo de uma central Diesel-elétrica, e com o processo de transformação da energia química em elétrica foi possível construir o diagrama de Sankey, o objeto de estudo é composto por um motor diesel da Mercedes e o alternador da marca Negrini, além de outros componentes que serão abordados decorrer do relatório.
OBJETIVOS
 
Fazer o balanço energético de uma central diesel apresentando assim os dados obtidos na forma de diagrama de fluxo de Sankey, também tornar mais compreensível os processos inerentes a transformação de energia bem como tornar mais habitual o funcionamento de uma central termoelétrica.
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS
 Motor
Figura 1 Motor Mercedes 
O motor diesel é da marca alemã Mercedes, sendo da família OM 352, que está disponível em três versões:
OM 352: aspiração natural
OM 352 A: Turbocompressor 
OM 352 LA: Turbocompressor com intercooler
Sendo a OM 352 com aspiração natural objeto do nosso estudo sobre a central diesel. Todas as versões apresentam o mesmo motor com 5,7 litros e seis cilindros em linha. A potência deste motor pode variar entre 84 - 190 cavalos de potência. (MERCEDES-BENZ... 2019)
Alternador
Figura 2 Alternador
Marca: Negrini
Modelo: 27/21 Brusheless Trifásico
Potência: 47 KVA
 	O alternador é um gerador elétrico usado para converter energia mecânica em energia elétrica.
Quadro elétrico
Figura 3 Painel com medidores
Os seguintes equipamentos medem:
Kilowattímetro: Mede a potência elétrica e de atrito, quando o motor é desligado, e passando assim a ser consumidor de potência elétrica.
Amperímetro: Embora em funcionamento a corrente elétrica foi medida por meio de um amperímetro tipo alicate, já que a leitura direta pode apresentar alguns erros.
	 Na figura 4 abaixo é possível observar o quadro de comando elétrico por completo. 
Figura 4 painel elétrico completo utilizado
Medidor de vazão de Combustível
Figura 5 Painel com o medidor de vazão de combustível
Quando acionado a botoeira de comando número 2 o motor passa a consumir o combustível contido nos corpos esféricos de 25 ml, em simultâneo o acionamento da botoeira será disparado o cronômetro que só será interrompido quando o volume de uma ou de mais esferas forem completamente esvaziados. Assim com o tempo e com o consumo teremos a vazão de combustível consumido.
 Medidor de Vazão de Ar
Figura 6 Sistema de escape do motor
A vazão de ar é medida através da queda de pressão em um orifício calibrado que é colocado na entrada de um reservatório que é ligado ao duto de admissão de ar ao motor. O manômetro d’água mede a diferença entre a pressão atmosférica e a pressão no interior do tubo, dessa forma a medida obtida é relativa pois varia de acordo com o local onde é empregado.
Vazão de Água Circulando
Figura 7 Rotâmetro utilizado
A medição do fluxo de água é realizada pelo Rotâmetro, aparelho esse que mede a vazão de água que circula através do motor e do radiador.
A água funciona como um trocador de calor, retirando calor de superfícies mais quentes como o bloco do motor e trocando esse calor com o meio de menor temperatura, realizando esse processo no radiador.
O funcionamento do rotâmetro é de fácil entendimento, o fluido se desloca no rotâmetro partido de sua base até o topo fazendo com que o cone interno também se movimente que por consequência aumenta a passagem do fluido. E quanto maior a vazão mais elevada estará o cone, permitindo assim a fácil leitura. (O QUE... 2017)
Termômetro Pt 100
Os equipamentos utilizados foram os medidores Pt100, que são sensores de temperatura que contém um resistor que tem seu valor alterado conforme sua temperatura se altera. São muito utilizados em aplicações industriais pelo fato da sua ampla gama de medição que pode partir de temperaturas baixíssimas como -200°C até temperaturas de 700°C. No experimento utilizou-se termo resistências para medir a temperatura dos gases de saída no escapamento e as temperaturas de entrada e saída do gerador.
Figura 8 Termômetro Pt 100
Termômetro por radiação
