A la veille d’une nouvelle conférence sur le climat, les questions environnementales demeurent plus que jamais au premier plan de la vie publique. La lutte contre le réchauffement climatique, et les émissions de gaz à effet de serre, dont l’attribution à l’activité humaine fait globalement l’objet d’un consensus scientifique, constituent l’un des plus grands défis de l’humanité pour les prochaines années. Dans ce contexte, l’amélioration de l’efficacité énergétique des sites de production est une des préoccupations des industriels. Les réglementations environnementales, et les fluctuations des cours de l’énergie les forcent à continuellement améliorer leurs procédés pour en maintenir la compétitivité. Ceux-ci doivent ainsi pouvoir disposer d’outils leur permettant d’effectuer des diagnostics énergétiques sur les installations, leur facilitant la prise de décision et leur permettant d’élaborer des solutions d’efficacité énergétique sur leurs sites industriels. Les travaux présentés dans ce document visent à introduire une méthodologie d’analyse et de rétro-conception pour l’amélioration énergétique des procédés industriels. Cette méthodologie, qui s’appuie sur une utilisation combinée de la méthode du pincement et de l’analyse exergétique, se décompose en trois grandes étapes : la première comprend le recueil des données, la modélisation et la simulation du procédé. La deuxième étape, dédiée à l’analyse du procédé, est elle-même divisée en deux phases. La première, qui s’appuie pour l’essentiel sur l’utilisation de la méthodologie du pincement, s’intéresse uniquement à l’analyse du système de fourniture et de récupération de l’énergie thermique. Si cela s’avère nécessaire, le procédé complet est étudié dans une deuxième phase. L’analyse pincement se limitant à l’étude des procédés thermiques, une méthodologie d’analyse exergétique est mise en œuvre. Cette méthodologie s’appuie sur l’implémentation de l’analyse exergétique dans l’environnement ProSimPlus, entreprise par Ali Ghannadzadeh, et poursuivie pendant cette thèse. Les formules d'exergie ont été affinées pour s’ajuster aux différents modèles thermodynamiques. L’approche d’analyse proposée dans ce manuscrit est basée sur l’utilisation d’une nouvelle représentation graphique des bilans exergétiques : le ternaire exergétique. Ce dernier permet d’illustrer tous les aspects des bilans exergétiques et ainsi d'assister l’ingénieur dans l’analyse du procédé. La troisième étape s’intéresse à la conception pour l’amélioration énergétique. Alors que l’analyse du pincement propose des solutions d’amélioration, l’analyse exergétique ne le permet pas. Elle nécessite l’apport d’une certaine expertise pour aboutir au développement de solutions d’améliorations. Pour pallier ce problème, l’expertise est en partie capitalisée dans un système de raisonnement à partir de cas. Ce système permet de proposer des solutions à des problèmes nouveaux en analysant les similarités avec des problèmes anciens. Cet outil se révèle utile pour définir des solutions locales d’améliorations énergétiques. L’analyse du pincement associée à des outils numériques est ensuite utilisée pour concevoir des propositions complètes d’améliorations. La seconde partie de ce manuscrit présente cette étape. / On the eve of a new conference on climate change, environmental issues remain more than ever at the forefront of public life. Tackling climate change, and reducing greenhouse gases emissions, that are largely attributable to human activity, represents one of the biggest challenges for humanity in the coming years. In such a context, the promotion of best practices to enable an efficient utilization of energy has emerged as one of the major point of focus. High volatility of energy prices and the increasingly stringent environmental regulations have forced industrials to continuously improve their processes in order to cut the energy consumption down and reduce GHG emissions. For this purpose, industrials need tools to perform energy audits on facilities, to ease decision-making and to enable them to develop their energy efficiency solutions on their sites. In this context, the study presented in this dissertation aims at introducing a new systematic procedure for energy diagnosis and retrofit of industrial processes. This methodology presented in this dissertation is divided into three stages: the first involves the data collection, the modeling and simulation of the process. The second stage, dedicated to the analysis of the process, is subdivided into two phases. The first, which is essentially relying on the Pinch methodology, is only concerned with the analysis of the thermal energy supply and recovery system. If necessary, the complete process is studied in the second phase of the analysis. Pinch analysis being limited to the analysis of thermal systems, an exergy analysis methodology is then implemented. This methodology is based on the implementation of the Exergy analysis in the ProSimPlus modelling and simulation environment, undertaken by A. Ghannadzadeh, and pursued in this study. The formulas proposed by Ali Ghannadzadeh have been adjusted to take into account different thermodynamic approaches. A new graphical representation of exergy balances, the exergetic ternary diagram, is also introduced to assist engineers in the analysis process. It enables to illustrate all aspects of exergy balances, i.e. the irreversibility, the exergy losses and the exergy efficiencies of each unit operation. The automation of this new graphical layout was made possible by the implementation of a generic exergy efficiency in the simulator. This analysis paves the way to the third step of the overall methodology dedicated to retrofitting. This methodology is detailed in the first part of this dissertation. While Pinch analysis proposes improvement solutions, the Exergy analysis does not. The key to achieving a significant exergy analysis lies in the engineer’s ability to propose alternatives for reducing thermodynamic imperfections, thus exergy analysis is supposed to be undertaken by an experienced user. To overcome this problem, the expertise is partly capitalized in a case-based reasoning system. This system allows the proposition of solutions to new problems by analyzing the similarities with solved problems. This tool is useful for defining local solutions for energy improvements. The Pinch analysis combined to numerical tools is then used to develop alternatives. This third step is developed in the third part of the manuscript.