Diante do expressivo aumento do número de refinarias de petróleo, bem como, com a crescente modernização das tecnologias de processo, englobando também o ramo petroquímico e de fertilizantes, notou-se que o consumo de energia de compressores centrífugos e suas eficiências tornaram-se de suma importância. Uma consequência desta nova realidade, está na necessidade de melhoria dos métodos estimativos para pré-dimensionamento e performance destas máquinas, o que necessariamente implica em uma previsão precisa de sua eficiência politrópica. Além disso, tais métodos devem também estimar as dimensões básicas de cada seção de compressão. A maior parte da literatura atual, versando sobre compressores centrífugos, tipo multiestágio, não está atualizada no que diz respeito à estimativa de eficiências politrópicas, quando comparadas com as eficiências alcançadas por compressores de fornecimento recente. Sendo assim, o principal objetivo da presente dissertação foi estimar um compressor centrífugo multiestágio, utilizando métodos adequados de cálculo. Isto implicou em comparar três métodos de estimativas, refletindo três procedimentos clássicos de cálculo, normalmente utilizados. Após pesquisa foram identificados três métodos, dois otimizados recentemente e um terceiro de abordagem mais antiga, proveniente de alguns fornecedores de compressores. Os métodos em análise são: Método das relações de Semelhança Otimizado por Sandberg (2016), Método de Lüdtke (2004), com correções propostas por Busaid e Pilidis (2016) e finalmente o Método dos Expoentes Politrópicos (N-Method), apresentado por Gresh (2001) e editado novamente em Gresh (2018). Os dois métodos mais recentes, embora baseados em diferentes critérios, apresentam estimativas de desempenho, dentro de uma precisão razoável, quando comparada aos dados reais de teste, enquanto que o método mais antigo, apresenta desvios significativos. Nesta dissertação, serão estimados seis casos reais de compressores, cujos resultados serão comparados aos estimados pelos três métodos de cálculo. Analisando os métodos, à luz dos desvios indicados nas tabelas para os seis casos, pode-se afirmar que o Método Simplificado e Corrigido de Lüdtke foi o que apresentou melhores resultados. O desvio relativo máximo apresentado foi na potência de eixo, cujo valor foi de 5,1%. Considerando o Método de Sandberg, verifica-se a partir dos desvios listados nas tabelas, que não cumpriu com o limite de aceitabilidade no tocante à potência no eixo para dois dos casos estudados. Entretanto, com exceção a estes dois casos, o método mostrou-se bastante satisfatório. Finalmente, analisando o Método dos Expoentes Politrópicos, citado por Gresh (2018), pode-se dizer que este método só foi aceitável para dois casos. Para os demais, segundo os desvios indicados nas tabelas, o método mostrou-se inadequado devido a desvios significativos na sua eficiência politrópica. / With the crescent number of modern fertilizer plants and hydrocracking process units in oil refineries, the consumption of energy and consequently the efficiency of centrifugal compressors were made of paramount importance in present day. A consequence of this new reality is the necessity of improvement of the methods that estimate the polytropic efficiency of these compressors. Furthermore, new methods also need to predict the basic geometric parameters of each machine. On the other side, most of the literature, which deals with polytropic efficiencies, is not up to date with the values performed by modern compressors. The main scope of present work is to provide background information and present a comparison between two up to date methods and a third classical old method, based on different approach, but capable to predict the performance and sizing of multistage centrifugal compressors. The methods under analysis are: Sandberg (2016) Optimized Similarity Method, Lüdtke\'s Method (2004), with corrections proposed by Busaid and Pilidis (2016) and finally the Politropic Exponent Method (N-Method), presented by Gresh (2001) and edited again in Gresh (2018). Both the newer methods present good agreement with the values performed by several compressors, as demonstrated when these methods are adopted, whilst the old method presents some deviations, mainly in the gas power. In this paper, six real cases will be estimated by the three methods and compared against supplier data; the results will be justified. Analyzing the methods, in respect of the deviations indicated in the tables for the six cases, it can be stated that the Simplified and Corrected Method of Lüdtke was the one that presented the best results. The maximum relative deviation presented was in the brake horsepower, whose value was of 5.1%. Considering the Sandberg Method, it can be verified from the deviations listed in the tables, that it did not meet the limit of acceptability regarding power on the axis for two of the cases studied. However, with the exception of these two cases, the method was quite satisfactory. Finally, analyzing the Politropic Exponents Method, quoted by Gresh (2018), it can be said that this method was only acceptable for two cases. For the others, according to the deviations indicated in the tables, the method proved to be inadequate, due to significant deviations in its polytropic efficiency.

