Orientador: Jose Vicente Hallak d'Angelo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-15T03:30:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lobosco_RaquelJahara_M.pdf: 1406343 bytes, checksum: 34dc2d91be7e56471efaccf2dae92582 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho apresenta a proposta de uma função para avaliação do desempenho de ciclos de refrigeração, do ponto de vista termodinâmico e ambiental, através da análise estatística dos resultados da simulação computacional de um ciclo de refrigeração por compressão a vapor. A função proposta representa um índice global de avaliação da eficiência termodinâmica e dos critérios ambientais e foi desenvolvida com o intuito de facilitar a combinação de critérios utilizados na avaliação de ciclos termodinâmicos e envolve a análise exergética do ciclo, valores do COP (coefficient of performance), do ODP (ozone depletion potencial) e do GWP (Global Warming Potential). Para a simulação computacional foi utilizado o software Hysys versão 3.2 da Aspen Technology. As simulações permitiram testar diferentes combinações de misturas de refrigerantes. As equações de estado de Peng-Robinson e Peng-Robison Stryjek-Vera (PRSV) foram comparados entretanto a equação de estado Peng-Robinson foi utilizada neste trabalho para estimar as propriedades termodinâmicas. Foram consideradas neste trabalho duas eficiências do compressor, 55% e 75%. Nas simulações foram avaliados diversos refrigerantes puros (R134a, R290, R152a e R600a) e misturas binárias dos mesmos em três proporções mássicas: 75%, 50% e 25%. O desempenho do ciclo termodinâmico foi avaliado com uma variação de 10% e 20% das pressões da região de alta pressão e de baixa pressão e através dessa avaliação foi possível sugerir nova faixa de atuação das pressões visando uma otimização do ciclo. Através do índice da função de desempenho foi possível determinar que o R600a e suas misturas são os refrigerantes mais adequados para o ciclo proposto / Abstract: This work presents a proposal function to vapor compression refrigerator cycle performance from environmental and thermodynamic point of view. The function was developed through the statistic analysis of a refrigerator cycle computational results. The proposal function represents an evaluation indice of efficiency and environment criterions and was developed to make the analysis of combining criterions evaluations easier in thermodynamics cycles. It includes an exergetic analysis, COP (Coefficient of Performance), ODP (Ozone Depletion Potencial) and GWP (Global Warming Potential). Software Hysys version 3.2 from Aspen Technology was used for computational simulation development. The simulations allowed testing several combinations of refrigerants. The thermodynamic packages Peng-Robison and Peng-Robison Stryjek and Vera was compared however Peng-Robinson equation of state, was used to estimate thermodynamic properties of proposed cycle in this work. Two different efficiencies for the compressor were considered, 55% and 75%. The mixtures of refrigerants tested were pair's combinations of: R134a, R290, R152a and R600a. The variation of these mixtures was in the following proportions: 75, 50 e 25% and it was compared with the own refrigerant. In order to evaluate the performance of refrigerant mixtures, the pressure of high pressure region and low pressure region suffered a change of 10%. With this analysis was possible to suggest a new pressure range for cycle optimization. Considering the values of performance function, it was possible to conclude that R600a and its mixtures are the most indicated ones to be used in the proposed cycle / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Jose Vicente Hallak D'Angelo / Teses (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-15T17:52:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabrega_FrancinedeMendonca_D.pdf: 2288769 bytes, checksum: 42c859846af4183cbee87d9363d4cffb (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A indústria petroquímica é o setor industrial que utiliza como matéria prima derivados do petróleo, principalmente a nafta petroquímica, da qual se produzem substâncias como o etileno e propileno. Nesse processo industrial utilizam-se ciclos de refrigeração de larga escala que fornecem utilidades frias ao processo, em especial aos condensadores das colunas de destilação e destacam-se por serem grandes consumidores de energia, sendo de extrema importância que estes ciclos operem de forma otimizada visando a redução de custos. A Quattor Unidade de Químicos Básicos Cracker ABC, localizada no Pólo Petroquímico de Capuava, em Santo André (SP) vem produzindo atualmente 700 mil t/ano de etileno, sendo umas das principais produtoras do setor. A fim de reduzir os custos de processos industriais, as análises exergética e exergoeconômica seguidas da otimização termoeconômica são ferramentas que têm sido empregadas com sucesso. Neste trabalho, com o objetivo de otimizar o sistema de refrigeração que produz as utilidades frias, foi utilizado o simulador comercial Hysys© versão 3.2 para a simulação do processo produtivo e do ciclo de refrigeração, obtendo-se as grandezas termodinâmicas necessárias para o cálculo da análise exergética. Aplicando a metodologia desenvolvida por Lozano e Valero (1993) foi possível calcular os custos de cada corrente do processo utilizando o software Matlab 7.0. A otimização do processo foi realizada utilizando-se a ferramenta Optimizer presente no próprio simulador. A função objetivo foi definida visando minimizar a exergia