Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T13:24:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A energia ocupa uma posição estratégica no mercado nacional, podendo ser considerada como insumo essencial à realização de praticamente todas as atividades humanas e ao desenvolvimento da sociedade. É compreensível a preocupação crescente e a importância de novos projetos de implantação ou ampliação da matriz energética brasileira, tanto em relação a geração como com a distribuição. Tais considerações são oportunas ao se propor também a geração distribuída ou plantas de cogeração como alternativas energéticas, onde se busca melhorar os procedimentos de conversão reduzindo perdas e garantindo uso racional de energia. Este trabalho apresenta um modelo de análise termodinâmica, o projeto, a montagem e o monitoramento de uma planta de cogeração compacta para geração de energia elétrica e água gelada para climatização. A planta é constituída por uma microturbina de 28 kWe e uma máquina de refrigeração por absorção água/amônia de 17 kWT, ambos operando originalmente via queima direta de gás natural. Para aumentar o nível de aproveitamento da energia do combustível utilizado na microturbina, o sistema de queima direta da máquina de refrigeração foi substituído por um sistema de recuperação de calor. Os resultados experimentais comprovam a viabilidade técnica da adaptação da máquina de refrigeração por absorção à microturbina. Operando em carga máxima, a planta de cogeração atinge um índice de utilização de energia primária (CP) em torno de 37 %, o que corresponde a um aumento de 75 % na utilização do combustível quando comparado com a eficiência da microturbina operando em modo simples. Os ensaios realizados mostram ainda que a adaptação da máquina de refrigeração não trouxe prejuízo significativo nos parâmetros de desempenho da microturbina. Em contrapartida, o COP da máquina de refrigeração atinge a 0,26 devido à diminuição da temperatura da fonte quente que alimenta o gerador.

[pt] O presente trabalho divide-se em dois estudos: uma análise global de sistemas de cogeração e uma modelagem de um ciclo de refrigeração por absorção. O primeiro estudo apresenta as equações dos balanços energéticos de um sistema de cogeração operando com dois motores térmicos distintos (turbina a gás e motor de combustão interna, ambos utilizando diesel como combustível). Para a produção de frio emprega-se um chiller de absorção, acionado a partir de calor de rejeito dos motores, e outro de compressão de vapor auxiliar. As equações de balanço de energia e de exergia, aplicadas a cada componente, formam um sistema não linear de equações que, resolvido, fornece o desempenho do sistema para diferentes condições de operação. O segundo estudo é parte de um projeto mais abrangente, destinado a desenvolver a tecnologia de um sistema de refrigeração por absorção. É apresentado o modelo matemático que caracteriza uma instalação de pequeno porte operando com uma mistura água-amônia. Foram aplicadas as equações de conservação de massa e energia para cada componente do ciclo, determinadas as propriedades termodinâmicas em cada ponto do ciclo e aplicadas hipóteses simplificadoras de modo a descrever matematicamente os processos físicos envolvidos. O modelo resultante foi aplicado a um sistema existente. A comparação entre os resultados previstos pelo modelo e os obtidos experimentalmente foi satisfatória. Uma vez implementados os modelos de ambos os estudos, realizaram-se simulações para casos particulares de operação, possibilitando a verificação da influência das principais variáveis sobre o desempenho dos sistemas analisados. Na solução dos modelos matemáticos foi utilizado o software EES. / [en] The present work embodies two studies: a global analysis of cogeneration systems and an absorption refrigeration cycle model. The first study presents the main equations for energy and exergy balances of a cogeneration system operating with two distinct prime movers (a gas turbine and an internal combustion engine, both powered by diesel oil). For cooling production, an absorption chiller, driven by the prime movers` waste heat, and an auxiliary vapor compression chiller are employed. The energy and exergy balance equations were applied to each component of the system, composing a non-linear system of algebraic equations whose solution provides the performance of the system under different operating conditions. The second study is part of a broader project aiming at the development of an absorption refrigeration system. A mathematical model is presented, describing a small-size absorption refrigeration installation employing a water-ammonia mixture as working fluid. Mass and energy conservation equations were applied to each component of the cycle. Thermodynamic properties of the working fluids were calculated at each point of the cycle. Also, simplifying assumptions were applied. The resulting model was applied to simulate the behavior of an existing system. Comparison of predicted results with experimental data was satisfactory. A parametric analysis was also carried out with the simulation model. The models of both studies were implemented in ESSA software. Simulations were carried out so as to analyze the systems under particular operational conditions and to assess the influence of the main variables on system performance.

