Relatório 001 - Central Diesel - EME606P PDF

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Relatorio do laboratorio da central do motor diesel....

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Instituto de Engenharia Mecânica

Ensaio nº 01: BALANÇO ENERGÉTICO DE UMA CENTRAL DIESEL

Disciplina: EME606P Curso: Engenharia Mecânica Aluno: Heliézer Renó Silva Leonardo Lopes Matrícula: 2016018627 2016002556 Professor: Fagner Luis Goulart Dias Turma: 03 Data e Hora do Ensaio: 20/08 - 13h30 às 15h45

Itajubá, (31/08/2018) 1

Sumário 1-

Introdução ........................................................................................................................................3

2-

Objetivos: .........................................................................................................................................4

3-

Métodos ...........................................................................................................................................5

4-

Equipamentos ..................................................................................................................................7

5-

Conclusão .........................................................................................................................................8 5.1- Perdas durante o processo ...........................................................................................................8 5.2 Diagramas Sankey ..........................................................................................................................9 5.3 Análise dos valores obtidos ......................................................................................................... 10

6-

Referências Bibliográficas ............................................................................................................. 11

7-

Anexos ........................................................................................................................................... 11

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1- Introdução Através da necessidade de evolução da sociedade, se fez necessário o acesso à energia elétrica em todo e qualquer lugar, sendo ela utilizada tanto na indústria e universidades para o desenvolvimento da sociedade como um todo, quanto no consumo residencial e de propriedades rurais para suprir as necessidades do indivíduo. Porém pelas dificuldades de se levar energia elétrica a lugares remotos ou até mesmo pelas falhas de abastecimento de uma linha de rede elétrica, é recorrente a discussão de como gerar energia elétrica de forma autônoma. Sendo assim um gerador que tem como fonte de energia um motor a diesel, supre essa necessidade. Prático e fácil de operar e instalar, a central diesel atende muito bem desde um fazendeiro em uma localidade remota, quanto um empresário com necessidade de abastecimento elétrico ininterrupto em sua empresa. Tendo como princípio de funcionamento primeiramente a conversão de energia térmica (ciclo Diesel, neste caso) em energia mecânica para posteriormente convertê-la em energia elétrica, sendo que a central diesel apresenta perdas ao decorrer de todo este processo. Através dessas perdas, podemos obter o seu balanço energético, assim identificar onde ocorrem as maiores perdas e aprimorar o rendimento do conjunto, estabelecendo uma melhor eficiência do gerador a diesel.

Figura 1. Gráfico PxV representando o ciclo Diesel, sendo que abaixo do eixo X vemos o deslocamento do pistão dentro do cilindro.

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2- Objetivos:  Obter conhecimentos gerais sobre geração de energia elétrica através de um gerador movido por uma central Diesel;  Fazer o balanço de energia de uma central geradora de energia elétrica movida a diesel, sendo que estes dados provenientes do balanço de energia;  Representar em forma de diagrama Sankey as distribuições das perdas ao decorrer do processo de geração de energia elétrica.  Analisar as perdas durante o processo, suas causa e implicações;