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-26Bitstream added on 2014-06-13T19:30:00Z : No. of bitstreams: 1 rocha_g_me_ilha.pdf: 2184479 bytes, checksum: 3442824b5f0f3377090625de5e9acd1f (MD5) / Neste trabalho são realizadas análises termodinâmicas, termoeconômicas e econômicas aplicadas a uma usina de açúcar e álcool com processo de extração por difusão, envolvendo desde a configuração inicial de implantação da usina até a expansão para uma planta moderna de potência cujo principal objetivo é a produção de excedente de energia elétrica. São consideradas quatro situações: a configuração inicial da planta, definida como Caso 1, que opera visando gerar energia elétrica apenas para o próprio consumo e, também, vapor para o processo de produção de álcool; na seqüência tem-se a configuração, definida como Caso 2, onde o intuito é produzir o máximo de energia elétrica que o turbogerador pode fornecer e vapor para a produção de álcool e, também açúcar; na configuração seguinte, definida como Caso 3, é adicionada na planta uma turbina de condensação visando um melhor aproveitamento para a geração de energia elétrica; e, por fim, na última configuração, definida como Caso 4, é adicionada uma nova turbina de extração condensação e uma caldeira de alta pressão, priorizando a geração de energia elétrica / In this work thermodynamic, thermoeconomic and economical analyses were accomplished in a sugar-alcohol factory with extraction process for diffusion, considering the initial configuration implanted until the expansion for a modern power plant whose main objective is the production of electric power surplus. Four situations were considered: the initial configuration of the plant, defined as Case 1, that operates generating electric power just for the own consumption and, also, steam for the alcohol production process; in sequence it was studied the configuration defined as Case 2, where the intention is to produce the maximum of electric power that the turbogenerator can supply and steam for the production of alcohol and, also, sugar; in the following configuration, defined as Case 3, it is added in the plant a condensation turbine for a better use in the electric power generation; and, finally, in the last configuration, defined as Case 4, it is added a new extractioncondensation turbine and a high pressure boiler, prioritizing the electric power generation

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2959972 bytes, checksum: 6060cb1bb9ff1ddc36d963e12be8acd7 (MD5) Previous issue date: 2014-12-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The heat pump is a refrigeration unit with several applications in commercial, industrial and residential sectors. The heat pump is basically constituted of five components: compressor, condenser, expansion device, evaporator and fan. A heat pump was developed herein for air dehumidification and heating at moderate temperatures for drying of thermosensitive products. A thermodynamic model was developed to study the heat pump, based on the Law of Conservation of Mass and First and Second Laws of Thermodynamics. Measurement instruments were installed to obtain the necessary experimental data for the energy and exergy analysis. The experiments took place in different days between the months of May and November of 2014. The experiment that best represented the air dehumidification and heating was selected, due to an adequate isentropic efficiency of 93%. A computational code was developed in the Engineering Equation Solver software 9.0 (ESS 9.0) for the simulation of this study. Results obtained via EES, through solution of the system of equations, were mass flow (air, condensed water), heat transfer rates, COP, entropy generation rates, irreversibility rates, and exergy variation. It was verified that the heat pump system is technically viable and provides very satisfactory results: air was heated to a temperature of 51,7 ºC and dehumidified to a 18,5% relative humidity. / A bomba de calor é uma máquina frigorífica com diversas aplicações nos setores comercial, industrial e residencial. A bomba de calor é constituída basicamente por cinco componentes: compressor, condensador, dispositivo de expansão, evaporador e ventilador. Foi desenvolvida para este trabalho uma bomba de calor cuja finalidade é a desumidificação e o aquecimento do ar a temperaturas moderadas para a secagem de produtos termossensíveis. Para o estudo da bomba de calor em questão, foi desenvolvida uma modelagem termodinâmica baseada na Lei da Conservação da Massa e Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Foram instalados instrumentos de medições para obter experimentalmente os dados necessários para a análise energética e exergética. Os experimentos ocorreram em dias alternados entre os meses de agosto e novembro de 2014. Foi selecionado o experimento que melhor representou os processos de desumificação e aquecimento do ar por apresentar uma eficiência isentrópica adequada de 93%. Desenvolveu-se um código computacional no software Engineering Equation Solver 9.0 (EES 9.0) para a simulação do estudo. Os resultados obtidos via EES, através da solução de um sistema de equações, foram vazão mássica (ar e água condensada), taxas de transferência de calor, COP, taxas de geração de entropia, taxas de irreversibilidades e variação de exergia. Foi verificado que o sistema da bomba de calor é tecnicamente viável e fornece resultados bastante satisfatórios: ar aquecido a temperatura de 51,7ºC e desumidificado a umidade relativa de 18,5%.