destruída no processo e o método de otimização utilizado foi o SQP (Sequential Quadratic Programing). Com a metodologia aplicada a exergia destruída foi reduzida em 19,95%. Em relação aos custos exergéticos foi obtida uma redução de 10,94% e os custos exergoeconômicos foram reduzidos em 6,45% (SQP) representando uma economia de 77000 R$/h / Abstract: Petrochemical industries use many oil derivatives as raw materials, especially petrochemical naphtha, from which many chemicals, like ethylene and propylene, are obtained. The industrial process that produces these products uses large scale refrigeration cycles which generate the cold utilities streams used in the condensers of the distillation columns. These refrigeration cycles are great energy consumers, so it is very important that they operate in an optimized way in order to reduce operational costs. Quattor Unidade de Químicos Básicos Cracker ABC, located at Capuava Petrochemical Pole in Santo André (São Paulo State) produces 700 thousand tons of ethylene per year and is one of the main producers of the petrochemical sector in Brazil. Exergetic and exergoeconomic analysis followed by a procedure of thermoeconomic optimization are a set of important tools used to improve industrial processes and they have been used successfully in many cases. In this work, aiming the optimization of the refrigeration system that generates the cold utilities for the process, a commercial simulator, Hysys© version 3.2, was used to simulate both the industrial process of ethylene and propylene production and the refrigeration cycles of the process, obtaining the thermodynamic properties of the streams present in the process, which are necessary for the exergetic analysis. Using the methodology developed by Lozano and Valero (1993) it was possible to calculate the costs of each process stream using software Matlab 7.0. The optimization of the process was performed using the Optimizer Tool available in the simulator, by defining an objective function to be minimized as being the total destroyed exergy in the process. The chosen optimization method was SQP (Sequential Quadratic Programming). With these tools and using the referred methodology, the total destroyed exergy in the process was reduced in 19.95%. Considering exergetic costs, a reduction of 10.94% was achieved and the exergoeconomic costs were reduced in 6.45%, representing an economy of 77000 R$/h for the process / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Vinasse, a wastewater rich in organic matter, nutrient and water, is commonly used for fertigation of sugarcane plantation. However, this practice is questionable in the environmental sphere because of problems, such as contamination of groundwater and greenhouse gases emission. Researchers have sought for alternatives that use vinasse in a more sustainable way, e.g., biorefineries that recover resources. In general, the pathways considered are the concentration technologies to reclaim water and nutrient, and the anaerobic digestion (AD) to produce biogas. This thesis reports on a study of five designs of vinasse biorefineries that incorporate anaerobic bioreactors followed by a concentration technology (evaporation (EV), reverse osmosis (RO) or forward osmosis (FO)). Different forms of regeneration of the draw solution (DS) namely evaporation, reverse osmosis and membrane distillation (MD) were also analyzed. The alternatives were compared through an exergy analysis, a method that evaluates efficiency in the conversion of resources by systems. The results showed Alternative 2 (anaerobic digestion + reverse osmosis) was the most efficient (64%), since the treatment of 491.76 m3 vinasse h-1 (exergy content of 60513.8 kW) to recover 80% of water reduced 76% of external water requirement and generated 12% more electricity (2601 kW exergy) for the industry. / O desenvolvimento de biorrefinarias voltadas à recuperação de recursos é uma tendência crescente que visa promover sistemas alternativos para obtenção de energia e materiais de forma mais sustentável. Dentro deste conceito está o aproveitamento da vinhaça das indústrias de cana-de-açúcar de modo a recuperar água, nutrientes e energia como produtos de interesse. Para isso, é necessário avaliar as possíveis configurações tecnológicas voltadas a este objetivo. No presente trabalho, foram estudados cinco designs de biorrefinaria de vinhaça incorporando uma rota de produção de metano, formada pelo processo de digestão anaeróbia, e uma forma de concentração do efluente. Os métodos para obtenção de água foram evaporação, osmose reversa e osmose direta. Neste último, foram analisadas diferentes formas de regeneração da solução de separação: evaporação, osmose reversa e destilação por membranas. A comparação das alternativas de biorrefinaria foi feita pelo método da análise de exergia, que atua na avaliação da eficiência de conversão dos recursos em sistemas. Esta ferramenta possui como medida base o trabalho útil que pode ser obtido a partir das correntes envolvidas no processo. Desta forma, observou-se que tecnologias que empregam calor como energia de entrada tendem a ser menos eficientes do que as que empregam eletricidade. Neste caso, as alternativas com processo de osmose reversa apresentaram maiores eficiências exergéticas, por exemplo, ao se recuperar 70% de água, sua eficiência seria de 64%. Portanto, sugere-se que a digestão anaeróbia da vinhaça seguida da concentração por osmose reversa seria a configuração mais interessante para concepção de uma biorrefinaria de vinhaça.

