Lab 01 - TERMO 2

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 
Instituto de Engenharia Mecânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ensaio nº 1: Balanço Energético da Central Diesel 
 
 
 
 
 
 
Disciplina: EME606 P 
Curso: Engenharia de Energia 
Alunos: Luis Felipe Boscaro Stringuetti 
Matrícula: 2017016627 
Professora: Lucilene de Oliveira Rodrigues 
Turma: T03 
Data e Hora do Ensaio: 02/04/2019 às 16:00 hrs (+/-) 
 
 
 
 
 
 
 
Itajubá, (1°/ 2019) 
1. Introdução 
 
Hoje em dia, a energia elétrica se tornou um elemento básico no andamento da humanidade, fazendo parte de 
diversos momentos do dia a dia das pessoas, qualquer falha em seu fornecimento pode gerar grandes incômodos e 
perdas consideráveis. 
Atualmente o uso de grupos geradores de energia é cada vez mais frequente devido ao fato de as 
concessionárias não conseguirem atender suas demandas, assim, deve-se buscar outras formas para suprir a demanda 
exigida pelos consumidores. 
Sendo para aplicação residencial ou em pequenas comunidades desprovidas do fornecimento por 
concessionárias, as centrais Diesel são uma ótima opção para o fornecimento, já que possuem um ótimo custo-
benefício, sendo diesel um combustível seguro, de partida rápida, barato e de simples manutenção. 
O ensaio de uma centra Diesel procura levantar dados de operação de uma central e, a partir destes, calcular 
parâmetros importantes destinados ao levantamento das curvas de funcionamento que possibilitem visualizar o 
comportamento da central em diversas condições de operação. 
 
 
 
2. Objetivo 
 
Fazer o balanço energético de uma central diesel apresentando os seus respectivos fluxos na forma do 
diagrama Sankey. 
 
 
3. Materiais e Métodos 
 
O sistema utilizado para o ensaio é composto por um Motor Diesel Mercedes 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. 
 
 Quadro elétrico Gerador Motor Diesel 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 - Esquema Básico da Central Diesel 
 
 
 
De acordo com a Figura 2, tem-se o fluxo principal de conversão de energia presente no banco de ensaio. 
 
 
 
Welét. 
 
 
ALTERNADOR 
Weixo 
 
 
MOTOR 
DIESEL 
QC 
Botoeiras de comando 
FLUXO DE ENERGIA 
 
Figura 2 - Fluxo Básico de Conversão de Energia 
 
3.3. Esquema de Medidas e Instrumentação 
 
Potência elétrica e de atrito 
 
A Figura 3 mostra o esquema de ligação dos aparelhos elétricos para obtenção da potência elétrica e de atrito 
(kilowatímetro), além do monitoramento das demais grandezas elétricas. 
 
Quadro sincronismo kilowatímetro amperímetro 
 
 
 
 
 
 
 
 Voltímetro Gerador 
Figura 3 - Arranjo dos aparelhos elétricos para medida de potência elétrica 
 
A potência elétrica será medida diretamente no kilowatímetro, enquanto para a medida da corrente 
elétrica será utilizado um amperímetro tipo alicate, uma vez que a leitura direta pelo painel pode resultar em 
valores errados pela posição de leitura. 
 
 
Massa de Combustível 
 
A Figura 4 esquematiza o sistema utilizado para a medida do consumo de combustível pelo motor do 
grupo gerador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 - Medidor de Vazão de Combustível 
 
 
 
Marca 
Inicial Volume 
preenchido de 
Diesel 
Marca 
Final 1 2 
No banco de ensaio, o motor e o tanque de combustível estão conectados através de uma válvula de 
comando. Durante a operação normal, o motor é continuamente suprido pelo óleo diesel do tanque. Ao ser 
acionada e mantida pressionada a botoeira de comando (2), o motor passa a consumir o óleo diesel contido ao 
longo do medidor da Fig.4. Uma vez que o medidor está inicialmente preenchido com óleo diesel acima da 
marca superior (inicial) e conhecendo o volume entre a marca superior (inicial) e a marca inferior (final), o 
consumo pode ser obtido. 
Para a determinação do consumo, caso esteja vazio, mantenha-se pressionado a botoeira (1) de modo a 
preencher o medidor. Novamente, para medida do consumo, mantenha pressionada a botoeira (2), de modo que 
o volume do diesel começa a abaixar de nível, passando pela marca inicial, onde dispara-se um cronômetro que 
só será travado no momento em que a superfície do óleo passar pela marca inferior (final). Em seguida, libera-
se a botoeira de modo que o motor volte a ser suprido com o óleo do tanque. Portanto, ao final tem-se o volume 
(calibrado) de óleo diesel consumido em um determinado tempo. 
 