L’objet de cette thèse est d’étudier le rôle de l’énergie dans la croissance économique de long terme. Le chapitre 1 décrit les quatre principaux faits de la croissance : la transition de la stagnation au régime soutenu, la Grande Divergence, l'interdépendance entre consommation d'énergie et progrès technique, et la dynamique en cycles imbriqués et hiérarchisés. Les différentes causes lointaines de la croissance (biogéographie, culture, institutions et contingence) sont ensuite étudiées. Le chapitre 2 présente les théories faisant appel à des causes dîtes proches, telles que le progrès technique et l'accumulation de capital physique et humain. La théorie de la croissance unifiée (UGT) est également analysée. Le chapitre 3 présente les lois fondamentales de la thermodynamique et les concepts associés d'exergie et d’entropie. Il est alors démontré que seule la consommation de services exergétiques constitue une cause fondamentale de croissance. Dans le chapitre 4, il est établi que les productions mondiales de pétrole et de gaz (mais pas de charbon) ont déjà dépassées leur taux de retour énergétique (EROI) maximum, si bien que les productions conventionnelles futures se feront avec un EROI décroissant. Le chapitre 5 démontre que les besoins plus importants en métaux des technologies renouvelables pourraient constituer un frein à la bonne faisabilité de la transition énergétique. Le chapitre 6 montre que la contrainte d’énergie nette se matérialise dans le court terme par le biais des dépenses énergétiques (part du produit économique consommé pour obtenir de l'énergie). Le chapitre 7 présente un modèle théorique de croissance endogène intégrant l’approche biophysique. / This PhD thesis investigates the role of energy in long-term economic growth. Chapter 1 focuses on the description of the four main hard facts of economic growth: transition from stagnation to sustained growth, Great Divergence, interdependence of energy consumption and technological change, and hierarchized-nested adaptive cycles dynamics. Then, the role of different deep-rooted causes of growth (biogeography, culture, institutions, and contingency) are studied. Chapter 2 reviews modern growth theories that focus on proximate causes such as technological change and the accumulation of physical and human capital. Unified Growth Theory (UGT) is also analyzed in this chapter. Chapter 3 presents the fundamental laws of thermodynamics and associated concepts such as exergy and entropy. It is shown that only useful exergy consumption can be considered as the fundamental cause of economic growth. Chapter 4 presents the concept of energy-return-on-investment (EROI). It is shown that maximum EROIs have already been reached at global scale for oil and gas (but not coal), so that future conventional productions will have declining EROIs. Chapter 5 shows that the higher metal requirements of renewable technologies could be potentially detrimental to the energy transition. Chapter 6 shows how the net energy constraint materializes in the short-run through energy expenditure, which is the fraction of economic output diverted to obtain energy. Chapter 7 builds a bridge between the endogenous economic growth theory and the biophysical perspective. Research started in this thesis will need further work in order to develop an UGT respecting the biophysical constraints of the real world.

