Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-15T08:40:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alves_LourencoGobira_D.pdf: 2286993 bytes, checksum: 9be242b04e4640bec3bb9397c2679294 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A alta dos preços do petróleo aliada ao aumento da participação do gás natural na matriz energética nacional força a sociedade a pensar em usos mais racionais para o gás, tanto por necessidades econômicas quanto ambientais. O hidrogênio é apontado por alguns autores como combustível do futuro, portanto aproveitar o gás natural como matéria-prima para produzir hidrogênio é uma das alternativas para melhor uso do gás. Este trabalho faz a análise exergoeconômica de dois processos básicos de produção de hidrogênio a Reforma a Vapor do Metano, SMR, e a Reforma Autotérmica do Metano, AtR, usando a Teoria do Custo Exergético, TEC, e a Análise Funcional, AF. É proposta a introdução de cogeração usando uma turbina movida a gás natural e outra movida a gás de síntese para os dois processos, gerando quatro casos de estudo onde a possibilidade de produzir excedentes para venda foi considerada. Foi feita a otimização dos processos com dois objetivos: busca da maior produção de hidrogênio e busca da menor geração de irreversibilidade. Os resultados mostram que a cogeração é uma possibilidade a ser estudada com cuidado, pois o custo de produção da eletricidade precisa ser competitivo com o mercado energético brasileiro. Os quatro casos de estudo mostraram boa flexibilidade para otimização dos processos / Abstract: The prices of Petroleum allied to the increase of the participation of the Natural Gas in the national energy matrix have forced the society to search for more rational uses for the gas by economic and environmental reasons. According to some authors, hydrogen is the fuel of the future and the production of hydrogen from natural gas is an alternative to improve the gas uses. This work performs an exergoeconomic analysis of two basic processes to produce hydrogen, Stem Methane Reforming, SMR, and Autothermal Reforming, AtR, using the Theory of Exergetic Cost, TEC, and the Functional Analysis, AF. Two cogeneration possibilities in the processes are also considered, resulting in four study cases with the possibility of producing surplus of electric energy to sell. And an optimization study is performed to improve the hydrogen production and reduce the irreversibility. The results shown that cogeneration is a useful possibility but must be applied according to the Brazilian energy market. The optimization process increased the results in the four cases / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Neste trabalho, o conceito de exergia é utilizado na proposição de um indicador de idade exergética que permita observar alterações da expectativa de vida de um indivíduo a partir da exergia destruída durante seu ciclo de vida. Para tal, a análise exergética é aplicada ao corpo humano e a volumes de controle menores dentro do corpo para diferentes cenários nos quais ocorram alterações nas reações metabólicas, a fim de determinar a taxa de exergia destruída em função da idade cronológica. Com essa informação, é calculado o indicador de idade exergética, podendo comparar a taxa de progressão da vida do indivíduo nas diferentes condições avaliadas com base na ideia de que há um valor máximo de exergia destruída acumulada durante a vida. Os efeitos do tabagismo e da obesidade são avaliados, e observa-se uma redução de aproximadamente 15 anos na expectativa de vida de fumantes, enquanto, para os obesos, o indicador mostra um aumento. Portanto, a identificação da obesidade como um fator de risco se deve ao desenvolvimento de patologias associadas à obesidade, e não ao aumento do metabolismo e à presença de gordura corporal subcutânea. Uma vez que maior parte das patologias relacionadas à obesidade está associada ao sistema cardiovascular, é proposto um modelo exergético do coração. Observa-se um aumento da taxa de exergia destruída na presença de hipertensão, que leva a uma redução de cerca de quatro anos na expectativa de vida. Por fim, é proposto um modelo do metabolismo de uma célula de câncer que leva em conta as alterações das rotas metabólicas, a partir do qual é possível observar um aumento de quase três vezes no metabolismo exergético de uma célula de câncer em comparação com uma célula saudável. A análise da progressão de um tumor indica que, na ausência de tratamento, a redução da expectativa de vida é de 27 anos. Além disso, no caso de tratamento, cada seis meses na presença da doença reduz a expectativa de vida em cerca de quatro anos. / In the present work, the concept of exergy is applied in order to propose an index of exergetic age that allows observing changes in life expectancy of a subject based on the exergy destruction throughout the life cycle. To do so, exergy analysis is applied to the human body and smaller internal control volumes for different scenarios where changes in metabolic reactions take place, aiming at determining the destroyed exergy rate as a function of chronological age. From this data, exergetic age index is calculated, enabling to compare the rate of life progression of the subject under different circumstances, based on the idea that there is a maximum value of cumulative destroyed exergy throughout life. The effects of smoking and obesity are evaluated and a reduction of approximately 15 years is observed for smokers, while, for obese people, the index shows an increase. Thus, the identification of obesity as a risk factor is more associated to the development of obesity-related diseases than to the metabolic rate increase and the presence of a thicker layer of subcutaneous fat. Since most of the obesity-related diseases are associated to the cardiovascular system, an exergy model of the human heart is proposed. The model reports an increase of the exergy destruction in case of hypertension that causes a reduction of about four years in life expectancy. Finally, a model of the metabolism of a cancer cell is proposed taking into account the changes in the metabolic paths, from which it is possible to observe a threefold increase of the exergy metabolism of a cancer cell, in comparison to a healthy one. The analysis of tumor progression indicates that, in the absence of treatment, the reduction of life expectancy is about 27 years. Furthermore, in case of treatment, each six months living with the disease causes a reduction of almost four years in life expectancy.