Vazão de Ar 
 
A Figura 5 indica com detalhes o sistema responsável de tomada de ar pelo grupo gerador durante a 
operação. A vazão de ar é medida através da queda de pressão em um orifício calibrado, instalado na entrada de 
um reservatório ligado ao coletor de admissão de ar ao motor. O manômetro de coluna d'água indica a pressão 
relativa, ou seja, a diferença entre a pressão externa (pressão atmosférica local) e a pressão no interior do tubo. 
 
Reservatório Orifício Calibrado Coluna d’água 
Figura 5 - Sistema de Medição da Vazão de Ar 
 
Vazão de Água Circulando 
 
A Figura 6 mostra o aparelho conhecido como rotâmetro, utilizado para medir a vazão de água que 
circula através do motor e do radiador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 - Medidor da Vazão de Circulação de Água do Motor 
 
 
 
Água que circula pelo 
radiador e pelo motor 
1 2 3 
O rotâmetro, Figura 6, está 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 (l/min). 
 
Temperaturas 
 
A Figura 7 esquematiza o sistema utilizado na medida das temperaturas relevantes do sistema. Pela 
Figura 7 é ainda possível verificar o circuito de água para o radiador, que se dá de cima para baixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7 - Esquema do Sistema de Medida de Temperaturas 
 
Na Figura 7, nota-se três (3) medidores de temperatura conectados a um indicador digital. O primeiro 
PT100 está imerso na saída do radiador, de modo a permitir a medida do valor da temperatura da água que irá 
entrar novamente no motor. O segundo PT100 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 PT100 está instalado na saída dos gases de escapamento (base do cano de escape) para a medida da 
temperatura dos gases que deixam o motor. 
 
3.4. Procedimento para Medida de dados 
 
Para a determinação do balanço energético e análise do Grupo Gerador Diesel é necessário o 
conhecimento dos seguintes dados: 
 
• Temperatura de saída dos gases de escapamento; 
• 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. 
 
As medidas destes parâmetros devem ser realizadas da seguinte forma: 
 
1. Medidas de temperatura: indicador digital; 
2. Vazão de ar na admissão do motor: 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: medida cronometrando o tempo gasto pelo motor para consumir um volume 
calibrado de combustível; 
 
 
�̇� 
c = 
Vol, comb. 
t 
(kg/h) 
Vol = volume de combustível consumido (l) 
q = massa específica do combustível (kg/l) 
 t = tempo de consumo do combustível (h) 
 
Obs.: q =0,8325 kg/l Diesel BS10 (SindPetróleo, 2017) 
4. Vazão dos gases de exaustão:admitida através das vazões de ar e de combustível (conservação de massa); 
5. Vazão de água circulante no radiador: medida por um rotâmetro; 
6. Potência elétrica gerada: medida pelo kilowatímetro instalado no quadro elétrico. 
7. Potência de atrito: determinada de maneira semelhante à da potência gerada, porém com a diferença de que 
o grupo gerador funciona motorizado pela rede elétrica da concessionária de energia 
 
3.5. Dados dos Equipamentos 
 
A) MOTOR: Diesel Mercedez Benz Tipo: OM 352 
 
B) ALTERNADOR: Negrini 
47 KVA N 14010 
Tipo: Brusheless Modelo: 27/21 Trifásico 
Volt Amp 
220/127 157 
380/220 91 
440/254 78 
 
60Hz Classe B 
rpm : 1800 
fases : 3 
cos : 0.8 
T : 80 [C] 
Amp. Exc.: 3 Volt Exc.: 60 
 
3.6. Procedimento de Ensaio 
 
O presente ensaio deve seguir os passos abaixo: 
 
- Partida do motor; 
- Aceleração do motor até rotação nominal (1800 rpm) - verificado com. tacômetro motor; 
- Sincronização da central com a rede da concessionária; 
- Aplicação de carga e espera para estabilização; 
- Medição das grandezas; 
- Cortar combustível - Motorização do alternador e medição para determinar a potência de atrito; 
- Simular duas variações de carga (Potência elétrica gerada - kilowatímetro) pelo acelerador e preencher 
Tabela Dados Lidos; 
- Retirada da central da rede (vide procedimento); 
- Desligamento da central. 
 