[pt] Uma célula PEM (membrana de troca de prótons) de 5 kW com reformador foi instalada na PUC-Rio tendo como objetivo a determinação experimental de seu desempenho e de seu potencial de cogeração para aumentar o uso da energia química do combustível. A unidade utiliza um processador de combustível para converter energia do gás natural em um reformado rico em hidrogênio. A célula é totalmente instrumentada fornecendo dados para o cálculo da eficiência global do sistema (eficiência total), eficiência do reformador, eficiência da pilha, eficiência de conversão (DC/AC) e o potencial de cogeração. Este estudo detalha as equações teóricas necessárias para calcular os parâmetros, os conceitos termodinâmicos e eletroquímicos, e experimentalmente, os balanços de massa e energia, comparando os resultados. Foram obtidos dados no regime permanente resultando em eficiências do reformador, da pilha, de conversão e global, junto com os desvios padrões calculados. Também foi comprovado que a energia perdida no reformador e na pilha é praticamente a mesma. Foi mostrado que as degradações de desempenho do reformador e da pilha reduzem a vida útil da célula do conjunto, que também tem uma eficiência abaixo do que foi indicado pelo fabricante. O potencial de aproveitamento da energia química do combustível foi estimado através do cálculo do calor rejeitado pela pilha e através do calor rejeitado pelo reformador dando um valor de 71,3 %. / [en] A 5 kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a reformer has been installed and tested at the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), Brazil, aiming the experimental determination of its performance and co-generation potential to increase the fuel chemical energy usage. The unit uses a fuel processor to convert energy from natural gas into hydrogen rich reformate. The fuel cell is totally instrumented, supplying data for calculating the overall system efficiency (total efficiency), reformer efficiency, stack efficiency, conversion efficiency (DC/AC), and co- generation potential, at previously set up output powers of 2,5 kW. This study details the equations required for calculating the parameters, both theoretically, from thermodynamics and electrochemics points of view, and experimentally, from mass and energy balances, comparing the results. Steady state data were taken, resulting in reformer, stack, conversion and total average efficiencies, together with the calculated standard deviation. It was also found that the energy loss in the reformer and in the stack are approximately the same. It was also showed that the reformer and stack degradation reduce the system life, which also has an efficiency lower what is stated by the manufacturer. The fuel chemical energy usage potential was estimated by calculating the heat rejected by the stack and the heat rejected in the reformer, giving a value of 71,3%.

