Trabalho Completo Balanço Energético E Exergético Da Central Diesel

TrabalhENSAIO - BALANÇO ENERGÉTICO E EXERGÉTICO DE UM MCI

1 – OBJETIVO

Fazer o balanço energético e exergético de um MCI, apresentando os seus fluxos na forma de diagrama.

2 – DESCRIÇÃO

Figura 1: Fluxo Básico no MCI

Nota: Não considerar o calor cedido ao ar e óleo

2.1 – Instrumentação

Massa de Combustível

Sistema utilizado para a medida do consumo de combustível pelo motor.

Figura 2: Medidor de Vazão de Combustível

Vazão de Ar

A maneira utilizada para medir-se a massa de ar aspirada pelo motor durante a sua operação.

Reservatório Orifício Calibrado Coluna D’Água

Figura 3: Sistema de Medição da Vazão de Ar

A vazão de ar é medido 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 4 mostra o aparelho utilizado para medir a vazão de água que circula através do motor e do radiador.

Figura 4: 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 (L/min).

Temperaturas

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

Figura 5: 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 5 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 de Medida de dados

Para a análise do MCI 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 escapamento saindo do motor

- Vazão de água circulando pelo radiador

Recomendações

1. A água de entrada ao motor deve ser superior aos 30 oC e a de saída inferior aos 80 oC

2. A temperatura dos gases de escapamento deve oscilar dos 300 - 700 oC

3. O fluxo de água tomá-lo pela capacidade do sistema de refrigeração em um minuto

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 medido 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 medido por um rotâmetro instalado no motor.

2.3 - Dados dos Equipamentos

A) MOTOR

Motor _________________

Tipo __________________

3 - PROCEDIMENTOS DE ENSAIO

O ensaio segue os passos abaixo:

- Partida do motor

- Aceleração do motor até rotação nominal (1800 rpm)

- Esperar até a temperatura de trabalho

- Medição de os parâmetros

- Apagado do motor

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

- Deixar o motor funcionar 3 min em marcha lenta. (800 rpm)

- Acelerar até atingir a rotação de trabalho, ou seja, 1800 rpm

4 – CÁLCULO

4.1-Balanço Energético

Vazão em Massa de Combustível

(1) onde: = vazão em massa de combustível [kg/s]

 = massa específica do combustível [kg/m3]

v = volume de combustível [m3]

t = tempo de escoamento [s]

Calor Liberado pelo Combustível

(2) onde: c = Calor Liberado Pelo combustível [kW]

= vazão em massa de combustível [kg/s]

PCI = poder calorífico inferior [kJ/kg]

Perda de Calor pelos Gases de Escapamento

(3)

onde: g = calor dos gases [kJ/s]

g = vazão em massa dos gases [kg/s]

p = calor específico à pressão constante médio dos gases [kJ/kg.C]

Tesc = Temperatura de escoamento [C]

Tamb = Temperatura ambiente [C]

Vazão dos Gases

(4) onde: = vazão dos gases [kg/s]

ar = vazão de ar [kg/s]

comb = vazão de combustível [kg/s]

Vazão de Ar Admitido no Motor

(6) onde: d = diâmetro do furo [m]

C = constante do orifício = 0,59

g = gravidade local [m/s2]

= diferença de pressão [m]

ar = densidade do ar [kg/m3]

O fluxo de ar se pode determinar da forma seguinte: assumindo uma combustão completa, calcula-se o ar teórico para queimar um kg de combustível e se multiplica por 1.1 como coeficiente de excesso de ar para obter o real. O fluxo de ar teórico se expressa em , que para as condições reais com temperatura ambiente se multiplica por e logo multiplicado pelo fluxo de combustível que entra em motor dá o fluxo de ar em , se multiplicar pela densidade de ar então fica expresso em , ou seja:

Voar (cond. Real) = Voa *

*

Densidade do Ar

(7) onde: patm = pressão atmosférica local [N/m2]

T = temperatura [K]

R = 287 J/kg K

Calor Perdido no Radiador

(5) onde: A = calor no radiador [kW]

A = vazão de água no radiador [kg/s]

A = calor específico da água [kJ/kg.C]

Ts = Temperatura de saída da água [C]

Te = Temperatura de entrada da água [C]

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

onde: p = perdas de energia no motor diesel

c = calor liberado pelo combustível

g = calor dos gases de escapamento

A = calor da água de arrefecimento

4.2 -Balanço Exergético (na base do trabalho disponível)

Exergia Associada ao Calor do Combustível

onde: = massa de combustível [kg/s]

PCI= poder calorífico Inferior [kJ/kg]

Exergia Associada ao Fluxo de Massa

onde: Exf = exergia do fluxo de massa [kW]

= vazão em massa [kg/s] (água, gases)

ho = entalpia na T0 e p0 em [kJ/kg]

To = Temperatura Referencia (298 K)

so = entropia na T0 e p0 em [kJ/kg K]

h = entalpia [kJ/kg]

s = entropia [kJ/kg K]

5 – TABELAS DE VALORES CALCULADOS

A tabela 1 deve ser preenchida com os valores para os cálculos.

Tabela 1

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 kJ/kg

A Tabela 2 expõe todos os valores calculados, tanto para análise energética quanto para a análise exergética.

Tabela 2

Grandeza Valor Unidade

1 mc kg/s

2 Qc kW

3 mar kg/s

4 mg kg/s

5 Qg kW

6 QA kW

7 Exf-agua e kW

8 Exf-agua s kW

9 Exf-ar kW

10 Excomb kW

CALOR ESPECÍFICO A PRESSÃO CONSTANTE

1. O calor específico do ar seco na temperatura T, (K), é dado por:

(J/kg K)

Para temperatura entre 200 a 800 K.

Onde:

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

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

(J/kg K)

onde

Para temperatura entre 200 a 800 K

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

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