Balanço Energético v4

Introdução

O experimento do balanço energético da central Diesel retrata uma pequena usina dieselétrica que produz energia a partir da combustão. O motor diesel é abastecido, e a potência de eixo do motor é transformada em potência elétrica, lida no quadro elétrico. O ensaio, realizado no Laboratório de Máquinas Térmicas da UNIFEI, tem como componentes principais: o quadro elétrico (responsável pela sincronização entre a central dieselétrica e a concessionária de energia, além das medidas de potência, corrente e tensão), o gerador e o motor à diesel.

Diversos valores devem ser lidos no sistema para que os cálculos sejam corretamente feitos, tais como as temperaturas em várias partes do sistema, o consumo de combustível, a massa de ar admitida, a eficiência elétrica, entre outros, que serão posteriormente detalhados neste relatório.

Apesar de a produção de energia ser baixa, é importante enaltecer que o processo estudado vale tanto para motores relativamente pequenos, como o presente no laboratório, quanto para motores e geradores de tamanhos extremamente grandes, capazes de produzir energia em quantidades maiores. Centrais movidas à combustíveis fósseis são altamente poluentes, por isso é necessário um estudo dos gases de escape para detalhar o processo da combustão, assim como um combustível que seja melhor aproveitado.

No país, esse tipo de central é utilizado em locais de difícil acesso das redes de transmissão de energia elétrica, sendo a área de maior destaque a da floresta amazônica.

Objetivos

        O ensaio tem por objetivo fazer o balanço energético da central, e apresentar os resultados obtidos na forma do diagrama de Sankey. O diagrama de Sankey é um tipo de diagrama de fluxo onde a largura das setas é proporcional a quantidade de fluxo. A maior parte dos diagramas de fluxo são relacionados à fluxo de energia. Objetivos secundários também são os de instruir os alunos à como fazer o motor funcionar de forma adequada, e como sincronizar a central à rede elétrica.

Materiais e métodos

        O motor utilizado é Diesel Mercedes Benz, tipo OM 352, e o alternador Negrini, 47 KVA, N 14010, tipo Brusheless, modelo 27/21, trifásico.

        O quadro elétrico permite a obtenção de várias grandezas elétricas, como a potência, a corrente e a tensão, medidas, respectivamente por um kilowatímetro, um amperímetro (tipo alicate) e um voltímetro. A potência de atrito é determinada invertendo-se o processo para leitura de potência gerada, ou seja, a máquina elétrica funcionando como motor e não como alternador.

        A massa de combustível é medida a partir do volume do mesmo, e a vazão. Durante o processo, o motor é alimentado continuamente pelo tanque de combustível. Porém, quando uma botoeira de comando é acionada, a alimentação de combustível passa a ser feita por um medidor, onde sabe-se o volume entre duas marcas de volume de diesel consecutivas. Em posse de um cronômetro, mede-se o tempo gasto para o medidor ser esvaziado entre as marcas consecutivas. Depois, a alimentação volta a ser feita pelo tanque normalmente.

        A vazão de ar é feita a partir da queda de pressão em um orifício calibrado, onde um manômetro indica a pressão relativa no reservatório. Um rotâmetro mede a vazão de água no motor e no radiador, estando localizado na entrada do motor, onde a água já está resfriada. A vazão dos gases de escape é sabida pela lei da conservação da massa (vazões de ar e combustível).

        Os medidores de temperatura estão localizados na saída do radiador, onde a temperatura medida é da água que entra novamente no motor, na saída de água do motor, onde a temperatura medida é a da água que deve ser resfriada, e na saída dos gases de escape, para medida da temperatura dos mesmos.

        O ensaio consiste em ligar o motor e então acelerá-lo até a rotação de 1800 rpm (medida através de um tacômetro). Sincroniza-se a central com a rede da concessionária, e aí espera-se a estabilização. As medidas são feitas, e a alimentação de combustível é cortada (para motorizar o alternador e determinar a potência de atrito). Varia-se a carga do motor, e então retirar a central da rede e desligar a central. Há instruções para dar partida no motor, sendo que as mais importantes são verificar os níveis de óleo, verificar se o quadro de comando está ligado, desligar a chave de interrupção da “cebolinha” do óleo, ligar a chave de ignição, deixar o motor “esquentar” a uma rotação menor, e acelerar o motor até a rotação de trabalho.

        Os procedimentos para colocar a central em paralelo com a concessionária são complexos, e envolvem um procedimento muito detalhado junto ao quadro elétrico. Sem muitos detalhes, que não são o foco deste relatório, é importante que os sistemas tenham mesma tensão, mesma frequência e mesmo ângulo de fase.  

Dados medidos:

Grandezas (unidade)	Medição 1	Medição 2
Tempo (s)	12,75	9,31
Volume de comb. (ml)	25	25
Potência eletr. (kW)	15	26
Corrente (A)	45	70
Vazão de água (l/min)	34	34
Temperatura de entr. (ºC)	55	63
Temperatura de saí. (ºC)	48	54
Temperatura de esc. (ºC)	138	220
Pressão (mmH20)	202	195

                

Corrente atr. = 60 A

Potência eletr. = 23 kW

Temperatura amb. = 23 ºC

Pressão média = 699 mmHg

Formulação utilizada:

Consumo de combustível:  

ṁ =  (kg/h)[pic 1]

Onde V é o volume consumido (l),  é a massa específica (kg/l), e t é o tempo de consumo do combustível (h).  = 0,853 (kg/l);[pic 2][pic 3]

Massa específica do ar:

 ar =    (kg/m³)[pic 4][pic 5]

Onde Pb é a pressão barométrica local (N/m²), R = 287 (J/kgK), Ta é a temperatura ambiente em K,  = pressão de coluna d’água (N/m²).  N/m³ e  N/m³ar;[pic 6][pic 7][pic 8]