Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-08-02T14:37:49Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2360147 bytes, checksum: e0a8bf7d97aa5aeb96223261bcdb9c0a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-02T14:37:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2360147 bytes, checksum: e0a8bf7d97aa5aeb96223261bcdb9c0a (MD5) Previous issue date: 2016-04-29 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Solar energy is the most abundant energy source in the Earth, however, still little explored by modern society, compared to another sources. This dissertation analyzed the potential use of solar thermal collectors in the food and beverage’ industry segment in Paraíba. And specifically analyzed through regional indicators, the relevance of potential segments of food and beverages from Paraiba for the use of Solar Heating Systems (SAS). It was also analyzed the technical and economic feasibility of using solar thermal collectors in a in a manufacturing company of ice cream and other ices, located in João Pessoa. It was found through the environmental impacts Life Cycle Assessment associated with the pasteurization process in an ice cream manufacturing company and other ices in Joao Pessoa, comparing the replacement of atmospheric burner LPG (Liquefied Petroleum Gas) to Solar Heating System. It was analyzed the Global Solar Radiation Series, from July 2007 to December 2013 in the city of Joao Pessoa Paraiba, using the ARIMA family models and testing the models estimated in 2014 forecast. The methodologies used were: regional analysis, through location and regional measures, life cycle assessment using the IPCC 2013 GWP 100a method, the Box and Jenkins method of time series analysis; and technical and economic analysis through NBR 15569 and financial indicators. The main results were: the sub-sectors of the food industry are distributed similarly between mesoregions. The SAS provided smaller environmental impact as compared to atmospheric burner. The SARIMA model (2,1,0) (2,1,3) 12 was the one that provided the best fit global solar radiation for 2014. It was concluded that the use of solar thermal collectors in the segment of the food and beverage industry in Paraíba is feasible according points of view technical, economic and environmental. / A energia solar é a fonte energética mais abundante do nosso planeta, porém, ainda pouco explorada pela sociedade moderna se comparada com outras fontes. Essa dissertação analisou as potencialidades do uso de coletores solares térmicos em um segmento da indústria de alimentos e bebidas na Paraíba. E, de forma específica, primeiramente analisou por meio de indicadores regionais, a relevância dos segmentos potenciais de alimentos e bebidas paraibanos para o uso de Sistemas de Aquecimento Solar (SAS). Segundamente, analisou a viabilidade técnica e econômica do uso de coletores solares térmicos em uma em uma empresa de fabricação de sorvetes e outros gelados comestíveis, localizada em João Pessoa. Terceiramente, verificou por meio da Avaliação de Ciclo de Vida os impactos ambientais associados ao processo de pasteurização em uma empresa de fabricação de sorvetes e outros gelados comestíveis em João Pessoa, comparando a substituição do queimador atmosférico de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) por um Sistema de Aquecimento Solar. Por fim, analisou a Série de Radiação Solar Global, no período de julho de 2007 a dezembro de 2013 do município de João Pessoa na Paraíba, por meio dos modelos da família ARIMA e testando os modelos estimados na previsão de 2014. As metodologias utilizadas foram: análise regional; por meio das medidas de localização e regionais, análise de ciclo de vida pelo método IPCC 2013 GWP 100a, o método Box-Jenkins de análise de séries temporais; e análise técnica e econômica pela NBR 15569 e indicadores financeiros. Os principais resultados foram: os subsetores do setor alimentício são distribuídos de forma semelhante entre as mesorregiões. O SAS proporcionou menores impactos ambientais, quando comparado ao queimador atmosférico. O modelo SARIMA (2,1,0) (2,1,3)12 foi o que forneceu melhor ajuste da radiação solar global para 2014. Concluiu-se que o uso de coletores solares térmicos no segmento da indústria de alimentos e bebidas na Paraíba é viável dos pontos de vista técnico, econômico e ambiental.