3.7. Cálculos 
 
Abaixo, encontram-se calculadas todas as grandezas necessárias para determinação do balanço 
energético: 
 
▪ Consumo de Combustível 
 
 
�̇�𝑐 =
25 × 10−3 × 0,8325
14,18
3600
= 5,284 𝑘𝑔/ℎ 
 
 
▪ Massa específica do ar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ar 
 
 
 
= 
 
 
Pb − h 
R.Tar,amb 
 
 
(kg/m3) 
Pb = pressão barométrica atmosférica local (N/m
2
), sendo 
Pb =  ghHg 
R = 287 (J/kgK) constante do gás 
Ta = temperatura média do ar ambiente (K) 
h = pressão de coluna d'água (N/m
2
) 
Usando 
 Hg =132381 N/m3 e 
 H 2O = 9751 N/m3 
 
𝜌𝑎𝑟 =
(132381 × 0,692) − (9751 × 0,045)
287 × 304
= 1,045 𝑘𝑔/𝑚3 
 
 
▪ Massa de ar admitida 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
�̇�𝑎𝑟 =
𝜋 × 2,025 × 10−3
4
× 0,59 × √2 × 9,785 × 996,0 × 1,045 × 0,045 = 0,028 𝑘𝑔/𝑠 
 
 
 
▪ Massa total descarregada 
 
O valor da massa total será admitido como a soma das vazões mássicas de ar e combustível; 
 
�̇�𝑡 = �̇�𝑐 + �̇�𝑎𝑟 = 5,284 + (0,028 × 3600) = 106,084 𝑘𝑔/ℎ 
 
 
 
 
 
▪ Eficiência Elétrica 
 
Calculada em função da corrente (A) medida e da eficiência do gerador por meio do Gráfico 1 
fornecido abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Grafico 1 – rendimento x corrente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Interpolando no gráfico para uma corrente 𝐼 = 33,2 A , temos uma eficiência 𝜂𝑒𝑙 de aproximadamente 
76%. 
 
 
 
▪ Potência de Eixo 
 
 
𝑃𝑒𝑖𝑥𝑜 =
10
0,76
= 13,158 𝑘𝑊 
 
 
 
 
▪ Potência disponível pelo combustível 
 
 
 
 
 
 
 
𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏 =
5,284
3600
× 43000 = 63,114 𝑘𝑊 
 
 
 
▪ Potência perdida no Motor 
 
 
𝑃𝑝𝑚 = 63,114 − 13,158 = 49,956 𝑘𝑊 
 
 
 
 
 
 
 
Peixo = Pel  ger (kW) 
Pel = potência elétrica do gerador (kW) 
 ger 
= rendimento do gerador (%) 
Pcomb = potência do combustível (kW) 
Peixo = potência de eixo (kW) 
P pm = Pcomb − Peixo (kW) 
 
▪ Potência perdida no sistema de refrigeração do Motor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
𝑃𝑝𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 = 0,000583333 × 996,0 × 4,179 × (334 − 325) = 21,852 𝑘𝑊 
 
 
▪ Potência perdida no sistema de escape do Motor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
𝑃𝑝,𝑒𝑠𝑐 = 0,02946777778 × 1,0732 × 146 = 4,617 kW 
 
 
▪ Potência perdida no atrito do Motor 
 
Obtida através da motorização do gerador, cortando o consumo de combustível. 
 
 
 
 
Obtemos 𝜂𝑒𝑙.𝑎𝑡𝑟 ≅ 82% interpolando no Gráfico 1 para uma corrente 𝐼𝑎𝑡𝑟 = 44,9 𝐴 
 
𝑃𝑎𝑡𝑟 = 0,82 × 18 = 14,760 𝑘𝑊 
 
▪ Potência restante perdida do Motor (perdas não computadas) 
 
 
 
 
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑡 = 49,956 − 21,852 − 4,617 − 14,76 = 8,727 𝑘𝑊 
 
 
Todos os resultados acima obtidos são referentes aos dados do Instrumento 1. Para o Instrumento 2, 
deve-se repetir os mesmos cálculos, alterando-se apenas os valores, que são fornecidos na Tabela 2. 
 
 
 
 
 
 
3.8. Dados e Leitura 
 
TABELA 1 – VALORES OBTIDOS EXPERIMENTALMENTE NO ENSAIO DA CENTRAL DIESEL 
Parametro 
Unidade 
t 
(s) 
Vol,comb 
(ml) 
Pel 
(kW) 
ηel 
(%) 
I 
(A) 
�̇�á𝑔𝑢𝑎 
(l/min) 
Tent 
(ºC) 
Tsai 
(ºC) 
Tescap 
(ºC) 
Δh 
(mmH2O) 
Instrumento Cronôm. Frasco 
Graduado 
Wattím. Gráfico Amper. Rotâm. PT100 PT100 Pt100 Manôm. 
em “U” 
01 14,18 25 10 76 33,2 35 52 61 243 45 
02 10,84 25 23 87 69,5 35 56 66 337 46 
Iatr = 44,9 A ηel.atr = 82% Pel.atr = 18 kW 
 