Orientador: José Luiz Gasche / Resumo: Na atualidade, um compressor precisa ter elevada eficiência para ser competitivo no mercado. Como o escoamento de refrigerante nas válvulas é uma das maiores fontes de perdas termodinâmicas, melhorias no seu projeto podem aumentar significativamente a eficiência do compressor. Simular computacionalmente válvulas de compressores utilizando modelos tridimensionais completos, além de computacionalmente caro, demanda muito tempo e, por essa razão, pesquisadores buscam metodologias simplificadas para realizar a tarefa de predizer a dinâmica das válvulas. Aqui avaliamos a aplicabilidade de um modelo híbrido para simular computacionalmente o comportamento dinâmico de um modelo frequentemente usado como válvula de sucção. Neste modelo, resolvemos o problema do escoamento tridimensional em regime transiente pela válvula aplicando o método de volumes finitos para escoamento compressível e isotérmico e a dinâmica da válvula usando um modelo massa-mola-amortecedor com um grau de liberdade. Comparamos os resultados do modelo híbrido com aqueles obtidos de um modelo tridimensional completo para a estrutura da válvula usando como parâmetros o tempo de processamento, deslocamento da válvula, força sobre a válvula e distribuições de pressão e de velocidade do escoamento. Validamos os modelos numéricos com resultados experimentais. A boa concordância entre os resultados indicam que a redução de tempo obtida pelo modelo híbrido é pequena (15% em média) e não justifica seu uso. / Mestre

Este trabalho utiliza técnicas de otimização aplicadas em projetos de turbomáquinas para otimizar a eficiência dentro e fora do ponto de projeto. O projeto de compressores e turbinas axiais são projetos complexos com diversas relações a serem consideradas e balanceadas durante a fase de projeto. Desta forma, a utilização de uma ferramenta de otimização se faz necessária para encontrar a melhor configuração para os parâmetros geométricos que afetam diretamente a eficiência e desempenho do componente comprometendo o motor turbina a gás como um todo. Foi utilizado uma metodologia de otimização hibrida reunindo a utilização de um algoritmo evolutivo e um determinístico com o objetivo de alcançar o ótimo global do projeto e acelerar o processo de otimização. Para o algoritmo evolutivo foi utilizado o NSGA II e para o determinístico o Programação Quadrática Sequencial. Os algoritmos foram aplicados a dois projetos, primeiro a uma turbina axial com projeto de linha média considerando ponto de projeto, a qual foi implementada o modelo de predição de perdas de Denton. Neste projeto foram alterados parâmetros geométricos para maximizar a eficiência minimizando as perdas. No segundo projeto foi utilizado o programa AFCC que simula um compressor operando dentro e fora do ponto de projeto, foi analisada a influência do uso de VIGVs e VSVs para operações fora do ponto de projeto, bem como a quantidade necessária de estatores variáveis no compressor, com o objetivo de encontrar o melhor ângulo de abertura para maximizar a eficiência e aumentar a faixa de operação do compressor afastando problemas de estol e bombeamento. A utilização de técnica de otimização hibrida aplicada a projeto de turbomáquinas se mostrou muito eficiente reduzindo o custo computacional em três vezes quando comparado ao algoritmo genético puro ao mesmo tempo em que se pode trabalhar com problemas multi-objetivos e encontrar o ótimo global do projeto.

Centrifugal is the main compressor type used in process industries and pipelines. This work presents the design of a centrifugal compressor in three steps. The first step is the preliminary design that has an unidimensional treatment and is heavily based on empirical data. Then, using the quasi-ortogonals method, the flow in the meridional plane of the impeller channel is analysed and the blade geometry improved. The last step consists of the compressor flow analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques using a commercial software in order to verify any deficiencies in the methodology applied in the preliminary design.