O bambu e uma graminea lenhosa, renovavel, perene e com boa produtividade de biomassa por hectare. Pode ser cultivada praticamente em todo o territorio brasileiro, que esta quase todo localizado em regioes tropicais e chuvosas, oferecendo excelentes condicoes para a producao e o uso energetico da biomassa de bambu em larga escala. O setor de papel e celulose apresenta boas perspectivas na producao de papel de fibras longas utilizando bambu, no entanto, apenas duas empresas brasileiras utilizam esse tipo de biomassa em grande escala no Brasil: O Grupo Penha queima o bambu em caldeira e utiliza o vapor no processo de reciclagem de papel e O Grupo Joao Santos utiliza a biomassa como materia prima na fabricacao de papel e celulose. No entanto, em ambos os casos a biomassa nao e utilizada em sistema de cogeracao de eletricidade, considerada uma tecnologia eficiente de conversao. O objetivo dessa tese e estudar os aspetos tecnicos, economicos e ambientais da implantacao de um sistema de cogeracao de eletricidade utilizando biomassa de bambu. Sao estudadas as caracteristicas agronomicas e as particularidades da implantacao de cultivos comerciais de bambu voltado a fins energeticos. Visando determinar o Poder Calorifico (PCS) de cinco diferentes especies consideradas adaptadas ao clima brasileiro e conhecidas como boas produtoras de biomassa por hectare, foram realizado ensaios em laboratorio empregando a bomba calorimetrica, possibilitando identificar variacoes do poder calorifico entre as especies estudadas. Considerando o dado referente aos processos das empresas e pesquisa em literatura, os resultados apontam que e tecnicamente possivel cogerar eletricidade de modo eficiente, queimando 17 toneladas de bambu por hora e gerar 3.5 MW. No entanto, o sistema nao apresenta viabilidade economica em funcao do modelo de atual adotado pelas empresas no manejo de seus cultivos. Em relacao aos aspectos ambientais, por ser uma planta perene, capaz de produzir biomassa anualmente sem replantio, pode ser uma excelente opcao para estocar carbono. / Bamboo is a grass, woody perennial with good biomass productivity per hectare. Bamboo can be grown virtually anywhere in the Brazilian territory and almost all existing plantations are located in tropical and rainy areas, offering excellent conditions for the production and use of biomass energy in large scale. Two Brazilian companies already utilize bamboo biomass in large scale in Brazil. The Penha Group, in Bahia, burns bamboo in boilers and uses the steam in the process for recycling paper. Joao Santos Group uses bamboo as raw material in the manufacture of pulp and paper. However in any case there is the use of this biomass for energy cogeneration, which is the most efficient technology for energy conversion. Therefore, this thesis analyses the use of bamboo as fuel for electricity cogeneration in Brazil considering the technical aspects, as well as the corresponding economic and environmental system deployment. Also, to study the development of the productive chain of bamboo in large scale in Brazil, specifically targeted for energy purposes, this paper presents the survey of data concerning the different production systems adopted by companies, both in the cultivation and processing of biomass. Based in these results it is analyzed an efficient cogeneration system using bamboo as fuel on large scale. Obtained results show that the power to be produced in an efficient cogeneration system (60 bar, 490 oC), from 17 tones of bamboo per hour, is 3,5 MW but, with the existing bamboo production models, there is no economic feasibility, as discussed in the paper. Regarding environmental aspects, it must be noted that the bamboo is as perennial plant, able to produce biomass annually without replanting, and so appears to be an excellent carbon sink.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-19T17:59:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 224313.pdf: 1191054 bytes, checksum: c35b18a4d432f36ccc2df8c260d74ba8 (MD5) / O crescimento da demanda de eletricidade em descompasso com os investimentos na geração, principalmente em grandes usinas hidrelétricas e termelétricas, faz com que o setor produtivo busque alternativas de suprimento, entre elas, a cogeração. Esse cenário, aliado à disponibilidade do gás natural e ao potencial do setor cerâmico catarinense, motivou o estudo da aplicação de sistemas de cogeração à indústria cerâmica, considerando aspectos técnicos, econômicos e ambientais. Este trabalho propõe um modelo de simulação baseado na 1ª Lei da Termodinâmica, que considera a variação do desempenho de turbinas a gás quando submetidas a diferentes condições operacionais e climáticas, tais como altitude, temperatura e umidade relativa, atualizadas a cada hora do dia, ao longo de um ano de operação da fábrica. Os resultados são comparados a modelos simplificados, em que não são consideradas as variações do desempenho das máquinas, ou a modelos baseados apenas nas demandas médias de energia, cujos resultados são extrapolados para todo o ano de operação da fábrica, o que pode conduzir a conclusões equivocadas. Cinco turbinas previamente selecionadas, com potências em torno da demanda elétrica da fábrica, foram consideradas com o propósito de avaliar diferentes configurações de projeto e também caracterizar as diferenças geradas pelos modelos simplificados. O modelo proposto, associado à análise de sensibilidade, serve como base para avaliação de outras unidades de cogeração, permitindo determinar o projeto que traz o melhor retorno econômico para a indústria. No caso estudado, o melhor resultado foi encontrado para a configuração que atende exatamente à demanda elétrica da fábrica. Esse modelo pode ser facilmente reproduzido, tanto por pesquisadores da área como também por profissionais das indústrias, consistindo assim, numa importante ferramenta para o estudo de projetos de cogeração.