O hidrogênio molecular (H2) é um gás muito útil nas indústrias químicas e petroquímicas por conta de sua facilidade de reação com outros elementos químicos. Nas refinarias é o principal insumo no processo de remoção do enxofre de diversos combustíveis como a gasolina e óleo diesel, tendo sua demanda aumentada por conta de novas legislações ambientalmente mais restritivas. O hidrogênio é normalmente encontrado na natureza associado a outros elementos químicos, como a água ou os hidrocarbonetos, sendo necessária a aplicação de processos específicos para sua obtenção. Considerada a rota mais econômica para a produção de hidrogênio, o processo de reforma a vapor do gás natural é avaliado pela aplicação da metodologia de análise exergética e termoeconômica, a fim de determinar a eficiência exergética do processo e o custo de produção do hidrogênio. Este custo de produção é muito sensível ao custo do gás natural, fato que pode prejudicar a competitividade desta rota de produção e, consequentemente, abrir a possibilidade de investir na produção de hidrogênio através de tecnologias alternativas. A unidade de geração de hidrogênio estudada está presente em uma das refinarias da Petrobras e sua produção destina-se à remoção do enxofre presente no óleo diesel. Uma planta síntese do processo foi elaborada e as eficiências exergéticas dos componentes foram determinadas. Em seguida, foi realizada uma análise econômica para determinar o custo de construção, operação e manutenção da planta. Com base nos resultados obtidos, aplicou-se a metodologia de análise termoeconômica para determinar o custo de produção de hidrogênio. Dois tipos de custo foram determinados, o custo atual (ou atualizado) de produção, que indica o custo corrente (2010) do produto, e o custo nivelado, que leva em consideração a produção total prevista ao longo vida útil da planta. Para um custo de gás natural igual a 9,11 US$/GJ, o custo de produção do hidrogênio em base exergética foi igual a 17,36 US$/GJ (2.093,13 US$/t) para o valor atual e 25,35 US$/GJ (3.056,97 US$/t) para o valor nivelado. Por fim, estes valores são comparados com outros custos de produção de hidrogênio presentes na literatura. / Pure hydrogen (H2) is an useful gas in chemical and petrochemical industries because it reacts easily with several other elements. On refineries, hydrogen is used to sequestrate sulphur from diesel and gasoline. Emission restrictions regard to fossil fuels are rising the world hydrogen demands. In spite of its abundance, hydrogen is normally found associated with other chemical species like water or hidrocarbons like methane or butane. Some especific processes are required to obtain pure hydrogen. Considered the most economic production route, the natural gas reforming process is analyzed by exergetic and thermoeconomic methods in order to determine the efficiencies and the hydrogen production cost. The hydrogen production cost is very sensitive to the cost of natural gas, which has suffered constant increases due to rising demand. This fact opens the possibility of using technologies that were previously considered economically unviable. The hydrogen unit studied was constructed in one of the Petrobras refineries, and the hydrogen produced is for the removal of sulfur in diesel oil. Based on project documents exergetic efficiencies of each component were determined. After that, an economic analysis was conducted in order to determine the construction, operation and maintenance costs of the whole plant. Two types of cost were determined, the actual cost production, which indicates the current cost product (2010), and the levelized cost, which takes into account the total production over life of the plant. Considering a natural gas cost equal to 9.11 US$/GJ, it was obtained an actual hydrogen production cost of 17.36 US$/GJ (2,093.13 US$/t) and a levelized cost of 25.35 US$/GJ (3,056.97 $/t). These values were compared with some hydrogen production costs presents on scientific papers and related references.