This work deals with the numerical simulation of axial flow compressors, from design to performance prediction. The stage performance prediction uses the meanline flow properties. Stage-stacking is used to analyse a multi-stage compressor. A computer program, written in FORTRAN, was developed and is able to design an axial flow compressor given air mass flow, total pressure ratio, overall efficiency and design speed. All geometrical data relevant to the compressor performance prediction is calculated after it has been bladed. From the geometrical data and for given compressor speed, the performance is calculated: pressure ratio and efficiency are determined from stall to choke. A complete compressor performance map can be produced. Validation was carried out with data obtained from the literature. Good agreement has been achieved.

Gas turbines are optimised at design point. When they operate at off-design, the performance is poor because the blade passages are not adequate for the new flow conditions. In order to improve part-load performance, it is necessary to re-shape the blade passages. This can be done with blade re-staggering. Engines with this capability are called variable geometry engines.This work aims at the development of appropriate methodologies to numerically investigate the influence of the main engine components (compressor, turbine and propelling nozzle) on engine performance, as a mean to support applications of high performance cycles that demand extreme operating conditions.An investigation of variable geometry compressor and turbine stators was carried out by means of synthesizing their performance maps at many stator blade settings and the use of such information in cycle analysis. To support the huge amount of calculations required for off-design analysis, a computer program has been developed.Validation of the methodology was performed using data available in the open literature. A powerful tool for the gas turbine simulation that had proved to produce quality results is made available to support research on new concepts for high performance cycles.

Submitted by Cristiane Chim (cristiane.chim@ucpel.edu.br) on 2017-02-13T12:39:14Z No. of bitstreams: 1 RENATO HARTWIG NEUENFELD.pdf: 1118711 bytes, checksum: 8e3e693c9c6a6328935397f57a1da60c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-13T12:39:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RENATO HARTWIG NEUENFELD.pdf: 1118711 bytes, checksum: 8e3e693c9c6a6328935397f57a1da60c (MD5) Previous issue date: 2016-12-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES# / #2075167498588264571# / #600 / In the FFT computation, the butterflies play a central role, since they allow calculation of complex terms. In this calculation, involving multiplications of input data with appropriate coefficients, the optimization of the butterfly can contribute for the reduction of power consumption of FFT architectures. In this work, different and dedicated structures for the 16 bit-width radix- 2, radix-4 and split-radix DIT butterflies are implemented, where the main goal is to minimize the number of arithmetic operators in order to produce power-efficient structures. Firstly, we improve a radix-2 butterfly previously presented in literature, reducing one adder and one subtractor in the structure. After, part of this optimized radix-2 butterfly is used to reduce the number of real multipliers in both radix-4 and split-radix butterflies. In this work, multi-operands addition schemes were exploited in order to improve the efficiency of the FFT butterflies. Combinations of simultaneous addition of 3, 5 and 7 operands are inserted in the structures of the butterflies in order to produce power-efficient structures. For the multi-operand additions, Carry Save Adder (CSA), and adder compressors are used. The main results show that the use of part of the optimized radix-2 into the radix-4 and split-radix leads to the reduction of power consumption for these structures. Moreover, the use of Carry Save Adder reduces still more the power dissipation of the optimized butterflies structures / No cálculo da Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform), as borboletas desempenham um papel principal, uma vez que elas permitem o cálculo dos termos complexos. Neste cálculo, envolvendo multiplicações de dados de entrada com coeficientes apropriados, a otimização da borboleta pode contribuir para a redução da dissipação de potência em arquiteturas FFT. Nesse trabalho são implementadas estruturas dedicadas de borboletas radix-2, radix-4 e split-radix com decimação no tempo, para dados de 16 bits de largura, onde o objetivo principal é reduzir o número de operadores aritméticos, a fim de produzir estruturas mais eficientes em termos de dissipação de potência. Primeiramente foi otimizada a estrutura da borboleta radix-2 apresentada na literatura, reduzindo um circuito somador e um subtrator nessa estrutura. Após, parte desta borboleta radix-2 otimizada foi usada para reduzir o número de multiplicadores reais nas borboletas