Les Systèmes Solaires Combinés (SSC), qui répondent aux besoins d'Eau Chaude Sanitaire (ECS) et de chauffage d'un bâtiment, peuvent réaliser des économies d'énergie conséquentes. Cependant, leurs performances dépendent énormément de leur conception, de leur installation et surtout de l'environnement énergétique auquel ils sont confrontés (c'est-à-dire les besoins thermiques du bâtiment et les ressources solaire). A ce jour, il est impossible de prédire l'économie d'énergie qu'un SSC permettrait de réaliser. Il n'existe aucun test normatif permettant la caractérisation des performances des SSC, ce qui pénalise le développement de son marché. La méthode SCSPT (Short Cycle System Performance Test) a pour objectif d'évaluer les performances annuelles des SSC à partir d'un test de 12 jours sur banc d'essai thermique semi-virtuel. Sa particularité est de considérer chaque système comme un unique ensemble ce qui permet, contrairement aux méthodes de type « composant », de prendre en compte les vraies interactions entre les éléments des SSC lors de leur test. Elle montre de très bons résultats mais ceux-ci sont limités à la prédiction des performances du système pour le seul environnement énergétique adopté lors du test. Ces travaux de recherche proposent une amélioration de la procédure SCSPT en lui ajoutant une étape d'identification d'un modèle générique de SSC à partir de données expérimentales. De cette manière, le modèle identifié pourrait simuler le comportement du SSC testé sur différentes séquences annuelles pour n'importe quel environnement énergétique et ainsi caractériser ses performances (à l'aide de la méthode FSC par exemple). L'architecture proposée pour ce modèle est du type « Boite Grise ». Elle mêle une partie « Boite Blanche » composée d'équations physiques caractéristiques de certains éléments du SSC et une partie « Boite Noire » constituée principalement d'un réseau de neurones artificiels. Une procédure complète est conçue pour entrainer et sélectionner un modèle correspondant aux SSC à partir des données de leur test sur banc d'essai semi-virtuel. Cette approche a été validée numériquement grâce à des simulations de trois modèles détaillés de SSC sous TRNSYS. En comparant leurs résultats annuels avec ceux des modèles « Boites Grises » entrainés à partir d'une séquence 12 jours, ces derniers sont capables de prédire la consommation en énergie d'appoint de manière très précise pour 27 environnements énergétiques différents. L'application concrète de cette nouvelle procédure a été réalisée expérimentalement sur deux SSC réels. Elle a confirmé que l'approche était pertinente et cohérente. Elle a également permis d'identifier quelques améliorations pour que la méthode soit totalement opérationnelle. Ce travaux offrent une base pour avancer dans l'élaboration d'une méthode complète et fiable de caractérisation des SSC qui pourraient conduire à une nouvelle procédure de normalisation (et d'envisager un étiquetage énergétique des SSC. / Solar Combi Systems (SCS) can be very efficient at reducing heat energy bill of a house but their performances depend on the environment they are working in (type of climate and thermal quality of the building). Currently it is impossible to predict how much energy a SCS would save before its installation. There is no standard test to characterize SCS performances and this curbs its market development. The Short Cycle System Performance Test (SCSPT), that is being developed at the French National Institute of Solar Energy (INES, Chambery, France), aims to evaluate SCS annual performance from a test on a semi-virtual test bench. Its special feature is to test the whole system as only one part, unlike “component testing” which can't consider real interaction between combisystems components. The SCSPT method shows good results but performance prediction is limited to only one environment (i.e. one set of system sizing, type of climate and building thermal quality, corresponding with the test). This work proposes an improvement of the SCSPT procedure by identifying a global SCS model from the test data. In this way, the identified model would be able to simulate the tested SCS behaviour in any environment and thus to characterize its performances. The proposed model to identify is a “grey box” model, mixing a “white box” model composed of known physical equations and a “black box” model, which is an Artificial Neural Network (ANN). A complete process is developed to train and select a relevant global SCS model from such a test on semi-virtual test bench. This approach has been validated through numerical simulations of three detailed SCS models. Compared to their annual results, “grey box” SCS models trained from a twelve days sequence are able to predict energy consumption with a good precision for 27 different environments. Concrete experimentations of this procedure have been applied to two real systems. They have confirmed that the approach is pertinent and revealed some points to improve in order to get it totally operational. This work offers major basis to get ahead with a complete method to characterize SCS that could lead to develop a standardization method from performance evaluation (and eventually complete the European norm EN 15316 for instance) and to plan a combisystems performance labelling.