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.

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.

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 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.

A indústria sucroalcooleira tem na produção do álcool etílico carburante a captação de água em grande volume para geração de vapor, resfriamento e como parte do processo, sendo também geradora de grandes quantidades de efluentes. A indústria utilizando a energia proveniente da queima do bagaço nas caldeiras para transformação da água em vapor, gera sua própria eletricidade, e todo trabalho mecânico desenvolvido no processo. O grau de aproveitamento do vapor residual em trocadores de calor demonstra a eficiência da empresa. O balanço das massas que estão sendo transformadas neste processo, permite avaliar através da temperatura dos efluentes lançados, as perdas de exergia que podem ser minoradas. A ferramenta análise exergética (medida do grau de desequilíbrio energético entre uma substância e seu ambiente) empregada neste trabalho, mostra através de estudo de caso em duas usinas, como identificar, na avaliação dos efluentes lançados as perdas exergéticas em volumes de controle traçados no ciclo de produção do álcool, onde estão acontecendo as perdas e as possibilidades de melhorias que venham a corrigi-las / In the production of ethyl alcohol as a fuel, the sugar and alcohol industry captures large volumes of water for steam generation, for cooling and as part of the process, generating large amounts of effluents. Using the energy produced by the burning of bagasse in the furnace for the transformation of water into steam, the industry generates its own electricity and the entire mechanical work developed in the process. The degree of utilization of residual steam in heat exchangers demonstrates the efficiency of the plant. The balance of the energies being transformed in this process shows, through the effluents launched, the losses that may be reduced. By means of case studies in two mills, the exergetic analysis tool (measurement of the degree of unbalance between the substance and its environment) employed in this study shows how to identify, in control volumes traced in the alcohol production cycle, where the losses are occurring and the possibilities of improvement that may eventually correct them

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

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-09-14T11:05:38Z No. of bitstreams: 1 FERNANDO JOSÉ DA SILVA - TESE (PPGEP) 2014.pdf: 7661090 bytes, checksum: d6d7296ae6b4537cc796b5ad44bc0b46 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-14T11:05:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FERNANDO JOSÉ DA SILVA - TESE (PPGEP) 2014.pdf: 7661090 bytes, checksum: d6d7296ae6b4537cc796b5ad44bc0b46 (MD5) Previous issue date: 2014-02-24 / CNPq / O combustível gasoso (gás natural) tem sido muito utilizado em motores diesel nos últimos anos, devido suas características positivas quando o foco é o nível das emissões lançadas na atmosfera. O biodiesel; combustível renovável, tem se apresentado como potencial alternativo para contribuir com a redução das emissões poluentes no mundo, com propriedades comparáveis ao diesel, tem sido usado amplamente em motores do ciclo diesel. O desafio é utilizar o motor diesel que opere de forma dual (líquido/gás), com misturas adequadas de diesel, biodiesel e gás natural, para obter a proporção correta de cada combustível, mantendo as características originais do motor e bom desempenho. Neste sentido, o objetivo desta pesquisa é analisar o desempenho, as características das emissões de um motor diesel, trabalhando com diesel comercial B5, biodiesel e gás natural. O combustível utilizado no motor consiste na mistura de 15% de óleo diesel e biodiesel (combustível líquido) e 85% de gás natural. Experimentos foram realizados em potências de 40, a 120 kW, com intervalos de 20 kw. O motor foi instrumentado para obter temperatura, fluxos de massa de ar, gás, diesel e biodiesel, pressão do ar de entrada do motor, do óleo lubrificante e concentração dos gases de combustão durante cada teste experimental. O custo específico do motor operando no modo dual foi melhor do que no modo diesel e a mistura diesel, biodiesel e gás natural que apresentou o menor custo específico, foi a mistura B50. Verificou-se a partir dos resultados experimentais que as emissões de NOx, NO e CO2 diminuíram, enquanto que as emissões de CO aumentaram, quando comparadas com a condição do motor operando no modo diesel comercial B5 como único combustível. / The gaseous fuel (Natural Gas) has been widely used on diesel engines in the last few years, due to its positive characteristics as far as the level of emissions released in the atmosphere is concerned. Biodiesel has been considered a potential alternative to contribute to reducing pollutant emissions level in the world, as a renewable fuel, its properties are comparable to the one of the diesel fuel which is already widely used in diesel engines. The big challenge is to use the diesel engine which operates in a dual form, using adequate mixtures of diesel, biodiesel and natural gas to obtain the correct proportion of each fuel and maintaining the original characteristics of the engine as well as a good performance. In this sense, the aim of this research is to study the characteristics of the commercial diesel engine emissions, operating with B40, B50, B60 and natural gas. The fuel used in the engine consists of a mixture of 15% diesel and biodiesel (liquid fuel) and 85% natural gas. Experiments were made using 40, to 120 kW, with an interval of 20 kW. The engine was instrumented to obtain the temperature, air, gas, diesel and biodiesel flow rate, the air pressure at the entrance of the engine, the lubricant oil temperature, and the concentration of exhaust gases during each experimental test. The specific cost of the engine operating in dual mode was better than in diesel mode, and the blend of diesel, biodiesel and natural gas with the lowest specific cost was the B50 blend. It was verified that the emission of NOx, NO and CO2 had decreased while the emissions of CO had increased, when compared to the conditions using commercial diesel (B5) as the only fuel.

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