À l’heure de la prise de conscience de la finitude des ressources et du besoin grandissant d'énergie, la notion de développement durable doit prendre une place centrale dans l'évolution de la société. Pour atteindre ce but, il est maintenant reconnu, qu'un changement de consommation profond est nécessaire ; et ce, qu'il s'agisse de consommation énergétique, alimentaire ou de produits finis. Nous croyons que ce changement de paradigme n’est possible que si tous les acteurs avancent de concerts sur les différentes problématiques auxquelles nous sommes confrontées. Chacun à son échelle doit ainsi pouvoir prendre les décisions qui s'imposent à tous. C'est la logique qui a motivé l'outil d'exergo-graphie présenté dans le chapitre 3. Inscrit dans la lignée des diagrammes de Sankey, il permet de représenter les bilans exergétiques sous forme graphique afin d’en communiquer plus facilement les enseignements. Nous l’appliquons à deux cas d'analyses faites sur les installations de chauffage et de production d’ECS du bâtiment A de l’UPN. Pour chacune, nous étudions la possibilité d’une solution de production durable de la chaleur (PAC géothermique et solaire thermique). Après en avoir présenté les analyses, nous en dressons les représentations graphiques que nous comparons à celles du système actuel. Au préalable, le chapitre 1 introduit les concepts de base de l’analyse exergétique, approfondis dans le chapitre 2, au travers d’une modélisation des systèmes fluides statiques et dynamiques. Finalement, dans le chapitre 4, nous introduisons un modèle-jouet qui, proposant une représentation fractale de la chaleur, tente d’établir un lien conceptuel entre le comportement microscopique, statistique, du support de la chaleur, et les observables macroscopiques qui la caractérisent. / At this time of awareness of the finiteness of resources, and of increasing needs for energy, the concept of sustainable development must play a central role in the forthcoming developments of our society. To do so, it is now an accepted fact that a deep change of our consumption habits is necessary; whether it is energy, food or final goods consumption. We believe this paradigm shift is only possible if all actors face together the various issues we are dealing with. Everyone, at one own scale, must be able to make informed decision. This is the idea that leads to the exergo-graphy tool presented in chapter 3. In line with the so called Sankey diagrams, it allows to graphically represent exergy balances in order to communicate more easily on their lessons. We apply it to two analysis done on the heating and DHW installations of the building A of the UPN. For each, we investigate the possibility of a sustainable heat production solution (geothermal heat pump and solar thermal energy). After presenting the analyses, we draw their graphical representations which we then compare to those of the current system. Beforehand, the first chapter introduces the basic notions of exergetic analysis, discussed further in chapter 2, through a model for static and dynamic fluid systems. Finally, in chapter 4, we introduce a toy-model which, proposing a fractal representation of exergy, tries to establish a conceptual link between microscopic, statistical, behaviour of heat background support, and the macroscopic observables that characterize it.

A energia é o maior contribuinte para os custos de operação de uma indústria, portanto, estudos para melhoria da eficiência dos sistemas que utilizam alguma fonte de energia são indispensáveis. O presente trabalho tem por objetivo a obtenção de configurações ótimas para satisfazer demandas de eletricidade e cargas térmicas de aquecimento e refrigeração a partir de uma fonte primaria de energia, avaliando o impacto dessas nos custos de produção de eletricidade, vapor e água gelada. Estes tipos de sistemas são conhecidos como sistemas de trigeração. A avaliação de desempenho dos sistemas de trigeração é conduzida através da aplicação da análise exergética e exergoeconômica das alternativas propostas para a determinação do rendimento exergético e custos em base exergética de produção de utilidades desse tipo de sistema. Após apresentar uma breve discussão sobre o uso eficiente e racional de energias primárias e mostrar um panorama da situação para a aplicação de sistemas de trigeração para satisfazer demandas energéticas na indústria e o setor terciário, são descritas diferentes tecnologias envolvidas neste tipo de sistemas e algumas configurações propostas por vários pesquisadores nos anos recentes. O trabalho mostra o impacto das tecnologias de trigeração nos custos em base exergética dos produtos: eletricidade, vapor para processo e água gelada. Sistemas de refrigeração por absorção de efeito simples, duplo efeito e o sistema híbrido de absorção/ejeto compressão são analisados, como parte do estudo dos sistemas de trigeração. Diversos sistemas de trigeração, incluindo o sistema tetra-combinado, são comparados satisfazendo demandas energéticas para três aplicações diferentes: indústria de laticínios, hospital e indústria de bebidas. As configurações em estudo são otimizadas usando o método de algoritmo genético. Os resultados mostram que o sistema de refrigeração híbrido de absorção/ejeto compressão é uma boa alternativa para a produção da água gelada porque o coeficiente de desempenho (COP) e a eficiência exergética são maiores do que no sistema de refrigeração por absorção de efeito simples. Observando o impacto na formação dos custos de conversão de energia para os sistemas de trigeração propostos, os sistemas que utilizam unidade de refrigeração por absorção de duplo efeito são os que apresentam menor impacto. O sistema tetra-combinado apresenta