O bambu e uma graminea lenhosa, renovavel, perene e com boa produtividade de biomassa por hectare. Pode ser cultivada praticamente em todo o territorio brasileiro, que esta quase todo localizado em regioes tropicais e chuvosas, oferecendo excelentes condicoes para a producao e o uso energetico da biomassa de bambu em larga escala. O setor de papel e celulose apresenta boas perspectivas na producao de papel de fibras longas utilizando bambu, no entanto, apenas duas empresas brasileiras utilizam esse tipo de biomassa em grande escala no Brasil: O Grupo Penha queima o bambu em caldeira e utiliza o vapor no processo de reciclagem de papel e O Grupo Joao Santos utiliza a biomassa como materia prima na fabricacao de papel e celulose. No entanto, em ambos os casos a biomassa nao e utilizada em sistema de cogeracao de eletricidade, considerada uma tecnologia eficiente de conversao. O objetivo dessa tese e estudar os aspetos tecnicos, economicos e ambientais da implantacao de um sistema de cogeracao de eletricidade utilizando biomassa de bambu. Sao estudadas as caracteristicas agronomicas e as particularidades da implantacao de cultivos comerciais de bambu voltado a fins energeticos. Visando determinar o Poder Calorifico (PCS) de cinco diferentes especies consideradas adaptadas ao clima brasileiro e conhecidas como boas produtoras de biomassa por hectare, foram realizado ensaios em laboratorio empregando a bomba calorimetrica, possibilitando identificar variacoes do poder calorifico entre as especies estudadas. Considerando o dado referente aos processos das empresas e pesquisa em literatura, os resultados apontam que e tecnicamente possivel cogerar eletricidade de modo eficiente, queimando 17 toneladas de bambu por hora e gerar 3.5 MW. No entanto, o sistema nao apresenta viabilidade economica em funcao do modelo de atual adotado pelas empresas no manejo de seus cultivos. Em relacao aos aspectos ambientais, por ser uma planta perene, capaz de produzir biomassa anualmente sem replantio, pode ser uma excelente opcao para estocar carbono. / Bamboo is a grass, woody perennial with good biomass productivity per hectare. Bamboo can be grown virtually anywhere in the Brazilian territory and almost all existing plantations are located in tropical and rainy areas, offering excellent conditions for the production and use of biomass energy in large scale. Two Brazilian companies already utilize bamboo biomass in large scale in Brazil. The Penha Group, in Bahia, burns bamboo in boilers and uses the steam in the process for recycling paper. Joao Santos Group uses bamboo as raw material in the manufacture of pulp and paper. However in any case there is the use of this biomass for energy cogeneration, which is the most efficient technology for energy conversion. Therefore, this thesis analyses the use of bamboo as fuel for electricity cogeneration in Brazil considering the technical aspects, as well as the corresponding economic and environmental system deployment. Also, to study the development of the productive chain of bamboo in large scale in Brazil, specifically targeted for energy purposes, this paper presents the survey of data concerning the different production systems adopted by companies, both in the cultivation and processing of biomass. Based in these results it is analyzed an efficient cogeneration system using bamboo as fuel on large scale. Obtained results show that the power to be produced in an efficient cogeneration system (60 bar, 490 oC), from 17 tones of bamboo per hour, is 3,5 MW but, with the existing bamboo production models, there is no economic feasibility, as discussed in the paper. Regarding environmental aspects, it must be noted that the bamboo is as perennial plant, able to produce biomass annually without replanting, and so appears to be an excellent carbon sink.