radix-4 e split-radix. Neste trabalho também foram explorados esquemas de adição simultânea de vários operandos, a fim de melhorar a eficiência dessas borboletas FFT. Combinações de somas simultâneas de 3, 5 e 7 operandos são inseridos nas estruturas das borboletas, a fim de produzir estruturas de baixa dissipação de potência. Para tal, foram utilizadas arquiteturas de somadores do tipo Carry Save Adder (CSA) e somadores compressores. Os principais resultados mostram que o uso de parte da borboleta radix-2 otimizada nas borboletas radix-4 e split-radix, leva à redução da dissipação de potência nessas estruturas. Além disso, a utilização de somadores do tipo Carry Save reduz ainda mais a dissipação de potência nas estruturas das borboletas otimizadas. Palavras-chave: FFT. radix-2. radix-4. split

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T02:02:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Ensaios de desempenho de compressores de refrigeração são importantes para avaliar características energéticas do compressor, tais como capacidade de refrigeração e consumo. Essas características são indicadores de eficiência desses produtos. Os resultados desses ensaios são geralmente obtidos pela indústria através de bancadas específicas. Tais bancadas são produzidas utilizando conceitos e equipamentos semelhantes. Entretanto, possíveis desvios podem ocorrer na medição da capacidade de refrigeração de um compressor, quando esse é ensaiado em diferentes bancadas ou numa mesma bancada em momentos distintos. É usual a utilização de compressores amaciados para intercomparação e avaliação da deriva temporal das bancadas de ensaios de desempenho de compressores. Porém, existem algumas limitações no uso desses compressores específicos como padrões de capacidade de refrigeração. Os compressores padrões utilizados, como qualquer outro, sofrem desgastes naturais com o passar do tempo, gerando, assim, dúvidas quanto à fonte dos possíveis desvios de resultados detectados. Tais desvios podem ser devidos tanto à bancada de ensaio quanto ao próprio compressor padrão. Além disso, quando um compressor padrão se danifica a referência histórica é perdida. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um conceito de padrão de capacidade de refrigeração. A capacidade de refrigeração, em condições preestabelecidas, é proporcional à vazão mássica do fluido de refrigeração. Sendo assim, o padrão proposto neste trabalho consiste basicamente de um medidor de vazão mássica e um compressor de capacidade variável cuja frequência rotacional é realimentada através da vazão mássica medida. Através dos resultados obtidos, em ensaios de controle de vazão mássica realizados em bancada desenvolvida para esse fim, foi possível validar o conceito de padrão de capacidade.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-26T04:13:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2015-03-18T20:28:57Z : No. of bitstreams: 1 299422.pdf: 4923912 bytes, checksum: 3816002841e4eb305a3bd60397aed8d0 (MD5) / Técnicas de inteligência artificial têm sido usadas com sucesso nos mais diversos campos do conhecimento. Uma aplicação ainda incipiente, mas altamente promissora, é a inferência de resultados de regime a partir de dados de transitório em ensaios de desempenho de compressores de refrigeração com emprego de redes neurais. Os parâmetros de desempenho usuais são capacidade de refrigeração, consumo e coeficiente de performance. Tais ensaios são realizados em larga escala nas indústrias fabricantes de compressores, tanto no desenvolvimento e na determinação de dados de catálogo, quanto no dia-a-dia do controle da qualidade. Pesquisas recentes que tiveram a participação do autor demonstraram que com o emprego de redes neurais é possível se conseguir redução significativa no tempo médio de ensaio por compressor, que de quatro a cinco horas passa para cerca de uma hora. O problema está em garantir a confiabilidade dos resultados, para que a aplicação de tais métodos possa ser aceita pelas comunidades técnico-científica e industrial. Nesse contexto, o presente trabalho de doutorado propõe uma abordagem inédita de conjugação de ferramentas de inteligência artificial com técnicas que representam o estado-da-arte em metrologia, objetivando garantir confiabilidade aos resultados de ensaios de desempenho de compressores de refrigeração. A abordagem proposta contempla tanto as incertezas inerentes à medição das grandezas envolvidas, quanto os processos de treinamento e aplicação das redes neurais. Como contribuições adicionais são propostas: utilização de redes fuzzy-bayesianas para inferência do regime permanente de variáveis relacionadas ao desempenho de compressores; aplicação simultânea de meios físicos de aceleração de transitórios e das ferramentas desenvolvidas. Para analisar a efetividade das propostas, foram realizados 210 ensaios em condições normais de transitório e 65 em condições de transitório acelerado. Por normas vigentes aplicáveis a ensaios de desempenho de compressores, quando aplicados dois métodos de medição