um menor impacto quanto comparado com o ciclo combinado com unidade de refrigeração por absorção de simples efeito. O consumo de combustível e a destruição de exergia dos diferentes sistemas são refletidos nos custos em base exergética dos diferentes produtos. A otimização com algoritmos genéticos mostrou ganhos importantes nos custos em base exergética dos produtos, mediante a maximização da eficiência exergética dos diferentes sistemas de trigeração. O método dos algoritmos genéticos mostra-se como um método robusto para a otimização de sistemas de conversão de energia, mesmo que exija um grande esforço computacional. / Energy is the largest contributor to operating costs of any industry; therefore, studies for improving systems efficiency that use some energy source are essential. This work aims to obtain optimal configurations in order to satisfy required demands for electricity and thermal loads for heating and cooling from a primary source of energy, evaluating the impact of the electricity, steam and chilled water production costs. These types of systems are known as trigeneration systems. The performance evaluation of trigeneration systems is carried out by the application of exergy and exergoeconomic analysis of the proposed alternatives in order to determine exergy efficiency and exergy based costs on production of this type of system utilities. After presenting a brief discussion about efficient and rational use of primary energies and an overview of situation for trigeneration systems application, various technologies involved in this type of systems and some configurations proposed by several authors are described. This research shows the impact of trigeneration technologies in exergy-based costs of products: electricity, steam process and chilled water. Absorption refrigeration systems of simple effect, double effect and the hybrid absorption/ejecto compression are analyzed, as part of the trigeneration systems study. Several trigeneration systems, including the tetra-combined system, are compared with each other, satisfying energetic demands for three different applications: a dairy industry, a hospital and a drinks industry. The configurations in study are optimized using the Genetic Algorithm method. The results show that the hybrid absorption/ejecto compression refrigeration system is a good alternative for chilled water production due to that the coefficient of performance (COP) and the exergetic efficiency are higher than simple effect absorption refrigeration system. Observing the impact in the formation of the energy conversion costs for trigeneration systems proposed, the systems that use a double effect absorption refrigeration system presents the less impact. When tetra-combined system is compared with the system using a simple effect absorption refrigeration system, the results show a reduction in the impact of costs formation. The fuel consumption and exergy destruction of the different systems is reflected in the exergy based costs of the different products. The optimization with genetic algorithms shown important profits in the exergy based costs of products, by means of the exergetic efficiency maximization of the different trigeneration systems. The genetic algorithm method is a robust method for energy conversion systems optimization, even that it demands a great computational effort.

Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T18:40:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SosaArnao_JuanHarold_D.pdf: 4617781 bytes, checksum: 0d60bc60f546a91e312ce66083a35ec5 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: SOSA ARNAO, Juan Harold, Caldeiras Aquatubulares de Bagaço - Estudo do Sistema de Recuperação de Energia, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2008. 224p. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho termodinâmico da caldeira de bagaço e reduzir o custo do seu sistema de recuperação de energia dos gases de exaustão. Para isso, foi realizada a caracterização do bagaço; após o que se determinou a velocidade terminal e o coeficiente de arrasto. Também, propriedades do bagaço como: o poder calorífico superior, a exergia, a temperatura de início de pico ou step, e a temperatura de auto-ignição foram determinadas. O desempenho da caldeira foi determinado através da aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Na análise de Primeira Lei, a eficiência da caldeira foi determinada através do método: (i) das Entradas e Saídas e (ii) do Balanço de Energia, ambos calculados na base do poder calorífico inferior (PCI) e superior (PCS). Na análise de segunda lei, o método dos insumos e produtos e do balanço de exergia foram aplicados. Uma metodologia do balanço de exergia, específica para caldeiras de combustível úmido, foi desenvolvida e aplicada neste trabalho. Através destas análises, o desempenho de quatro sistemas de geração de vapor foi estudado. Estes sistemas foram compostos por: (i) gerador de vapor, economizador de alta temperatura, pré-aquecedor de ar e economizador de baixa temperatura; (ii) gerador de vapor, pré-aquecedor de ar e economizador; (iii) gerador de vapor, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço e (iv) gerador de vapor, economizador, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço. Os resultados mostraram que o efeito da umidade do bagaço é o fator mais importante no desempenho da caldeira, o qual pode ser melhorado com a inserção de secadores. Além disso, o sistema de geração de vapor, composto pelo: gerador de vapor, economizador, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço apresentou o melhor desempenho termodinâmico e também, o menor custo do sistema de recuperação de energia dos gases de exaustão. / Abstract SOSA ARNAO, Juan Harold, Aquatubular boilers fueled by bagasse - Study of Energy Recovery System, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2008. 