La part de consommation d'énergie primaire d'eau chaude sanitaire (ECS) dans des bâtiments à basse consommation (BBC) devient proportionnellement importante quand comparée aux autres postes. Actuellement, l'intégration des systèmes dans les nouveaux bâtiments ne présente pas de difficulté. En revanche, le marché de la rénovation est mal exploité, et une des contraintes importante est le placement du ballon de stockage. Dans le cas où le ballon doit être placé en dehors du bâtiment, les solutions existantes ne sont pas satisfaisantes, ni d'un point de vue thermique (fortes pertes), ni d'un point de vue esthétique (réservoir visible à l'extérieur). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié une solution innovante visant à intégrer le stockage au capteur, afin de permettre une intégration complète du système au niveau de la toiture. Le critère énergétique nous a conduit à proposer un volume de stockage totalement isolé où l'apport de chaleur se produit en partie basse. Nous réalisons dans le cadre de la thèse une étude expérimentale d'une cavité à haut rapport de forme, qui nécessite la réalisation d'un système de stratification. Ce système, une plaque, a été étudié numériquement pour optimiser le placement du fluide en partie haute. Enfin un modèle global a été conçu pour les simulations de performance annuelle. Ce modèle se montre satisfaisant, et montre que la performance du système est légèrement inférieure aux systèmes classiques (thermosiphon). Les pertes thermiques ont été le facteur le plus pénalisant. Le dimensionnement d'un prototype a été réalisé, et ce dernier sera testé au cours de l'année 2012. / The primary energy consumption of domestic hot water (DHW) in low energy house becomes proportionately large when compared to other energy consumptions. In new buildings, the integration of DHW systems do not present any difficulty. However, the thermal renovation market is poorly operated, with the storage's placement as the main constraint. When the storage must be placed outside the building, nowadays the solutions are not satisfactory, or by a thermal point of view (high losses), or an aesthetic point of view (tank visible from outside). In this thesis we studied an innovative solution of an integrated storage collector, allowing full integration at the roof and completly insulated. The storage is heated at the bottom. A cavity with high aspect ratio has been studied experimentaly and the cavity requires a stratification system. This system, a plate, was numerically studied to optimize the placement of the fluid at the top. Finally a global model was developed for annual performance simulations. This model proves satisfactory and shows that system performance is slightly lower than conventional systems (thermo- siphon). Heat loss was most detrimental factor. The design of a prototype was produced, and it will be tested during the year 2012.

[ES] Los sistemas de refrigeración por eyección activados por calor de origen renovable o fuentes de calor residual tienen el potencial de alcanzar ahorros energéticos significativos al sustituir o asistir a los sistemas de refrigeración tradicionales. Su campo de aplicabilidad es muy amplio y el presente trabajo se ha centrado en un estudio detallado de dos aplicaciones con gran potencial siguiendo un enfoque computacional: (i) generación de aire acondicionado activado por energía solar térmica y (ii) refrigeración de la admisión de un motor de combustión reutilizando la energía térmica disponible en la línea de escape de este. Las actividades de investigación han estado dirigidas a mitigar dos de los principales puntos débiles que caracterizan a los ciclos de refrigeración por eyección: su eficiencia relativamente baja y la incapacidad mostrada por la configuración base del ciclo de eyección para operar de forma robusta en condiciones de operación alejadas de las de diseño. La primera cuestión ha sido abordada principalmente diseñando geometrías de eyector altamente optimizadas usando técnicas de mecánica de fluidos computacional y optimizando la integración del eyector en el conjunto del sistema de refrigeración. La segunda cuestión se ha abordado caracterizando el comportamiento del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño. Se han propuesto dos estrategias avanzadas para hacer frente a la caída de prestaciones que sufre el sistema al operar en condiciones fuera de diseño, como son la utilización de eyectores de geometría ajustable o la implementación de tanques de almacenamiento térmico. La respuesta del sistema se ha analizado en condiciones fuera de diseño con dos aproximaciones temporales complementarias. Los modelos estacionarios se han usado para optimizar las diferentes arquitecturas de eyector y la operación global del sistema en ciertas condiciones de operación representativas, mientras que el análisis transitorio representa un enfoque más realista y tiene en cuenta la naturaleza impredecible e inestable de la climatología. El