independentes, os resultados são admitidos válidos quando não divergirem entre si de mais do que 4%. Os resultados deste trabalho mostram que em 100% dos casos de aplicação das técnicas a ensaios com redução do transitório se alcançaram diferenças menores que 1,5% em relação a resultados de ensaios realizados pelos meios tradicionais. O tempo médio de ensaio passou para 48 minutos. Os resultados alcançados mostram que o conjunto de técnicas propostas, além de agregar confiabilidade ao processo, permite reduzir de forma substancial o tempo demandado por tais ensaios. / Artificial Intelligence (AI) has been playing a successful role in different fields of engineering and science. An incipient AI application, but highly promising, is the steady-state prediction of refrigeration compressor performance tests based on unsteady-state data analysis. Neural networks are used for such prediction. Performance tests are typical experimental activities which aim in measuring fundamental compressor performance characteristics such as: refrigerating capacity; power consumption and coefficient of performance. These tests have three main purposes: research and development activities, determination of catalog parameters, and quality control. Recent research projects demonstrate that neural networks techniques can be used to reduce performance test time from the typical 4-5 hour to less than one hour. The main issue is ensuring confidence to the predictions and therefore making them acceptable to scientific and industrial communities. In this sense, the present doctoral thesis conceives a novel way for integrating AI and metrological tools aiming confidence assurance on refrigeration compressor performance tests. In this sense, measurement uncertainties - related to quantities used for prediction - are taken into account during training and operation phases of neural networks. Additional contributions are: a fuzzy-bayesian network to infer steady-state during compressor performance tests; simultaneous use of unsteady-state reduction tools and the AI tools developed in this thesis. The proposal's effectiveness is evaluated on 210 performance tests run under typical unsteady-state conditions and 65 tests run under reduced unsteady-state conditions. The standards - related to refrigeration compressor performance tests - impose the use of two independent methods for refrigerating capacity measurement which results must not disagree more than 4%. The results - obtained using AI tools enhanced by this thesis proposed techniques - show that all reduced unsteady-state tests achieved differences to standards methods within 1.5%. Moreover, the mean test duration was reduced to 48 minutes. The achieved results show that more than ensuring confidence the proposed techniques allow substantial reduction in test duration.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial. / Made available in DSpace on 2012-10-23T17:29:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 267034.pdf: 1599552 bytes, checksum: 2c8388a0a45f046c74a396de8a0e638b (MD5) / Os ensaios de desempenho figuram entre os mais importantes para a indústria de compressores para refrigeração. A sua principal finalidade é estabelecer a capacidade de refrigeração, o consumo de potência ativa e o coeficiente de performance (COP) do compressor. Os equipamentos utilizados atualmente para avaliar o desempenho de compressores de refrigeração, em geral, são dimensionados para atender às normas que regulamentam o ensaio. Em certas aplicações - pesquisa e desenvolvimento, por exemplo - as incertezas desejadas podem ser muito menores que as especificadas nas normas comumente utilizadas. No entanto, seja qual for a exatidão requerida, faz-se necessária a determinação da incerteza de medição imposta pelas cadeias de medição utilizadas para medir as grandezas de interesse. Nesse contexto, este trabalho objetivou o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para a avaliação da incerteza das cadeias de medição utilizadas em painéis automatizados de ensaios de desempenho de compressores de refrigeração. Foi proposto e desenvolvido um sistema que permite ao usuário caracterizar instrumentos de medição e associá-los para configurar cadeias de medição específicas, possibilitando a análise da incerteza de medição para cada grandeza envolvida, ao longo de todas as faixas de medição e para qualquer condição de ensaio. O método de avaliação da incerteza aplicado foi o da simulação de Monte Carlo. A validação do sistema consistiu em verificar se as técnicas e metodologias declaradas como conformes na etapa de implementação estavam sendo executadas a rigor. Para isso, foi realizada uma aplicação do sistema a uma bancada de ensaio de desempenho de compressores, comparando-se os resultados obtidos com os da abordagem de avaliação de incertezas proposto pelo ISO GUM. Os resultados obtidos com o sistema permitiram comprovar a sua plena funcionalidade e a eficácia dos métodos e técnicas utilizados para o processamento dos dados de entrada e realização da avaliação da incerteza.