224 p. The objective of this work was to evaluate the bagasse boiler thermodynamic performance and reduce the cost of its waste gases energy recovery system. For that, the bagasse characterization was realized; from which, the free-settling velocity and drag coefficient were determined. Also, the bagasse properties, such as, the higher heating value, the exergy, the step or peak initial temperature and ignition spontaneous temperature were determined. The bagasse boiler performance was determined through the application of Thermodynamic First and Second Law. In the first law analysis, the boiler efficiency was determined through (i) Input/Output and (ii) Energy Balance Method, which were calculated based on higher heating value (HHV) and lower heating value (LHV). In the second law analysis, the product/fuel and exergy balance methods were applied. A methodology of exergy balance, specific for wet fuels, was developed and applied in this work. Through these analyses the performance of four steam generation systems was studied. These systems were composed by: (i) steam generator, high temperature economizer, air heater and low temperature economizer; (ii) steam generator, air heater and economizer; (iii) steam generator, air heater and bagasse dryer and (iv) steam generator, economizer, air heater and bagasse dryer. The results showed that the bagasse moisture content effect is the most important factor in boiler performance, which can be improved with the inclusion of bagasse dryers. Besides, the steam generation system composed by: steam generator, economizer, air heater and bagasse dryer presented the best thermodynamic performance and also the lowest cost of the waste gases energy recovery system. Key Words Boiler, bagasse, economizer, air heater, dryer, exergy. / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Jose Vicente Hallak d'Angelo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-09T15:39:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_PauloRenatodos_M.pdf: 964248 bytes, checksum: 21cab8449ad59d56ad3ec7f876ee846d (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O setor de papel e celulose gera a maior parte da energia consumida em seus processos pela queima de dois combustíveis: biomassa e licor negro, sendo este último o mais utilizado entre eles. O setor vem ao longo dos anos utilizando sistemas de cogeração, que geram energia elétrica para o processo a partir da queima desses combustíveis. Nos últimos anos o setor vem tendo um aumento crescente em sua produção e com isso vem sendo gerada uma grande quantidade de licor negro, formando gargalos na unidade de recuperação (evaporação e caldeira de recuperação). Problemas como corrosão, incrustação e perigo de explosões na planta vêm se tornando realidade nesses anos. Outro fator é o tempo de vida útil das caldeiras de recuperação que vem se esgotando em várias indústrias brasileiras. Diante desse contexto, sobre crescente consumo de energia elétrica, aumento de produção de papel e celulose e maior quantidade de resíduos gerados, a gaseificação de licor negro se torna uma proposta interessante como processo alternativo. Foi analisado um sistema de cogeração de energia a partir da gaseificação do licor negro, como forma de avaliar a viabilidade técnica de se utilizar esse processo em substituição ao processo tradicional utilizado para geração de vapor de processo e energia elétrica. Para isso foi realizada uma simulação do sistema de cogeração em um simulador comercial (HYSYS© 2.2 daHyprotech), avaliando a influência da composição dos gases obtidos no gaseificador sobre as perdas exergéticas no sistema de cogeração. São apresentados os modelos para o sistema de gaseificação através de balanços de massa, energia e exergia, verificando e quantificando as irreversibilidades do ciclo. Os resultados obtidos demonstraram que a composição dos gases gerados no gaseificador tem grande influência sobre o processo, principalmente com relação à presença de água, hidrogênio e monóxido de carbono. Isso pôde ser verificado pelas perdas exergéticas analisadas, sendo o combustor o detentor das maiores perdas do processo. A gaseificação de licor negro é uma tecnologia ainda incipiente e relativamente nova e sua plena utilização nos processos industriais ainda requer estudos mais detalhados. Porém ela vem se tornando cada vez mais atraente e estudos no sentido de avaliar melhor sua viabilidade pode ser importante para que, num futuro próximo, essa tecnologia seja definitivamente implementada / Abstract: The pulp and paper industries generate most part of energy for self consumption burning two different fuels: biomass and black liquor, which is more used than the first one. This industrial sector has been used cogeneration systems, to produce electric energy from the combustion of these fuels. In the last years an increase in the production of the industries has caused an increase in the amount of black liquor available for burning, generating a bottlenecking effect in the recovery unit (evaporators and recovery boiler). Operational problems due to corrosion, fouling and explosions risks have aroused because of this great production of black liquor. Another important factor parallel to this is the lifetime of recovery boilers which is near to its end in many brazilian pulp and paper industries. In this scenario of increasing in electric energy consumption and pulp and paper production, generating more industrial residues, the black liquor gasification process has become an interesting alternative to use