Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

A turbina de Tesla originalmente construída por Nikola Tesla em 1913 é uma turbina sem lâminas, passiva e de impulsão. Essas características chamaram a atenção para a sua potencial aplicação em ciclos térmicos que funcionem no espaço aumentando sua eficiência.o O primeiro estudo desta turbina realizado dentro do projeto TERRA foi realizado pelo autor desta dissertação como projeto de Iniciação Científica no ano de 2008. E desde então o projeto TERRA vem estudando novas técnicas de desenvolvimento de turbinas de Tesla. Em 2012 iniciou um estudo do comportamento de uma turbina de Tesla operando em um ciclo térmico fechado. Os resultados deste estudo são apresentados e discutidos nesta dissertação. Ainda em 2012 foi desenvolvido um novo modelo de turbina de Tesla pelo autor. Esse modelo foi denominado de Turbina Passiva Multi Fluidos - TPMF. Um pedido de patente foi depositado junto ao INPI para esse novo modelo de turbina. Esse novo modelo também é apresentado e discutido nessa dissertação.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Submitted by Nara Lays Domingues Viana Oliveira (naradv) on 2015-06-12T22:36:19Z No. of bitstreams: 1 000006AB.pdf: 9859828 bytes, checksum: 7298da927fa0f798beed1d1cb69fcb2a (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-12T22:36:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000006AB.pdf: 9859828 bytes, checksum: 7298da927fa0f798beed1d1cb69fcb2a (MD5) Previous issue date: 2012 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, foi realizada a simulação do ciclo térmico da Usina Termoelétrica São Jerônimo – UTSJ. A Usina, muito antiga, possui caldeira do tipo grelha. Na mesma Usina foi instalada uma caldeira experimental de leito fluidizado, para funcionar em paralelo com a existente. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo de Rankine simples e segue evoluindo até se estabelecer a configuração mais adequada e representativa na tarefa de simular o modo de trabalho da Usina Termelétrica São Jerônimo – UTSJ. Desta forma, foram adotadas as considerações mais convencionais na prática de projeto de centrais termelétricas cujos sistemas térmicos baseiam-se no ciclo de Rankine. As simulações, que se caracterizam pela resolução simultânea das equações que modelam o ciclo e seus componentes, foram efetuadas através de programa IPSE-pro®. As simulações foram aplicadas para a obtenção dos resultados mais importantes na análise de sistemas térmicos, tais como rendimento térmico do ciclo, potência, vazões mássicas do sistema, calor trocado no gerador de vapor e no condensador, entre outros. Por fim, com objetivo de melhorar o rendimento térmico da planta, são apresentadas algumas alternativas ao sistema atual, tais como o aumento de eficiência da caldeira mediante substituição ou a adição de uma caldeira em paralelo à original. / In this work was made the simulation of the thermal cycle of São Jerônimo - UTSJ thermal power plant. The power plant, very old, has a grate boiler. In the same power plant was installed an experimental fluidized bed boiler, workingin parallel with the existing one. The work starts with the modeling of a simple Rankine cycle and evolves up to establish the most suitable and representative configuration to simulate the mode the work of São Jerônimo –UTSJ thermal power plant. Therefore, in this work it was adopted the more conventional considerations in the design practice for thermal power plants whose systems are based on the Rankine cycle. The simulations, which are characterized by the simultaneous solving of equations that model the cycle and its components, were made through the IPSE-pro® software. The simulations were applied to obtain the main results on the analysis of thermal systems such as, thermal efficiency of the cycle, power, system mass flow, heat exchanged in the steam generator and condenser, among others. Finally, in order to improve the thermal efficiency of the plant, some alternatives to the actual system were presented.

[pt] A presente dissertação trata do estudo de sistemas de potência baseados em ciclos Rankine orgânicos (ORC – Organic Rankine Cycle) acionados por energia térmica de rejeito. O objetivo é descrever mediante a simulação numérica um ciclo Rankine orgânico, dimensionar os trocadores de calor para o ciclo proposto e aplicar o conceito para sistemas de trigeração. Um modelo termodinâmico simples é apresentado, relacionando as características termodinâmicas do ciclo Rankine orgânico àquelas da corrente com rejeito térmico (como, por exemplo, vazão mássica, capacidade térmica e temperaturas de operação). A seguir, o método de multi-zonas, ou de fronteira móvel, é aplicado aos trocadores de calor do ciclo, condensador e caldeira, para dimensioná-los às condições do efluente de rejeito térmico. Na escolha do tipo de trocador de calor para a caldeira, é feita a distinção quanto à natureza do efluente, se gasoso ou líquido. No primeiro caso empregam-se trocadores de tubo e aleta e, no segundo, trocadores de placas. A solução numérica do sistema de equações algebraicas e obtida através de um programa computacional escrito em FORTRAN. São também estudados novos fluidos de trabalho de menor impacto ambiental e os resultados apresentados fazem uma comparação com fluidos de uso tradicional. As propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos considerados foram obtidas usando o programa REFPROP 9.0 do NIST. Finalmente, o conceito do ciclo Rankine orgânico é aplicado a sistemas de trigeração, caracterizados pela produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração. / [en] The present dissertation addresses the study of power generation systems based on organic Rankine cycles (ORC) driven by waste thermal energy (heat). A simple thermodynamic model is presented, relating the thermodynamic characteristics of the organic Rankine cycle to those of the waste heat flow (for instance: mass flow, thermal capacity and operation temperatures). Furthermore, the multi-zone, or movable boundary method is applied to the heat exchangers of the cycle, boiler and condenser, in order to size them for the waste heat flow conditions. In choosing the type of heat exchanger for the boiler, the distinction is made on the nature of the waste heat, either gaseous or liquid. New working fluids for the cycle, of less environmental impact, are studied. For the first case, tube and fin heat exchangers are considered, and in the second, plate heat exchangers. Finally, the concept of the organic Rankine cycle is applied to trigeneration systems, characterized by the simultaneous production of electricity, heating and cooling.