The primary aim of this thesis is to propose a method to develop the process synthesis and optimization of the production of syngas and ammonia, as well as other byproducts such as marketable CO2, in synthetic nitrogen fertilizers (SNF) complexes. The baseline analysis relies on a typical 1000 t/day ammonia production plant composed of syngas production, purification (CO2 capture) and compression systems, along with an industrial ammonia synthesis unit. Initially, exergy and exergoeconomy analyses are used to identify the most important sources of energy consumption and irreversibility associated to the operation units of the integrated plant. From these results, a variety of alternatives for the improvement of the performance at the plantwide and component level are thoroughly examined along the different chapters. Due to the large amount of possible configurations and interrelations, the optimization process may become a formidable engineering task to be solved by using merely trial and error approaches. Accordingly, a systematic approach, based on the combination of heuristics, thermodynamic principles and mathematical programming is used to identify, evaluate, and determine the best configurations in terms of exergy consumption, degree of energy integration, process irreversibility, atmospheric CO2 emissions and operating costs. In this way, the process synthesis and optimization include not only the modification of the main process parameters but also the arrangement of the chemical plant components, suitably integrated to the waste heat recovery and cogeneration systems. Several aspects concerning: (i) the choice of the syngas purification system, (ii) the nature of the energy resources consumed, (iii) the exploitation of the thermodynamic potential at higher temperatures, (iv) the increase of the pre-combustion carbon capture by introducing chemically recuperated concepts, (v) the gradual variation of operating conditions by applying Le Châtelier and Counteraction principles, as well as (vi) the environmental benefits of using alternative energy sources to decarbonize the SNF sector are analyzed in the light of the reduced room of improvement found in modern conventional ammonia production facilities. The results show significant potentials for decreasing the exergy intensity and environmental impact of those facilities. This allows issuing relevant recommendations for revamping the existing plants or embracing new approaches that attempt to minimize the economic costs, the process inefficiencies and mitigate the environmental impact produced. An efficiency increase of about 8-10% can be achieved by using more efficient combined cycle cogeneration systems with an affordable marginal investment cost. Alternative configurations with enhanced pre-combustion carbon capture, using either a CRGT system or upgraded biomass residues, may help cutting down the overall CO2 emissions in the syngas production in 20-28% or even promoting the decarbonization of the SNF sector at net rates of atmospheric CO2 depletion close to -2.3 tCO2/tNH3, respectively. The reduction of the process irreversibility has been also reduced by 10-13% in an industrial ammonia synthesis unit through the application of dual pressure systems and the introduction of a purge gas treatment process. / Sem resumo

O resíduo da primeira destilação do vinho, a vinhaça, destaca-se dentre os demais gerados na produção de etanol de cana-de-açúcar pelo seu grande volume e alta concentração de substâncias orgânicas. O tratamento anaeróbio desse efluente pode melhorar suas características físico-química (e.g. pH e DQO) além de produzir um combustível alternativo ao gás natural, o biogás. No entanto, apesar dos possíveis ganhos energéticos e ambientais, essa tecnologia apresenta dificuldades em se tornar viável no setor sucroenergético. Tendo em vista esse cenário, este trabalho propõe uma nova análise termodinâmica, baseada no método exergético, do potencial da vinhaça e do biogás provindo de seu tratamento. Para isso, modelou-se a digestão anaeróbia da vinhaça por meio do ADM1 (Anaerobic Digestion Model Nº1) e atualizou-se o cálculo da exergia química deste efluente. Assim, os resultados obtidos indicam que o tratamento anaeróbio pode recuperar uma significativa parcela da exergia descartada com a vinhaça (44-52% de 189-1529 kJ/l), dependendo da degradabilidade e concentração do material orgânico, bem como o regime de operação do reator anaeróbio. Nota-se também, que apesar de a digestão anaeróbia ser mais eficiente com maiores tempos de retenção hidráulica, é preferível maximizar o volume de vinhaça tratada em detrimento da qualidade de conversão. Além disso, o desempenho anual da geração de biogás também é afetado pelo seu processo de partida e pela sazonalidade da produção de etanol. Por outro lado, a planta de biogás promove maiores reduções de exergia destruída em comparação com a fertirrigação e a concentração de vinhaça. Possíveis integrações térmicas entre a planta de biogás e a unidade de concentração de vinhaça foram propostas e analisadas, atingindo melhores eficiências exergéticas e reduzidas demandas térmicas. De forma geral, esse estudo demonstra a aplicação do método exergético na valorização de