[pt] No presente trabalho, foi desenvolvido uma metodologia teórico-experimental para a avaliação de plantas de cogeração, incluindo o confronto com os dados dos fabricantes dos equipamentos, a análise de incerteza de medição dos principais parâmetros e a análise termoeconômica. Como resultado, o trabalho visa apresentar critérios mais otimizados para especificação e operação de sistemas de cogeração. Para o seu desenvolvimento, foram analisadas a planta da Companhia Cervejaria Brahma, localizada em Campo Grande, RJ, que é constituída de três turbinas a gás de 4,90 MW acopladas a três caldeiras de recuperação que utilizam Pós-Queima, com capacidade nominal de até 36000 kg/h, cada uma, e a planta do Parque Gráfico do InfoGlobo, localizada na rodovia Washington Luis, Duque de Caxias, RJ, que é constituída de dois motores alternativos de combustão interna de 2,90 MW, duas caldeiras de recuperação e um chiller de absorção de 800 TR s. Para a Companhia Cervejaria Brahma, foi utilizado a metodologia do balanço de massa das reações químicas, usando as medições das emissões e da composição do gás natural na planta, para obtenção da vazão mássica do ar admitido pela turbina e, consequentemente, a vazão mássica dos gases de exaustão. Essa metodologia foi empregada devido a não existência de um medidor de vazão de ar nas turbinas, que é um parâmetro essencial para avaliação do desempenho da planta. Esta metodologia também foi empregada, para a avaliação das caldeiras de recuperação que utilizam queima adicional de combustível. Foi realizada, também, a análise de incertezas dos resultado de desempenho obtidos na planta, de modo a identificar problemas operacionais como, o economizador sujo da caldeira de recuperação. Também, pode-se ver verificar, que o aproveitamento global do combustível utilizado, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado da água foi inferior ao aproveitamento deste, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado dos gases. A menor diferença encontrada destes valores na escala percentual, foi de 6 porcento. Como esta diferença não é desprezível, chega-se à conclusão que a medida do desempenho da planta de cogeração deve ser feito com base na energia térmica transferida para a água, e não a que é transferida dos gases, como normalmente é feito, sem levar em consideração as perdas térmicas. Por fim, foi realizado uma análise técnico-econômica da utilização dos equipamento empregados na planta, com a finalidade de determinação de custo-benefício. Para o Parque Gráfico do InfoGlobo, foi realizada uma simulação do desempenho dos equipamentos utilizados nesta planta, devido a impossibilidade de se obter dados experimentais em determinados pontos da planta. Para isto, foram utilizados dados de projeto dos equipamentos, admitindo que estes pouco variam com as condições ambientais. Desta forma, não foram realizadas as análises de incertezas dos resultados encontrados. Com a metodologia empregada, pôde-se identificar problemas operacionais como o fato de que a bomba da água de alimentação de caldeira, estar fora doe seu ponto de projeto. De um modo geral, o percentual de aproveitamento da energia do combustível varia muito durante o dia, indicando um acoplamento insatisfatório entre a demanda e oferta de energia. Foi desenvolvido um modelo computacional, para a simulação da turbina a gás de eixo duplo THM 1203 Hispano Suiza, modo a obter todos os parâmetros essenciais que possam ser utilizados para o projeto de sistemas de cogeração. É previsto neste modelo a operação em cargas parciais com a variação das condições ambientais. / [en] A theoretical-experimental methodology was developped in this work for evaluating the performance of cogeneration plants, including the data comparison with manufacturer specifications, uncertainty analysis of main parameters and thermoeconomic analysis. As a result, this work aims the establishment of an optimized criteriumfor especifying and operating cogeneration systems. Two existing cogeneration plants were analyzed in this work, (a) Companhia Cervejaria