the excess of black liquor produced in the industries to produce more energy or as a substitute for the traditional recovery boilers. In this work an energy cogeneration system from gasification of black liquor was studied in order to evaluate the technical viability of using this process to replace the traditional one used to produce process vapor and electric energy. To do this a simulation of the cogeneration system was performed in a commercial simulator (HYSYS© 2.2 from Hyprotech), analyzing the influence of the composition of the gas stream from the gasificator over the exergetic losses in the cogeneration system. Mass, energy and exergy balances are presented for the system studied, verifying the irreversibilities of the cycle. The results obtained have shown that the composition of the gases produced in the gasificator has a great influence over the exergy balance of the process, mainly related with the presence of water, hydrogen and carbon monoxide. This was verified buy an exergetic analysis, that has shown that the greatest losses occur in the combustion chamber of the gases. Black liquor gasification process is an incipient and relatively new technology and its full usage in industrial scale still requires more detailed researches. Despite of this, it is becoming more and more attractive and any study that contributes to evaluate its viability may be important to help in the consolidation of this technology / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

A análise exergética é aplicada ao corpo humano a fim de determinar o comportamento exergético padrão do corpo e do seu sistema respiratório para um indivíduo saudável em diferentes condições ambientais e intensidades de atividade física. Para isso, são calculadas as taxas de exergia destruída e as eficiências exergéticas do pulmão e do corpo como um todo para diferentes altitudes, períodos de aclimatação, temperaturas, umidades relativas e intensidades de atividade física. São utilizados modelos do corpo e do sistema respiratório disponíveis na literatura, assim como um modelo exergético do corpo. Para a análise exergética do sistema respiratório é proposto um modelo exergético baseado no modelo de transferência de calor e massa presente na literatura. A análise exergética é aplicada a dois volumes de controle: o corpo e o sistema respiratório, que compreende as vias aéreas e os pulmões. No primeiro volume de controle ocorre transferência de exergia para o ambiente através de convecção e radiação, assim como fluxos de exergia através da respiração e evaporação, além da geração de exergia pelo metabolismo exergético. No volume de controle relativo ao sistema respiratório, os fluxos de exergia estão associados ao ar inspirado e expirado e ao sangue venoso e arterial. A transferência de exergia ocorre através do calor gerado pelo metabolismo e do trabalho dos músculos respiratórios. Há também uma variação da exergia relativa ao metabolismo exergético do pulmão. Os resultados obtidos indicam que a eficiência exergética do pulmão diminui com a altitude e atividade física, enquanto a do corpo aumenta para ambos os parâmetros. Com relação à aclimatação, o período no qual as eficiências exergéticas são máximas é a partir de vinte dias. No que diz respeito à variação da temperatura e da umidade relativa, observa-se que quanto maior a intensidade da atividade física, menor a temperatura próxima do conforto. Nota-se que as eficiências do corpo e do pulmão têm comportamentos distintos, sendo o corpo mais influenciado pela intensidade da atividade física, enquanto o sistema respiratório é mais suscetível a alterações das condições ambientais. / Exergy analysis is applied to human body in order to determine the exergy behavior pattern of the body and its respiratory system for a healthy subject under different environmental conditions and physical activity intensities. In order to do so, destroyed exergy rate and exergy efficiencies are calculated for different altitudes, acclimatization periods, temperatures, relative humidities and exercise intensities. An integrated model of the body and its respiratory system and an exergy model of the body are utilized. To perform the exergy analysis of respiratory system, an exergy model based on that available in literature is proposed. Exergy analysis is applied to two control volumes: the human body as a whole and the respiratory system, which comprises the lungs and the airways. In the first control volume, the exergy rate transferred to the environment due to convection and radiation is considered, as well as the exergy flow rate associated with respiration and transpiration and the internal exergy generation caused by the exergy metabolism. In the second one, the exergy rates and flow rates are associated with the venous blood and the inspired air in the inlet and the arterial blood and expired air in the outlet. An internal exergy variation due to the exergy metabolism of the lung, an exergy transfer associated with the metabolism of the lung and the work performed by the respiratory muscles were also taken into account. The results indicate that the exergy efficiency of the lung decreases as the altitude and exercise intensity increase, while the exergy efficiency of the body increases for both parameters. Regarding acclimatization period, the greatest exergy efficiencies are obtained after twenty days. Concerning temperature and humidity variations, the higher the activity level, the lower the thermal comfort temperature. It is also possible to observe distinct behaviors between body and lung. The body is more influenced by the physical activity intensity, while the respiratory system is more affected by environmental parameters.