resíduos orgânicos por meio da produção de biogás. / The residue of the first distillation of wine, vinasse, stands outs in the sugarcane ethanol production due to its huge volume and high concentration of organic substances. The anaerobic treatment of this effluent can enhance its physical-chemical characteristics (e. g. pH and COD) in addition to produce an alternative fuel to natural gas, the biogas. However, although there are possible gains in the energy and environmental aspects, this technology presents difficulties to become viable in Brazilian market. Therefore, this work proposes a new thermodynamic analysis, based on the exergy method, of the potential of vinasse and biogas produced in its anaerobic treatment. In order to accomplish this, the anaerobic digestion of vinasse was modeled with ADM1 (Anaerobic Digestion Model Nº1) and the chemical exergy calculation of this effluent was updated. Thus, the results obtained indicate that the anaerobic treatment can recover a significant part of vinasse exergy (44-52% of 189- 1529 kJ/l), depending on the digestible material concentration, as well as the anaerobic reactor operation. It also can be notice that, although anaerobic digestion be more efficient at higher retention times, it is desirable to maximize treated vinasse volume to the detriment of conversion quality. Furthermore, the biogas production yearly performance is also affected by the reactor start-up process and the ethanol production seasonality. On the other hand, the biogas plant promotes higher reductions of exergy destruction in comparison with fertirrigation and vinasse concentration. Possible thermal integrations between the biogas plant and the vinasse concentration plant were proposed and analyzed, reaching better exergy efficiencies and reduced thermal demand. In general, this study demonstrates the exergy method application in organic residues upgrade by biogas production.

O modelo brasileiro de geração de energia elétrica possui características muito peculiares em relação aos demais países do mundo. Seu vasto parque hidrelétrico possibilitou ao país utilizar indiscriminadamente a eletricidade em diversas formas de uso final. Porém, com a transição do modelo hídrico para um modelo misto de geração, surge um novo paradigma de eficiência energética. A eletricidade consumida em usos finais térmicos pode agora ser substituída por diferentes fontes energéticas de origem química, como o gás natural e a biomassa. Nesse novo cenário, a energia primária pode ser convertida tanto em energia elétrica, quanto em energia útil, na forma de calor. O objetivo desta pesquisa foi identificar a distorção presente no atual modelo energético nacional e avaliar o potencial de economia de energia primária possível de ser obtido pela substituição de eletricidade por fontes de origem química, em usos finais térmicos. A hipótese formulada é de que o uso racional da energia, segundo sua qualidade exergética e finalidade de uso, pode reduzir significativamente o consumo de energia primária. Para comprovar essa hipótese, foram realizadas estimativas de substituição de eletricidade por gás natural, nos usos finais térmicos de todos os setores de consumo. Além disso, foi realizada uma análise comparativa entre diversos países do mundo, quanto ao uso do calor em suas matrizes energéticas, a fim de estimar o percentual de eletricidade que poderia ser substituído no Brasil e a quantidade de energia química equivalente que seria demandada. Também foram estimados os possíveis ganhos ambientais decorrentes de tal substituição. Os resultados obtidos mostram a relevância do tema e o impacto que uma política de uso racional da energia poderia alcançar. / The electrical generation model of Brazil has a peculiar characteristic regarding other countries. Its large hydropower capacity allowed the indiscriminate use of the electricity for several kinds of end uses. However, with the transition of the hydroelectric generation model for a mixed generation model, a new paradigm of energy efficiency appears. The electricity consumed in the thermal end uses can be now substituted by other energy sources like natural gas and biomass. In that new scenario, the primary energy can be converted in electricity as well as useful energy. The objective was to identify the existent distortion in the current Brazilian model and to evaluate the economy potential of primary energy that could be obtained substituting the electricity by chemical energy in thermal end uses. The formulated hypothesis is that the rational use of energy, according to its exergy quality and purpose of use, can reduce significantly the primary energy consumption. The substitution of electricity by natural gas was simulated for all the thermal end uses of the energy mix. Besides, a comparative analysis taking into account other countries was carried out about the use of heat in the energy mixes, in order to estimate the electricity percent that could be substituted in Brazil and the equivalent amount of chemical energy that would be demanded. The possible environmental gains promoted by that substitution was also estimated. The results show the relevance of the theme and the impact that a policy of energy efficiency could attain.