Condições do ensaio: Local: Laboratório de Máquinas Térmicas - UNIFEI 
 
 inicial final 
Pressão Barométrica (mmHg) 692 691 
Umidade Relativa (%) 47 46 
Temperatura Ambiente (ºC) 31 31 
 
 
 
 
TABELA 2 – RESUMO DAS GRANDEZAS CALCULADAS NO ENSAIO DA CENTRAL DIESEL 
Parâmetro Pelet Peixo Pcomb Ppm Pprefrig Ppescap Ppatrito Pprestante 
Instrumento (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) 
01 10 13,158 63,114 49,956 21,852 4,617 14,760 8,727 
02 23 26,437 82,559 56,122 24,280 5,015 14,760 12,067 
 
 
 
4. Conclusão 
 
Após todos os dados e informações apresentados neste relatório, algumas considerações podem ser 
feitas a respeito do tema, sobretudo em relação ao grande conhecimento adquirido no que se refere ao 
funcionamento de um sistema da Central Diesel e os diagramas de Sankey, seja desde sua montagem, até o 
cálculo do balanço energético e suas respectivas representações. Inicialmente, o ensaio consistiu em colocar em 
funcionamento a central diesel, para possibilitar o estudo do seu balanço energético. Após todo o procedimento 
descrito nos Materiais e Métodos deste relatório, pode-se determinar os valores das potências necessárias na 
montagem do Diagrama Sankey, as quais são, por sua vez, fundamentais para o balanço energético do 
funcionamento de um motor diesel. 
Os Diagramas Sankey obtidos foram capazes de mostrar as perdas geradas no funcionamento do 
sistema em estudo e, consequentemente, sua rentabilidade e eficiência, com a vantagem de ainda permitir 
observar em quais setores a máquina possui maiores perdas, possibilitando ter seu rendimento melhorado após 
a análise e solução das possíveis causas. Assim, em ambos os Diagramas Sankey das medições dos 
Instrumentos 1 e 2, as maiores porcentagens de perdas se verificaram no atrito e no sistema de refrigeração do 
motor, sendo mais acentuadas no diagrama do instrumento 1, assim como as perdas do gerador nele ocorridas. 
O Diagrama do Instrumento 2, por sua vez, foi o que teve uma maior porcentagem de Potência Elétrica 
gerada (27,86%), quando comparado ao do Instrumento 1, (15,84%). Dessa forma, de um modo geral, este 
diagrama é o que possui uma melhor eficiência, quando variada a potência elétrica gerada. 
O Diagrama Sankey tanto discuto acima é uma ferramenta muito útil para representar os fluxos de 
entrada e saída de energia de qualquer equipamento ou sistema, como caldeiras, motores, aquecedores ou 
fornos, após realização do balanço energético. A análise dos fluxos de energia examina o consumo de energia 
de um sistema, processo ou instalação, que tem como finalidade determinar as formas de energia utilizadas; 
analisar a utilização da energia; verificar os dados atuais; investigar as práticas e procedimentos operacionais e 
identificar áreas de perdas e desperdícios de energia, permitindo, a partir disso, o desenvolvimento de possíveis 
medidas para reduzir o consumo de energia e melhorar o rendimento. Dessa forma, o uso de diagramas de 
Sankey em sistemas termodinâmicos, além de fundamental, se torna imprescindível. 
 
 
 
A seguir tem-se três exemplos de diagramas de Sankey, utilizados para descreveros fluxos de energia 
de uma placa solar, uma siderurgica e de um industria de dessalinização da água do mar. 
 
 
 
Placa solar: Siderurgica: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Industria de dessalinização: 
 
 
 
 
5. Bibliografia 
 
 
• Eng. José Claúdio Pereira, MOTORES E GERADORES, Princípios de funcionamento, Instalação, 
Operação e Manutenção de grupos Diesel Geradores. Disponível em: 
http://www.mecanica.ufrgs.br/mmotor/apostila.pdf. Acesso: 28/08/2016. 
• Importância do Diagram Sankey. Disponível em:<professorbarbieri.net/Lista%204%20% 
205%20e%206%20resolvida.docx>. Acesso em: 14/04/2019. 
• Lucilene de Oliveira Rodrigues, Guia 1° Ensaio: Balanço Energético da Central Diesel. UNIFEI, IEM.
http://www.mecanica.ufrgs.br/mmotor/apostila.pdf