A tendência da indústria aeronáutica comercial é o desenvolvimento de aviões mais eficientes em termos de consumo de combustível e custos operacionais diretos. No que diz respeito ao consumo de combustível, algumas estratégias da indústria aeronáutica são o uso de uma aerodinâmica mais eficiente, materiais mais leves e motores e sistemas mais eficientes. O motor turbo jato convencional fornece potência elétrica para os sistemas de cabine (luzes, entretenimento, cozinha) e aviônicos, potência hidráulica para os sistemas de controle de vôo e potência pneumática para proteção contra formação de gelo e unidade de controle ambiental. Motores mais eficientes e diferentes tipos de arquiteturas de sistemas, como os sistemas mais elétricos, são promessas para reduzir o consumo de combustível. A fim de comparar os processos energéticos das arquiteturas de sistemas e motor numa mesma base, a exergia é o verdadeiro valor termodinâmico que deve ser utilizada como ferramenta de decisão para projeto de sistemas, motores e aeronaves, assim como parâmetro de otimização. Trabalhos de outros autores focaram apenas em redução da exergia destruída e nenhum trabalho apresentou um método harmonizador que consolide os parâmetros já existentes e crie outros parâmetros comparativos entre sistemas. Este trabalho propõe um método baseado em análise exergética para concepção e avaliação de sistemas aeronáuticos, que pode ser aplicado ao projeto de uma nova aeronave desde as fases de estudos conceituais e ante projeto até a fase de definição. O método pode suportar o projeto completo de uma aeronave como um único sistema, pois integra todos os subsistemas numa mesma estrutura. Os principais índices propostos neste trabalho são: exergia destruída, rendimento exergético, consumo específico de exergia, exergia destruída na missão e eficiência exergética da missão. Este trabalho também apresenta resultados comparativos ao aplicar o método exergético entre versões de uma mesma aeronave comercial regional, considerando sistemas de gerenciamento de ar (sistema de extração pneumática, unidade de controle ambiental e sistema de proteção contra formação de gelo) convencionais e mais elétricos. Para tanto, quantificam-se os requisitos de dimensionamento e faz-se a modelagem termodinâmica dos sistemas convencionais e mais elétricos, assim como a modelagem do motor para ambas as versões da aeronave. Os resultados da aplicação do método exergético evidenciam que os sistemas convencionais de gerenciamento de ar são os maiores consumidores de exergia de uma aeronave e que a substituição por sistemas mais elétricos é uma boa alternativa para melhorar a eficiência termodinâmica da mesma. Considerando os mesmos requisitos exergéticos de tração entre as duas versões de aeronaves, a abordagem mais elétrica apresenta maiores rendimentos exergéticos de missão em torno de 0,5%. Entretanto, a análise completa também leva em conta as diferenças de peso e arrasto entre as duas versões de aeronaves, a qual evidencia que a escolha por sistemas mais elétricos deve ser guiada pela variação dos requisitos de tração que esta aeronave possui com relação ao avião com sistemas convencionais. / A tendency of the commercial aeronautical industry is to develop more efficient aircraft in terms of fuel consumption and direct operational costs. Regarding fuel consumption, some strategies of the aeronautical industry are to use more efficient aerodynamics, lightweight materials and more efficient engines and systems. The conventional turbo fan engine mainly provides electric power for cabin systems (lights, entertainment, galleys) and avionics, hydraulic power for flight control systems and bleed air for ice protection and environmental control systems. More efficient engines and different types of systems architectures, such as more electric systems, are a promise to reduce fuel consumption. In order to compare the energy processes of systems and engine architectures at the same basis, exergy is the true thermodynamic value that shall be used as a decision tool to aircraft systems and engine design, and also as an optimization tool. Other works have focused only on reduction of exergy destruction and none have presented a method that harmonizes and consolidates the existing comparative parameters and creates new parameters among systems. This work proposes a method based on exergy analysis for conception and assessment of aircraft systems, that can be applied to an aircraft project from the conceptual and preliminary designs to the detail design. The method can support the design of the complete vehicle as a system and all of its subsystems in a common framework. The main proposed parameters in this work are: exergy destruction, exergy efficiency, specific exergy consumption, mission exergy destruction and mission exergy efficiency. This work also presents comparative results by applying the method to conventional and more electric version of the same regional commercial aircraft, considering conventional and electric air management systems (bleed system, environmental control system and ice protection system). In order to, sizing requirements are evaluated and thermodynamic models are performed for both conventional and more electric air management systems, and also engine models are performed for both aircraft. Results show that conventional air management systems are the higher exergy consumers among aircraft systems and the substitution for more electric systems is a good alternative to improve the aircraft thermodynamic efficiency. Considering the same thrust exergy requirements for both aircraft, the more electric version presents higher mission exergy efficiency around 0.5%. However, a complete trade-off also takes into account weight and drag differences of both versions, which makes evident that the selection for more electric systems must be driven by the variation of thrust requirements between more electric and conventional aircraft.