A análise exergética é aplicada ao ser humano para avaliar a qualidade dos processos de conversão de energia no corpo e seus sistemas, assim como nos processos bioquímicos do metabolismo. Sabe-se que a vida tem um início, um desenvolvimento e um fim, ou seja, um típico exemplo de processo irreversível. Como tanto a idade cronológica como a entropia gerada são grandezas positivas (caminham no mesmo sentido), esta última passa a ser denominada de flecha do tempo (arrow of time). Assim, a partir da aplicação da Segunda Lei da Termodinâmica, torna-se possível desenvolver e aplicar índices baseados no conceito de exergia destruída/entropia gerada e rendimento exergético para diferentes áreas do conhecimento como medicina (comparação de técnicas de hipotermia), esportes (teste ergoespirométrico) e engenharia (conforto térmico). Para tal, propõe-se um modelo do corpo humano que leva em conta a transferência de exergia para o ambiente, a qual é causada pela radiação, convecção, vaporização e respiração. O metabolismo exergético é calculado com base na variação da exergia de três reações de oxidação: carboidratos, lipídeos e aminoácidos. Para condições ambientais transientes, calcula-se a variação temporal da exergia do corpo, e ainda, o máximo trabalho que o corpo pode executar a partir da hidrólise do ATP (adenosina trifosfato). O corpo humano aproveita aproximadamente 60% da exergia dos macronutrientes ingeridos na forma de ATP, 5% é dissipada na forma de calor e o restante destruída. Se o indivíduo estiver em repouso, toda a exergia da molécula de ATP é destruída ou dissipada na forma de calor. A exergia destruída tende a diminuir em função da idade tanto para condição basal como também para atividades físicas. Calculou-se que a exergia destruída durante uma vida equivale a 3091MJ/kg (ou entropia gerada de 10,2MJ/kgK). O rendimento exergético, no entanto, diminui em decorrência da idade para condição basal, porém aumenta durante atividades físicas. Pode-se ainda afirmar que o corpo destrói menos exergia e é mais eficiente quando submetido a condições de alta temperatura operativa e baixa umidade relativa. A análise exergética acarretou em interpretações complementares ao balanço de energia, pois, a partir de sua aplicação, foi possível distinguir corredores de acordo com o nível de atividade física, ou seja, corredores mais bem treinados podem realizar mais trabalho para o mesmo valor de exergia destruída. Finalmente, foi possível identificar diferentes técnicas de hipotermia tomando por base a comparação das eficiências exergéticas. / Exergy analysis is applied to the human being aiming to assess the quality of the energy conversion processes that take place in the body, its several of systems and in biochemical reactions involved in these processes. It is known that life has a beginning, a development and an end, therefore, it is a typical example if irreversible process. As the chronological age and entropic generation are positive quantities (increases in the same direction), this last one is named arrow of time. Hence, it becomes possible to obtain indices based on the concept of destroyed exergy and exergy efficiency for different areas of knowledge such as: medicine (different techniques of hypothermia), sports (ergoespirometric test) and mechanical engineer (thermal comfort). To this end, it is proposed a model of the human body which takes into account the exergy transfer rates to the environment associated with radiation, convection, vaporization and respiration. The metabolism exergy basis is calculated based on the exergy variation of the reactions of oxidation of three reference substances: carbohydrates, lipids and amino acids. For transient environmental conditions it is calculated the exergy variation of the body over time. Moreover, it is possible to calculate the maximum work that can be obtained from the hydrolysis of ATP (adenosine triphosphate). This procedure was applied to a thermodynamic model of human body for basal conditions and to experimental results of runners during different level of physical activities. The human body uses about 60% of the exergy of nutrients to obtain ATP, the rest is destroyed or dissipated as heat. Destroyed exergy rate tends to decrease as a function of lifespan (for basal conditions and during physical activities). The destroyed exergy during lifespan was calculated as 3091MJ/kg (or entropy production of 10.2MJ/kgK). The exergy efficiency decreases as a function of age in basal condition, but it increases during physical activities. The destroyed exergy rate is smaller and the exergy efficiency is greater for high operative temperatures and low relative humidities. The exergy analysis led to additional information regarding the First Law of Thermodynamics, because from its application it was possible to differentiate runners according to their training level, for the same destroyed exergy better trained subjects could perform more work. Finally it was possible to distinguish different techniques of hypothermia from the concept of exergy efficiency.

