4º ENSAIO - BALANÇO ENERGÉTICO E EXERGÉTICO DA CENTRAL DIESEL

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Termodinâmica – Professor Vladimir 
 
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UNIVERSIDADE FEDERALDE ITAJUBÁ 
Instituto de Engenharia Mecânica 
Ensaio de Laboratório de EME 28 - TERMODINÂMICA 
 
4º ENSAIO - BALANÇO ENERGÉTICO E EXERGÉTICO DA 
CENTRAL DIESEL 
 
 
1 – OBJETIVO 
 
Fazer o balanço energético 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 por sistemas de 
medição direta, fez-se necessário ligar que as bobinas de corrente através de 
Transformadores de Corrente (CT’s). Já as medição de tensão dos watímetros é ligada 
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 enchido acima da marca superior 
(inicial) volume. 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 medição 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) sensores de temperatura 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 esfriada mais densa do que a água quente se encontra no fundo 
do radiador de donde é bombeada de volta para o motor. 
 
2.2- Procedimento de 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. 
 
 
 
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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 transdutor 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. 
4. Vazão dos gases de exaustão que saem do motor que é obtida somando as vazões 
de ar e de combustível (conservação de massa, considerando escoamento em 
regime permanente através do motor). 
5. Vazão de água circulante no radiador, 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 
diferençaque a máquina elétrica funciona como motor e não como gerador. 
 
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 
cos : 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, Tamb, Tea, Tsa, Tesc, tcom, h, mA, Vcomb, e d 
- Motorização do alternador e medição de V e I 
- 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 (). 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) 
cosiv3Wel =
 (1) 
onde: v = tensão [V] 
 i = corrente [A] 
 W el = potência elétrica [kW] 
 cos = fator de potência 
 
Potência Mecânica 
alt
el
m
W
W

=

 (2) 
onde: W m = potência mecânica [kW] 
 W el = potência elétrica [W] 
 alt = rendimento alternador 
(ver gráfico em anexo) 
 
Potência Elétrica (Motorização) 
=− cosi.v.3W motel
 (3) 
onde: W el-mot = potência elétrica motor [kW] 
 v = tensão [V] 
 i = corrente [A] 
 cos = fator de potência 
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Potência de Atrito do motor 
altmotelmatr *WW = −−
 
(4) 
onde: W atr-m = potência de atrito motor[kW] 
 W el-mot = potência elétrica motor [kW] 
 alt = rendimento alternador 
 
Potência de Atrito do Gerador 
matrmotelgatr WWW −−− −=
 (5) 
onde: W atr-g = potência de atrito gerador[kW] 
 W el-mot = potência elétrica motor [kW] 
 alt = rendimento alternador 
 
Vazão em Massa de Combustível 
t
V
m c

= 
(6) 
onde: cm = vazão em massa de combustível 
[kg/s] 
  = massa específica do combustível = 833 
[kg/m3] 
 v = volume de combustível [m3] 
 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 = calor específico médio dos gases à pressão constante (ver página 17) 
 Tesc = Temperatura dos gases de escape [C] 
 Tamb = 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 = calor específico da água [kJ/kg.C] 
 Ts = Temperatura de saída da água [C] 
 Te = Temperatura de entrada da água [C] 
 
Vazão de Ar Admitido no Motor 
ar
águaágua
2
ar
h.g.2
C
4
d
m


= 
 
 
(11) 
onde: d = diâmetro do furo [m] 
 C = constante do orifício = 0,59 
 g = gravidade local [m/s2] 
 
águah = diferença de pressão [m] 
 ar = densidade do ar [kg/m3] 
 
Densidade do Ar 
T.R
patm
ar = 
 
 (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 moto 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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 Wel 32 kW 
2 Wel-mot 17 kW 
3 V 218 V 
4 Vel-mot 218 V 
5 i 46,5 A 
6 iel-mot 92, 93, 97, 101, 104 A 
7 Tamb 24 C 
8 Te 63 C 
9 Ts 72 C 
10 Tesc 390 C 
11 V agua 33,6 1/min 
12 hágua 300-13 mm H20 
13 t 24 seg 
14 V 75 ml 
15 patm 694 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 PCI 42.886,8 kJ/kg 
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A Tabela 3 expõe todos os valores calculados. 
Tabela 3 
 Grandeza ValorUnidade 
1 Wel kW 
2 Wm kW 
3 Wel-mot kW 
4 Watr-m kW 
5 Watr-g kW 
5 mc kg/s 
6 Qc kW 
7 mar kg/s 
8 mg kg/s 
9 Qg kW 
10 QA kW 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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6 – DIAGRAMA 
 
Deverá ser feito, para a central diesel, o diagrama de Sankey como mostra a 
Figuras 8. Indicando as transferências de energia em escala (por exemplo, em papel 
milimetrado). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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=
3
3
2
210 IIIalt 
 
Para corrente entre 23 a 159 A 
 
 
 
C0 84.9637 
C1 -2.69854 
C2 0.206562 
C3 -0.00761624 
C4 0.000172372 
C5 -2.56007E-006 
C6 2.54863E-008 
C7 -1.68917E-010 
C8 7.16293E-013 
C9 -1.75966E-015 
C10 1.9049E-018 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR NEGRINI MOD. ATE 60 KVA
RENDIMENTO ELÉTRICO - AMPERAGEM
TENSÃO: 220 V
COS Y: 0,8
60
65
70
75
80
85
90
95
20 40 60 80 100 120 140 160
I (A)
R
e
n
d
im
e
n
to
 (
%
)
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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
3
2
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+1
f
+c=c  (J/kg K) 
 
onde 
ar
comb
m
m
f


= 
 ....+TPC+TPCT+PC+PC=
3
3
2
210TCp, 
 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