Brahma, located in Campo Grande, RJ, consisting of three 4,90 MW gas turbine generators, three heat recovery boilers, including after burners, with a nominal capacity of 36000 kg/h of steam, each one, and (b) Parque Gráfico do InfoGlobo, located in the Wshington Luis Highway, Duque de Caxias, RJ, consisting of two 2,90 MW reciprocating engine gas generators, two heat recovery boilers and 800 TR absorption chiller. A chemical reaction mass balance methodologywas used in the BRAHMA plant.It uses the measurement of pollutant emissions and natural gas compositionfor estimating the turbine inlet air and exhaust gas flow rates, which are important for evaluating the plant performance. Thei methodology was preferred due to the fact that no air and exhaust gas flow rate measurement instrument was installed in the plant, which is usually the case. This methodology was also used for evaluating the performance of heat recovery boilers with after burners. An uncertainty analysis procedure was developed and used to identify operational problems like fouling, reducing the effectiveness of the heat recovery economizer. One of the main results of this work was the fact that as least a 6 percentual point difference between the gas and the steam sides was measured for the overall fuel chemical energy usage, demonstrating the need of a more careful analysis of component performance for designing and specifying a cogeneration plant, which takes into account the heat losses. Thus, one suggests that the heat transfer to the water be specified, rather than the one from the hot gases. A technical-economic analysis of the plant was carried on, and its cost-benefit determined. Due to difficuties in obtaining experimental data, a simulation procedure had to be used for analyzing the performance of the InfoGlobo plant. Design data for several equipments were used in the calculations, supposing that they do not vary too much with ambient conditions. Thus, the uncertainty analysis was not carried on. The used methodology identified the fact that the boiler feedwater pump was not operating in the design point. In a general way, it was observed that the overall fuel chemical energy usage varies too much along the day, indicating a mismatching between load and energy supply. Finally, as a tool for the plant analysis, a computational model was developped for estimating the cogeneration plant component parameters, to be used for design purposes. Partial load operation of the turbines is contemplated in this model, as a function of ambient conditions.

[pt] O presente trabalho realiza uma comparação entre o ciclo Rankine tradicional e uma nova proposta de ciclo Rankine para uma planta de cogeração na indústria siderúrgica. O ciclo inovador é caracterizado por um sistema de regeneração por injeção direta de vapor seguida de bombeamento bifásico substituindo o uso de pré-aquecedores como no ciclo tradicional. Para a simulação dos ciclos de potência é empregado o Software Gate Cycle. São simuladas e estudadas diversas alternativas de configuração para a aplicação da nova tecnologia. A melhor alternativa de configuração do ciclo inovador é então comparada com o ciclo tradicional por meio da aplicação das análises de Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Observou-se, entretanto, pouca diferença no desempenho do ciclo tradicional e do ciclo modificado. / [en] In the present work, a comparison between a traditional Rankine cycle and a proposed innovative Rankine cycle, for a cogeneration plant in the steel industry, is carried out. The innovative cycle is characterized by a regeneration system with direct steam injection followed by two-phase pumping, instead of the water pre-heaters used in the traditional cycle. Different configuration alternatives for the technology application were simulated and studied. The best alternative was then selected and compared with the traditional cycle using First and Second Laws of Thermodynamics analyses. Little difference was observed, however, between the traditional and the modified cycle performances.