Com a necessidade de novos investimentos no setor energético, e o emprego de técnicas que minimizem as agressões ao meio ambiente, a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis tem se mostrado importante na matriz energética brasileira. Diante da grande concentração de usinas de cana-de-açúcar no interior de São Paulo e considerando que a biomassa proveniente destas agroindústrias vem demonstrando grande importância na produção de energia, foi feita uma análise energética, exergética e ambiental, baseadas nos princípios da Termodinâmica, de sistemas de geração de energia elétrica em sucroalcooleiras do interior paulista. E ainda, foi realizada uma avaliação do melhor sistema de aproveitamento dos subprodutos da cana-de-açúcar proveniente deste setor. Nesse contexto, foram realizados estudos de caso em duas agroindústrias, indicando qual delas apresenta o melhor desempenho no sistema. A que mais se destacou foi aquela que emprega um sistema de alta e média pressão, utilizando-se apenas de duas caldeiras ao invés da outra que contém cinco. Os valores de eficiência energética foram de 82% e 75% para a de melhor e menor desempenho, respectivamente, e de performance exergética, de 31,02% e 26,15%, na mesma ordem. Mostrando, então, a diferença entre a utilização somente da Primeira Lei da Termodinâmica e ao aplicar também o Segundo Princípio para realizar um estudo mais aprofundado e, então, complementá-la. Na análise ambiental foram aplicados indicadores exergéticos que se apresentaram como viáveis instrumentos de avaliação de impacto ambiental, pelos quais foi classificada como sendo a de menor taxa de poluição para a usina que obteve a melhor eficiência termodinâmica na utilização do bagaço como insumo energético. / Due to necessity of new investments in the energy sector, using techniques that minimize environmental damages, the generation of electricity from renewable sources has shown important in the Brazilian energy matrix. Given the high concentration of sugar and alcohol mills in São Paulo and considering that the biomass from these agro-industries has presented great importance in energy production, it was made an energy, exergetic and environmental analysis, based on the laws of Thermodynamics, on systems of energy generation used in sugarcane industries in São Paulo State. And, it was made an evaluation of the best exploitation system from sugarcane sub-products of this sector. In this context, case-studies were conducted in two sugarcane power plants, denoting which of them had the best performance. The industry that uses a system of high and medium pressure was the plant that stood out, using only two boilers instead of one that uses five. The values of efficiency were 82% and 75% for the one that showed better accomplishment and for plant that produced a lower efficiency, respectively, and exergetic efficiency of 31.02% and 26.15%, in the same order. These results presented the difference between using only the First Law of Thermodynamics and to apply the Second Law also for the purpose of to make a more detailed study in order to complement it. For an environmental analysis, energy indicators were applied and they presented themselves as viable evaluators of environmental impact, which was presented as the lower rate of pollution to the plant that showed the greatest efficiency in the use of bagasse as an energy input.