estudio se ha concluido con un análisis termoeconómico, el cual ha sido útil para discernir si los diseños altamente optimizados son competitivos al ser comparados con las soluciones de refrigeración que se encuentran actualmente consolidadas en el mercado. La principal conclusión del análisis en condiciones estáticas para la aplicación termosolar es que la transformación de potencia térmica a potencia de refrigeración puede alcanzar un rendimiento del 37.7%, mientras que el rendimiento global del sistema alcanza el 20.1% con diseños altamente optimizados de eyector para unas condiciones de evaporación y condensación de 13°C y 40°C, respectivamente. En condiciones dinámicas, la implementación de la geometría variable mejora en torno a un 40% el rendimiento del sistema de refrigeración, además de incrementar su operatividad. El tanque de almacenamiento térmico juega un papel relevante en este aspecto y, para una envergadura de colector parabólico de 7.1 m, un consumo nominal de 13.3 kW de potencia térmica del tanque ha resultado ser una solución de compromiso para mantener en equilibrio los principales indicadores de prestaciones. El análisis termoeconómico de la arquitectura más prometedora sugiere que el ahorro de coste operativo está lejos de poder compensar la elevada inversión inicial en equipamiento (16.905€ para una capacidad de refrigeración aproximada de 5.6 kW), destacando la dificultad del sistema para competir con las soluciones de refrigeración actualmente consolidadas en el mercado y resaltando la necesidad de considerar soluciones híbridas. La principal conclusión de la aplicación en motor de combustión es que la reducción de temperaturas en la línea de admisión por debajo de 4°C es factible, produciendo mejoras en el rendimiento volumétrico de en torno al 11%, no obstante, el sistema muestra vulnerabilidades al operar en puntos de motor diferentes al de diseño. / [CA] Els sistemes de refrigeració per ejecció activats per calor d'origen renovable o fonts de calor residual tenen el potencial d'assolir estalvis energètics significatius al substituir o assistir als sistemes de refrigeració tradicionals. El seu camp d'aplicabilitat es ampli i el present treball s'ha centrat en un estudi detallat de dos aplicacions amb gran potencial seguint un enfocament computacional: (i) generació d'aire condicionat activat per energia solar tèrmica i (ii) refrigeració de l'admissió d'un motor de combustió reutilitzant l'energia tèrmica disponible en la línia d'escapament d'aquest. Les activitats d'investigació han estat dirigides a mitigar dos dels principals punts dèbils que caracteritzen als cicles de refrigeració per ejecció: la seua eficiència relativament baixa i la incapacitat mostrada per la configuració base del cicle d'ejecció per a operar de forma robusta en condicions d'operació allunyades de les de disseny. La primera qüestió ha sigut abordada principalment dissenyant geometries d'ejector altament optimitzades usant tècniques de mecànica de fluids computacional i optimitzant la integració de l'ejector en el conjunt del sistema de refrigeració. La segona qüestió s'ha abordat caracteritzant el comportament del sistema en condicions de disseny i fora de disseny. S'han proposat dos estratègies avançades per a fer front a la caiguda de prestacions que pateix el sistema quan opera en condicions fora de disseny, com són la utilització d'ejectors de geometria ajustable o la implementació de tancs de emmagatzemament tèrmic. La resposta del sistema s'ha analitzat en condicions fora de disseny amb dos aproximacions temporals complementàries. Els models estacionaris s'han usat per a optimitzar les diferents arquitectures d'ejector i l'operació global del sistema en certes condicions d'operació representatives, mentre que l'anàlisi transitori representa un enfocament més realista i té en compte la natura impredictible i inestable dels canvis en les condiciones climàtiques. L'estudi s'ha conclòs amb un anàlisi termoeconòmic, el qual ha sigut útil per a discernir si els dissenys altament optimitzats són competitius quan es comparen amb les solucions de refrigeració que es troben actualment consolidades al mercat. La principal conclusió de l'anàlisi en condicions estàtiques per a l'aplicació termosolar és que la transformació de potència tèrmica a potència de refrigeració pot arribar a un rendiment del 37.7%, mentre que el rendiment global del sistema arriba al 20.1 % amb dissenys altament optimitzats d'ejector per a unes condicions d'evaporació i condensació de 13°C i 40°C, respectivament. En condicions dinàmiques, la implementació de la geometria variable millora al voltant d'un 40% el rendiment del sistema de refrigeració, a més d'incrementar la seua capacitat de romandre en funcionament. El tanc d'emmagatzemament tèrmic juga un paper rellevant en aquest aspecte i, per a una llargària de col·lector parabòlic de 7.1 m, un consum nominal de 13.3 kW de potencia tèrmica del tanc ha resultat ser una solució de compromís per a