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3- Métodos Para a correta realização do experimento e assim minimizar os erros contidos nas suas etapas, foi realizado os seguintes procedimentos: 1) Checar o equipamento para averiguar tanto a integridade da máquina quanto se todos os seus dispositivos de medição estão corretamente prontos para operar 2) Acionar a partida do motor, verificar se o reostato (R1) está zerado e ao entrar em funcionamento, esperar alguns minutos para o correto aquecimento do mesmo. Posteriormente por meio de uma rosca sem fim ligada à bomba injetora (acelerador), ajustar a rotação para 1800rpm (verificando pelo tacômetro). 3) No quadro elétrico ligar a chave geral (CH1), ligar o quadro do consumo de combustível e medições de temperatura (S1), ligar a excitação (S2), ligar a coluna sincronizante (S3). 4) Verificando no quadro de sincronismo, ajustar o reostato (R1) para 220 v (voltímetro V2), ajustar a frequência (frequêncimetro F2) pelo acelerador do motor para 60hz, então para fechar o disjuntor (GD2) é necessário observar o ponteiro na seta vermelha (sincronoscópio) ou as luzes apagadas (fogo girante), feito isto seu sistema está apto para ser colocado em paralelo com a rede. 5) Ajustar pelo acelerador, verificando pelo kilowatímetro a nova rotação compatível com a geração de 15kw, simulando a primeira carga no motor e esperar a estabilização. 6) Coletar os seguintes dados: a. Temperatura de saída dos gases (Indicador digital) b. Temperatura ambiente c. Temperatura de entrada do radiador (Indicador digital) d. Temperatura de saída do radiador (Indicador digital) e. Diferença de pressão na admissão (Manômetro de água) f. Volume e tempo de consumo de combustível – deve-se cronometrar o tempo gasto para se consumir um volume calibrado (Medidor de vazão de combustível) g. Vazão de água circulando no radiador (Rotâmetro) h. Potência elétrica (Kilowatímetro) 7) Reajustar pelo acelerador uma nova rotação compatível com a geração de 33kw, simulando a segunda carga no motor e esperar a estabilização. 8) Coletar os mesmos dados do item 6. 9) Desacelerar para reduzir a potência gerada até zero e cortar a alimentação de combustível, coletando pelo wattímetro o valor correspondente da potência de atrito, logo em seguida realimentar o motor. 10) Zerar o reostato (R1), abrir o disjuntor (GD2), desligar a coluna sincronizante (S4), desligar a excitação (S2), desligar o quadro do consumo de combustível e medições de temperatura (S1), desligar a chave geral (CH1) e reduzir a rotação do motor para 900 rpm, logo em seguida desligar a central diesel.

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Ao final do experimento, anotando os dados obtidos, gerou-se a seguinte tabela:

Figura 2. Dados obtidos no experimento.

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4- Equipamentos

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Figura 3. Diagrama ilustrativo dos equipamentos utilizados durante a prática.

Para o sistema como um todo funcionar, são necessários os equipamentos listados acima, sendo que: 1: Sistema de admissão do ar: é necessário que uma massa de ar seja admitida pelo sistema para que depois de misturado ao combustível possa ocorrer a queima da mesma, e com essa queima aconteça a explosão para que haja o movimento nos cilindros. 2: Sistema de injeção de combustível: a bomba é encarregada bombear o fluido combustível pelo duto de injeção para que misturado ao ar na câmara de combustão, ocorra a explosão. 3: Sistema de lubrificação: crucial para que o sistema trabalhe da melhor forma possível, reduzindo a perda de energia por possíveis atritos, principalmente do pistão com a parede do cilindro. 4: Sistema de arrefecimento: tem a função de manter o conjunto em uma temperatura ideal para o trabalho, não deixando o mesmo superaquecer causando danos ou mau funcionamento. 5: Sistema de escape: por onde os gases da queima são exauridos, de forma que não atrapalhe muito no escoamento do fluxo de ar. 6: Quadro de monitoramento de tensão e regulador: para que o gerador elétrico esteja em sincronia com a rede elétrica, há a necessidade de regular o funcionamento do motor em relação ao gerador, deste modo o quadro é utilizado com esse intuito, para obter informações para sincronizar o conjunto. 7: Gerador/ alternador: é a parte do equipamento que irá transformar o trabalho de eixo gerado pela combustão do motor diesel em energia elétrica, que posteriormente será distribuída na rede elétrica.

Qc

Weixo

Motor

Welét.

Gerador

Figura 4. Esquemático do sentido do fluxo da transformação da energia.

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5- Conclusão 5.1- Perdas durante o processo: Utilizando o software Excel, obtivemos a seguinte tabela e o seguinte gráfico:

CARGA 01 Combustão Arrefecimento Escape Atrito Restante Gerador Perdas P. elétrica

(kW) 71,6 21,9 17,2 10,0 5,8 16,7 1,7 15,0

CARGA 02

(%) 100,0 30,5 24,1 13,9 8,2 23,3 2,3 21,0

(kW) 110,2 34,0 28,2 10,0 1,8 36,3 3,3 33,0

Combustão Arrefecimento Escape Atrito Restante Gerador Perdas P. elétrica

(%) 100,0 30,8 25,6 9,0 1,6 32,9 3,0 29,9

Figura 5. Tabela dos valores das perdas na carga 01 e na carga 02.