A revolução industrial levou a sociedade ao incremento do uso de fontes de energia e, no século XX, ao uso intensivo de derivados de petróleo, pelo desenvolvimento dos automóveis como meio de transporte. Ou seja, nos últimos séculos a sociedade tem usado como base de seu crescimento os combustíveis de origem fóssil, que na atualidade, além de seu esgotamento têm originado problemas ambientais derivados de seu uso. Dada esta situação, surge a necessidade de pesquisar sobre fontes alternativas de energia que tenham um menor impacto ambiental, como por exemplo, os chamados biocombustíveis, os quais são, na realidade, combustíveis de origem biomássica. Neste trabalho, fazendo-se uso da análise exergética e exergo-ambiental, são avaliadas diferentes rotas de produção de biocombustíveis: hidrólise ácida do amido da polpa da banana ou da banana, e hidrólise enzimática do material lignocelulósico de resíduo do cultivo da banana para obter açúcares que depois são fermentados e destilados para obtenção de etanol; produção combinada de açúcar e etanol mediante a moagem da cana de açúcar, concentração, cozimento e refino do açúcar e fermentação e destilação dos açúcares da cana-de-açúcar para produzir etanol; assim como a extração e transesterificação do óleo da palmeira-do-dendê para a produção de biodiesel. Para a análise da produção combinada de açúcar e etanol usando a cana de açúcar, e a extração do óleo da palmeira do dendê, foram usados dados técnicos obtidos de plantas de produção localizadas na Colômbia operando em condições normais. Para a produção do biodiesel, foram usados dados técnicos obtidos da planta de produção piloto da Universidade Nacional de Colômbia, e para a modelagem das rotas de produção de etanol usando o material vegetal da banana, os dados de análises experimentais feitos no Laboratório do Bioprocessos da Universidade Nacional de Colômbia. A análise é feita considerando desde o cultivo da biomassa até a obtenção do biocombustível, dividindo cada rota de produção em seus principais volumes de controle: cultivo da biomassa, processos de produção, planta de utilidades e a planta de tratamento dos resíduos. Em cada volume de controle é definida e obtida a eficiência exergética nas condições atuais dos processos, visando a otimização dos parâmetros que participam do processo produtivo. Da análise, encontra-se que as maiores irreversibilidades são geradas nos processos onde acontecem reações termoquímicas irreversíveis, especialmente a reação de combustão, hidrólise e fermentação, e a necessidade de continuar pesquisando para reduzir o consumo dos insumos utilizados, calor e trabalho mecânico. Finalmente, por meio da análise exergo-ambiental é proposto o Indicador Exergético de Renovabilidade, o qual avalia a exergia dos produtos em relação à exergia não-renovável nos insumos, de desativação dos resíduos, perda nos resíduos não desativados e a exergia destruída nos processos. Como conclusão principal, encontra-se que ainda que seja usada biomassa como matéria principal, devido especialmente à entropia gerada nas etapas dos processos, algumas rotas de produção de biocombustíveis podem ser classificados como não renováveis. / The industrial revolution led the society to increase the use of energy resources, and in the 20th Century to the intensive use of petroleum derivate, due to the development of internal combustion engines for transport end-use. Therefore, during the last 200 years, the society has used fossil fuel as basis for its development, which actually has originated environmental problems derived of its intensive use. Set against this situation, it arises the necessity to research alternative energy resources with less environmental impacts, such as biofuels, originated from biomass. In this work, using the exergy and exergo-environmental analysis, different biofuel production processes are evaluated: acid hydrolysis of starch from banana fruit pulp or banana fruit and enzymatic hydrolysis of lignocellulosic residual material from banana fruit production to produce sugars that are fermented and distillated to produce ethanol; combining production of sugar and ethanol from sugar cane; as well as the african palm oil extraction and transesterification to biodiesel production. For combining production of sugar and ethanol from sugar cane and african palm oil extraction, were used technical dates from industrial production plants located in Colombia, working in normal conditions. For biodiesel production, was used technical dates from pilot plant production from National University of Colombia and for ethanol production routes from banana fruit, were used technical dates obtained from experimental analysis doing in Biochemical Laboratory of National University of Colombia. The analysis developed takes into account the different energy conversion processes from biomass growing to final product obtained, dividing each process on its main control volumes: biomass growing and transport, production plant, utility plant and residues treatment plant. The exergy efficiency for each control volume is defined and calculated aiming at the optimization of main thermodynamics variables that are taking part in the production process. From the analysis, it is founded that the greater irreversibilities are generated in processes where termochemical irreversible reactions take place, specially: the combustion, hydrolysis and fermentation reaction, and the necessity to continue researching to diminish the use of raw material as well as steam and mechanical work. Finally, based on the exergo-environmental analysis, it is proposed the Renewability Exergetic Indicator, which aims to evaluate the relation among the exergy in the products obtained and the non-renewable exergy input, the deactivation exergy consumed in residues treatment, as well as the exergy destroyed on production processes and exergy lost in non treated residues. The main conclusion is that, despite the use of biomass as raw material, some biofuels production processes may be classified as non-renewable, due to the entropy generation in production phases.