São sensores capazes de determinar a temperatura de corpos ou superfícies através da radiação emitida por eles, dessa forma não há contato com a superfície, algo extremamente benéfico já que nem sempre é possível ter acesso direto a superfície, esse tipo de termômetro é baseado no princípio que todo corpo irradia calor quando está com temperatura superior a de 0 K e por meio da lei de Stefan-Boltzmann podemos calcular a temperatura do corpo.
Foi utilizado no experimento como um parâmetro, já que não tínhamos a certeza de que o Pt 100 estava apresentando os valores fiéis a realidade.
Figura 9 Termômetro por radiação
Alicate amperímetro
Quando você envolve o condutor com as pinças do alicate, a corrente elétrica da carga, gera um fluxo de corrente alternada que induz a parte metálica da pinça, gerando internamente uma tensão induzida que irá ser representada no display do amperímetro como o valor de corrente do circuito. (MORAES, 2018)
Tal instrumento foi utilizado para realizar as medições da corrente solicitada pelo gerador. 
Figura 10 Amperímetro de alicate
 MÉTODOS
Previamente à realização do experimento, foram distribuídos a todos as pessoas presentes no Laboratório de Máquinas Térmicas - UNIFEI aparelhos de proteção auricular, porque, o motor, quando atingia uma alta rotação, produziu muitos ruídos que poderiam ser danosos à saúde dos envolvidos. Depois, cada indivíduo foi destinado a uma atividade, seja fazer as medições ou anotações dos dados experimentais. 
Depois, para realizar a partida do motor, primeiramente foi verificado o nível do óleo lubrificante assim como a água do radiador. Em seguida, a chave geral da bateria foi ligada e houve a verificação para confirmar se o quadro de comando estava desligado. Após, a chave de interrupção da cebolinha do óleo foi desligada ao passo que a chave de ignição foi acionada. O botão de partida foi apertado apenas o suficiente para que o motor começasse a funcionar e, depois de aproximadamente 1 min, a chave da cebolinha foi puxada. Durante os primeiros 3 min de funcionamento, o motor funcionou em marcha lenta, a 900rpm, para, posteriormente, ser acelerado até atingir os 1800rpm. 
No quadro de comando elétrico, a chave geral do painel (CH1) foi ligada, após verificar se o reostato estava zerado. Através da comutadora do painel(S1), ligou-se o quadro de comando de medições de temperatura e consumo do motor Diesel, e, a seguir, a excitação foi acionada através da chave(S2), seguida do ligamento da coluna de sincronização através da botoeira(S3). 
No reostato(R1), a tensão do motor foi ajustada em 220v, observando o voltímetro(V2) da coluna de sincronização até que a tensão do motor possuísse a mesma tensão da rede elétrica. Depois, no acelerador do motor a frequência foi ajustada em 60Hz, observando o frequencímetro(F2) da coluna de sincronização até que ambos os sistemas também possuíssem a mesma frequência. E, por fim, no sincronoscópio foi observado o ponto de fechamento de paralelismoe, quando o ponteiro estava na seta vermelha ou as luzes superiores vermelhas estavam acesas, como na figura 11, o disjuntor foi fechado. 	Comment by Duda Teixeira: FIGURA
Figura 11 Coluna de sincronização
Assim, com a central Diesel em paralelo com a concessionária(CEMIG), foram realizadas as primeiras medições tanto da quantia de combustível quanto o tempo gasto para seu consumo, da potência elétrica gerada, da corrente que circulava no gerador, da vazão da água, da temperatura de entrada e saída do radiador, da temperatura dos gases de escapamento, da diferença pressão admissão da coluna d’água e das condições ambientes iniciais. Após, um pouco antes de desconectar o grupo Diesel da concessionária (CEMIG), as segundas medições e verificadas as condições ambientes finais, seguindo o mesmo procedimento utilizado para as primeiras. 
No final, o acelerador do motor e o reostato(R1), respectivamente, tiveram suas potências reduzidas a zero e o disjuntor foi aberto desfazendo o paralelismo. Depois, a coluna de sincronização(S4), excitação(S2), quadro de comando de medições de temperaturas/consumo(S1) e chave geral do painel (CH1), foram desligados.
LEVANTAMENTO DE DADOS 
Para efetuar os cálculos que serão aqui expostos foram utilizadas as seguintes formulações, dispostas nas tabelas 1 e 2, abaixo:
	Tabela 1 - Formulário para calcular os dados intermediários
	Vazão mássica de combustível
	