[pt] Nesta dissertação foi feita uma simulação do desempenho de um sistema de cogeração, a partir de dados experimentais obtidos com uma microturbina a gás natural com 30 kW de potência nominal, operada no horário de ponta, e acoplada com uma unidade recuperadora de calor e um reservatório térmico para fornecimento de água quente de consumo nos chuveiros do Ginásio da PUC-Rio. Inicialmente, o desempenho do sistema de cogeração foi medido para várias condições de operação, mostrando que a eficiência de geração de energia elétrica é inferior à que o fabricante declara (16,6%). O aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustão é de 29,1% para plena carga e 46,3% para 25% de carga. Nesta dissertação foi desenvolvida uma metodologia para calcular a efetividade da unidade recuperadora de calor. A simulação realizada teve como objetivos o melhor conhecimento do comportamento do sistema de cogeração para diferentes vazões de água de consumo e da sua temperatura de armazenamento determinando-se o maior valor da vazão para que uma temperatura de 40ºC nos chuveiros fosse mantida. A equação da energia em relação ao tempo foi resolvida numericamente, modelando-se o desempenho de cada componente, para estimar a temperatura da água do reservatório de armazenamento em função do tempo, para diferentes cargas elétrica e térmica. Os resultados indicaram as condições para o melhor aproveitamento de energia térmica e sua viabilidade econômica, inclusive quanto à relação entre o horário de geração e o consumo da energia térmica armazenada. / [en] In this dissertation the performance of a cogeneration system was simulated using data obtained in tests of a natural gas fired 30 kW microturbine, operated during peak hours, and coupled to a heat recovery unit to generate hot water to be consumed in the showers of the PUC-Rio Gymnasium, together with a thermal reservoir to match the demand. Initially, the performance of the cogeneration system was measured at different operating conditions, showing that the electric energy generation efficiency is smaller than what is declared by the manufacturer (16,6%). The heat recovery from the exhaust gases was measured as 29,1% for full load operation and 46,3% for 25% load operation. In this dissertation a methodology was developed for calculating the effectiveness of the heat recovery unit. The performance simulation was aimed to better understand the behaviour of the cogeneration system for different water consumption rates and its storage temperature, determining the maximum allowed value so that the shower water temperature be at least 40ºC. The timewise energy equation was numerically solved, using the modelled performance of each component, to estimate the storage reservoir water temperature as a function of time, for different electric and thermal energy loads. The results indicated the conditions for better thermal energy usage and its economic feasibility, including the relationship between generation hours and the stored thermal energy consumption.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T00:33:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 261772.pdf: 1417711 bytes, checksum: 119f23b0fcc527bd79204802e96319ac (MD5) / A energia ocupa posição estratégica no mercado nacional, podendo ser considerada como insumo essencial à realização de praticamente todas as atividades humanas e ao desenvolvimento da sociedade. É compreensível a preocupação crescente e a importância de novos projetos de implantação ou ampliação da matriz energética brasileira, tanto em nível de geração e transmissão como também de distribuição. Tais considerações são oportunas ao se propor também a geração distribuída ou plantas de cogeração como alternativas energéticas, onde se busca melhorar os procedimentos de conversão reduzindo perdas e garantindo uso racional de energia. Este trabalho apresenta os resultados experimentais e modelo de análise exergoeconômico de uma planta compacta de cogeração para geração de energia elétrica e água quente. A planta foi projetada e construída no âmbito do Programa de Racionalização do Uso da Energia (FINEP/PRUEN/UFSC), com a finalidade de atender parcialmente as demandas de energia elétrica e de água quente utilizada nos serviços do Hospital Universitário da UFSC. É constituída por um moto gerador de 80 kWe a gás natural, ciclo Otto, e um sistema de recuperação do calor rejeitado tanto na água de arrefecimento do motor como nos gases de exaustão. Os resultados experimentais comprovaram bom aproveitamento da energia contida no combustível. Operando com uma potência média de 40 kWe, a planta de cogeração atingiu um índice de utilização da energia primária em torno de 58%, o que representa um aumento de 150% comparado com a eficiência do moto gerador operando em ciclo simples. Também foi mostrado que para um nível médio de geração de potência de 40 kWe, a energia contida nos gases de exaustão é da ordem de 36 kWt a uma temperatura de 520 °C, o que viabiliza a utilização de uma máquina de refrigeração por absorção para a produção de água gelada ou até mesmo gelo. Dispondo de gás natural no local e operando a micro planta de cogeração no horário de ponta, podem-se obter economias anuais da ordem de R$ 22.000,00 devido à geração de energia mais barata que a fornecida pela concessionária local e devido ao óleo combustível evitado no aquecimento da água de serviço do Hospital Universitário.