mantenir en equilibri els principals indicadors de prestacions. L'anàlisi termoeconòmic de l'arquitectura més prometedora suggereix que l'estalvi de cost operatiu està lluny de poder compensar l'elevada inversió inicial en equipament (16.905€ per a una capacitat de refrigeració aproximada de 5.6 kW), posant de manifest la dificultat del sistema per a competir amb les solucions de refrigeració actualment consolidades al mercat i ressaltant la necessitat de considerar solucions híbrides. La principal conclusió de l'aplicació en motor de combustió és que la reducció de temperatures a la línia d'admissió per baix de 4°C és factible, produint millores en el rendiment volumètric de al voltant de l'11%, no obstant això, el sistema mostra vulnerabilitats a l'hora d'operar en punts de motor diferents al de disseny. / [EN] Jet-ejector refrigeration systems powered by renewable heat or waste heat sources have the potential to achieve significant primary energy savings when substituting or aiding traditional refrigeration systems. Their field of applicability is vast and the present work has been focused on a detailed study of two applications with great potential following a computational approach: (i) air-conditioning generation powered by solar thermal energy and (ii) internal combustion engine intake air refrigeration powered by its exhaust line waste heat. The research efforts have been directed towards mitigating the negative effect of two of the main weak points of jet-ejector refrigeration systems: their relatively low efficiency and the incapacity of the baseline configuration to operate robustly away from the design conditions. The first issue has been addressed mainly by designing highly optimized jet-ejector geometries using computational fluid dynamics techniques and optimizing the jet-ejector integration in the overall system. The second one has been addressed by carrying out complete characterizations of the refrigeration system response in design and off-design conditions. Advanced strategies to face the refrigeration system performance decay away from design conditions have been proposed, like the utilization of adjustable jet-ejector architectures or the implementation of hot thermal storage tanks. The system response has been analyzed in off-design conditions with two complementary temporal schemes. The steady-state models have been used to optimize the jet-ejector architectures and the overall system operation for representative operating scenarios, while the transient analysis represents a more realistic approach and accounts for changes in climatic conditions, which have an unpredictable and unstable nature. The study has been concluded with a thermoeconomic analysis, which has been useful to discern if the highly optimized designs are competitive when compared to existing refrigeration solutions consolidated in the market. The main conclusions of the steady-state analysis for the solar application are that the transformation from thermal power to refrigeration power can achieve an efficiency of 37.7%, while the global efficiency achieves 20.1% when highly optimized jet-ejectors are used for an evaporating and condensing conditions of 13°C and 40°C, respectively. In dynamic conditions, the implantation of an adjustable jet-ejector brings improvements in refrigeration system efficiency of around 40%, besides improving its capacity to remain in operation. The thermal storage system plays a relevant role in this sense and, for a fixed parabolic trough collector span of 7.1 m, a nominal thermal power consumption of 13.3 kW represents a trade-off between the performance indicators subject to analysis. The thermoeconomic assessment of the most promising system architecture suggests that the operating cost savings are far from compensating for the capital expenditures (16,905€ for a refrigeration capacity of approximately 5.6 kW), evidencing the difficulties of the system to compete against refrigeration solutions currently consolidated in the market and outlining the interest in hybrid solutions. The main conclusion of the automotive application is that it is feasible to achieve in the engine intake line temperatures below 4°C, bringing improvements in volumetric engine efficiency of around 11%. Nevertheless, the system shows vulnerabilities when operating in engine operating points different from the design one. / My most sincere acknowledgment to the whole CMT-Motores Térmicos team for giving me the opportunity of being part of it and the grant program Subvenciones para la contrataci ́on de personal investigador predoctoral for doctoral studies (reference ACIF/2018/124), awarded by Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital and the European Union for funding this project. / Ponce Mora, A. (2022). Feasibility Study of Jet-Ejector Refrigeration Systems as a Mechanism for Harnessing Low-Grade Thermal Energy from Different Sources [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181710 / TESIS