Potência em kW

Análise dos valores em kW 150,0 100,0

110,2 71,6

50,0

36,3

21,9 34,0

17,2 28,2

10,0 10,0

5,8 1,8

21,9

17,2

10,0

5,8

16,7

Escape

Atrito

Restante

Gerador

16,7

15,0

1,7 3,3

33,0

0,0 71,6

Combustão Arrefecimento

1,7

15,0

Perdas

P. elétrica

Tipos de perda Carga 01

Carga 02

Figura 6. Gráfico da comparação do valor de cada perda durante o processo com valores em kW.

Análise dos valores em % Potência em %

120,0

100,0100,0

100,0 80,0 60,0 30,5 30,8

40,0

24,1 25,6

20,0

13,9 9,0

23,3 8,2

32,9 21,0

29,9

2,3 3,0

1,6

0,0 110,2

34,0

28,2

CombustãoArrefecimento Escape

10,0

1,8

Atrito Restante Tipos de perda Carga 01

36,3

3,3

33,0

Gerador

Perdas

P. elétrica

Carga 02

Figura 7. Gráfico da comparação do valor de cada perda durante o processo com valores em %.

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5.2 Diagramas Sankey Os diagramas de Sankey são mais uma valiosa ferramenta que se apresenta para a análise dos valores obtidos mostram os fluxos e suas quantidades em proporção um ao outro. A largura das setas ou linhas é usada para mostrar suas magnitudes, portanto, quanto maior a flecha, maior a quantidade de fluxo. As setas ou linhas de fluxo podem ser combinadas ou divididas através de suas trajetórias em cada estágio de um processo. A cor pode ser usada para dividir o diagrama em diferentes categorias ou para mostrar a transição de um estado de processo para outro. Normalmente, os gráficos Sankey são usados para mostrar visualmente a transferência de energia, dinheiro ou materiais, mas podem ser usados para mostrar o fluxo de qualquer processo isolado do sistema. Exemplos de diagrama Sankey:

Figura 8. Diagrama Sankey representando as virtudes do ano de 2016. Fonte: http://www.sankey-diagrams.com/tag/fun/

Figura 9. Diagrama Sankey representando a migração entre os continentes. Fonte: http://www.sankeydiagrams.com/category/history/

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Figura 10. Diagrama Sankey representando a divisão monetária de taxas. Fonte: https://arscommunicare.wordpress.com/

5.3 Análise dos valores obtidos Com a ajuda dos gráficos e do diagrama Sankey (anexo) pode-se observar que em proporção (%) [fig. 6], mesmo alterando a potência gerada durante o processo, tanto na carga 01 quanto na carga 02, os valores quase se mantiveram, ou seja, o sistema se comportou aproximadamente da mesma forma quando colocado em duas situações diferentes, isso ajuda a estabelecer um padrão e sendo assim, facilita-se a compreensão do processo de geração de energia via termelétrica como um todo. Dos valores, infere-se que a maior perda se dá na questão do arrefecimento, isso porque o motor, sendo uma máquina térmica necessita de uma fonte fria para manter o regime permanente de trabalho, ou seja, até que haja o equilíbrio, para assim estar gerando a potência de eixo que irá transformar a energia térmica em mecânica e, por conseguinte em elétrica. Vêse também que somente de 20 a 30% da energia do sistema consegue se transformar em energia elétrica, isso demonstra que este tipo de geração de energia elétrica não é um dos mais eficientes, porém é muito útil, pela facilidade de acesso nos ambientes mais remotos e hostis.

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6- Referências Bibliográficas MORAN, Michael J. et al. Fundamentals of engineering thermodynamics. John Wiley & Sons, 2010. SOUNDARARAJAN, Kamal; HO, Hiang Kwee; SU, Bin. Sankey diagram framework for energy and exergy flows. Applied energy, v. 136, p. 1035-1042, 2014.

7- Anexos  Diagrama Sankey os fluxos e as transferências de energia no experimento;  Cálculos.

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