	 = volume de combustível consumido (l)
ρ = massa específica do combustível (kg/l)
t = tempo de consumo do combustível (s)
Obs.: ρ = 0,8325 kg/l Diesel BS10 (SindPetróleo, 2017)
	Pressão de coluna d’água
	
	∆h(mm) = Diferença pressão admissão da coluna de água (mm)
 = 9751 N/m³ - massa específica da água
	Pressão barométrica atmosférica local 
	
	 = 132381 N/m³ - massa específica do mercúrio
g = 9,785 m/s² - aceleração da gravidade em Itajubá/MG
 ∆(mmHg) = Pressão atmosférica
	Temperatura média do ar ambiente
	
	= Temperatura média do ar ambiente (K)
 = Temperatura ambiente inicial - Ensaio 1 (K) 
 = Temperatura ambiente final - Ensaio 2 (K)
	Massa específica do ar 
	
	 = Pressão barométrica atmosférica local (N/m²)
R = 287 (J/kg.K) - constante do gás
= Temperatura média do ar ambiente (K)
 = Pressão de coluna d’água (N/m²)
	Vazão mássica de ar 
	
	d = 0,045 (m) - diâmetro do orifício
c = 0,59 (-) - coeficiente do orifício
g = 9,785 (m/s²) - aceleração da gravidade em Itajubá/MG
 = 996,0 (N/m³) - massa específica da água
 = 132381 (N/m³) - massa específica do ar
 = diferença pressão admissão(m)
Tabela 1 - Formulário para os dados intermediários
	Tabela 2 - Formulário para calcular as potências do sistema
	Potência de Eixo(mecânica)
	
	 = Potência elétrica do gerador (Kw)
= rendimento do gerador (%)
	Potência disponível pelo combustível
	
	PCI = poder calorífico inferior(kJ/kg)
= vazão mássica de combustível (kg/s)
usar para o Diesel BS-10, PCI = 43.000 kJ/kg
	Potência perdida no gerador
	
	 = Potência elétrica do gerador (Kw)
 = Potência do eixo (Kw)
	Potência perdida no motor
	
	 = Potência do combustível (Kw)
 = Potência do eixo (Kw)
	Potência perdida no sistema de refrigeração(radiador) do motor
	
	= vazão volumétrica da água (m³/s)
 = 996,0 (N/m³) - massa específica da água
= 4,179 kJ/kg.K - calor específico da água
e = temperatura de entrada e saída da água do motor (K)
	
Potência perdida no sistema de escape do motor
	
	= vazão mássica do ar (kg/s)
= vazão mássica de combustível (kg/s)
= calor específico médio dos gases de escape (-)
 = temperatura de saída dos gases de escape (K)
= temperatura de entrada dos gases de escape (K) *
*Temperatura ambiente
	Potência perdida no atrito do motor
	
	(%)
(kW)
	Potência restante perdida do motor (perdas não computadas pela eq antes)
	
	= Potência perdida no motor
= Potência perdida no sistema de refrigeração (radiador) do motor
Potência perdida no escape do motor
= Potência perdida no atrito do motor
Tabela 2 - Formulário para o cálculo das potências
Após a sincronização em paralelo do grupo Diesel com a concessionária, foram obtidos as seguintes medições e condições ambientes, expressas nas tabelas 3 e 4, abaixo. Para encontrar o valor dos rendimentos (%) do sistema, foi utilizado o Gráfico 1, que contém a relação entre essa grandeza em função da corrente(A) solicitada no gerador.
Gráfico 1 - Relação entre o rendimento elétrico e amperagem
 Tabela 3 - Tabela dos valores obtidos experimentalmente
Tabela 4 - Tabela das condições ambiente
	Anteriormente a realização dos cálculos, todas as medições presentes nas Tabelas 3 e 4 , foram transformadas para o Sistema Internacional de Unidades. Em seguida, a partir das medidas obtidas e o formulário presente na Tabela 1, calculou-se os dados intermediários, os quais foram inseridos na Tabela 5. 
			Tabela 5 - Tabela dos dados intermediários
Em seguida, com base nos dados presentes na tabela de dados intermediários, juntamente com o formulário presente na Tabela 2, foram calculadas todas as potências ganhas e perdidas ao longo do processo. Os resultados obtidos nos respectivos cálculos foram dispostos na seguinte Tabela 6.
 Tabela 6 - Tabela das grandezas calculadas
	Posteriormente, com os valores presentes na Tabela 6, foi construído um Diagrama de Sankey, para que fosse possível representar visualmente como a energia foi convertida, transmitida, consumida ou perdida dentro do sistema da Central Diesel da Universidade Federal de Itajubá.
CONCLUSÃO E DISCUSSÕES
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 ALEXANDRE MATER (Brasil). Diagrama de Sankeys: Ferramenta inseparável do Gestor de Eficiência Energética. Itu: Biomassa & Bioenergia, 2018. Disponível em: <https://www.biomassabioenergia.com.br/imprensa/diagrama-de-sankey-ferramenta-inseparavel-do-gestor-de-eficiencia-energetica/20180619-113732-l672>. Acesso em: 11 set. 2019.
MERCEDES-BENZ OM352 engine. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_OM352_engine>. Acesso em: 06 set. 2019.	Comment by Duda Teixeira: Fonte não confiável
 
O QUE são rotâmetros e para que servem? 2017. Disponível em: <http://contechind.com.br/blog/2017/09/26/o-que-sao-rotametros-e-para-que-servem/>. Acesso em: 07 set. 2019.
MORAES, Everton. Alicate Amperímetro: Como usar e como funciona este alicate. Sala da Elétrica, 2018. Disponível em: <https://www.saladaeletrica.com.br/como-usar-o-alicate-amperimetro/>. Acesso em: 12 set. 2019.