Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-10-29Bitstream added on 2014-06-13T20:46:42Z : No. of bitstreams: 1 batista_jc_dr_guara.pdf: 2889755 bytes, checksum: 2777cd1f4225a0232c6281a5ca3d1e00 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho desenvolve um sistema para gerar energia elétrica com caldeira e turbina, para ocupar um nicho de mercado em que os sistemas a vapor existentes não são economicamente viáveis. O sistema utiliza a turbina Tesla que é compatível para essa faixa e não possui pás, podendo operar com vapor saturado fornecido por uma pequena caldeira consumindo lenha. A micro-geração proposta pode levar energia a milhões de brasileiros no campo, onde se dispõe de algum tipo de biomassa. Apesar do baixo custo da turbina Tesla, por ser de simples construção e compacta, e de suas incontáveis possibilidades de aplicação, se desconhece, até então, aplicações comerciais massivas devido ao baixo torque obtido nos protótipos feitos desde 1910 e por essa razão foi modificada. Este trabalho inova ao desenvolver um protótipo da turbina Tesla modificado para fornecer maior torque e ao comparar à turbina Tesla original. Devido à inexistência de equações que descrevem a turbina Tesla, um modelo matemático que permite projetar a turbina Tesla foi desenvolvido e validado por resultados experimentais e de simulação. Testes comparativos com duas turbinas com as mesmas dimensões mostraram que a turbina Tesla modificada apresentou eficiência superior à turbina Tesla original. Desenvolveu-se, também, um protótipo do sistema para micro-geração utilizando a turbina Tesla modificada, caldeira e gerador elétrico. Os custos do sistema e da energia gerada foram comparados com os de outros meios de geração mostrando serem competitivos economicamente para essa faixa de operação. / This work develops a system to generate electric power with boiler and turbine that aims to occupy the niche of the market for which steam systems are not economically viable. The system uses a Tesla turbine, which is compatible to the range of power. Also, it does not have blades, being able to operate with steam delivered by a small boiler fed with wood. The proposed micro-generation system can take energy to millions of Brazilians living in the country, where some type of biomass is available. In despite of the low cost of the Tesla turbine, because it is compact and simple to build, and despite of its uncountable possibilities of applications, massive commercial applications of the technology are not found due to the low torque of the prototypes built since 1910. For this reason, the Tesla turbine was modified. This work is original since it develops a modified Tesla turbine prototype to furnish a higher torque when compared to an original Tesla turbine. Due to the lack of equations that model a Tesla turbine, a mathematical model was developed to allow the design of the Tesla turbine; it was validated by means of experimental and simulating results. The comparative tests with two turbines, with same dimensions, showed that the modified Tesla turbine presents a higher efficiency than the original Tesla turbine. A micro-generation system, using the modified Tesla turbine, boiler and electric generator, was also developed. The costs of the system and of the generated energy were compared with other means of generation and showed to be commercially competitive for that range.

Resumo: Este trabalho desenvolve um sistema para gerar energia elétrica com caldeira e turbina, para ocupar um nicho de mercado em que os sistemas a vapor existentes não são economicamente viáveis. O sistema utiliza a turbina Tesla que é compatível para essa faixa e não possui pás, podendo operar com vapor saturado fornecido por uma pequena caldeira consumindo lenha. A micro-geração proposta pode levar energia a milhões de brasileiros no campo, onde se dispõe de algum tipo de biomassa. Apesar do baixo custo da turbina Tesla, por ser de simples construção e compacta, e de suas incontáveis possibilidades de aplicação, se desconhece, até então, aplicações comerciais massivas devido ao baixo torque obtido nos protótipos feitos desde 1910 e por essa razão foi modificada. Este trabalho inova ao desenvolver um protótipo da turbina Tesla modificado para fornecer maior torque e ao comparar à turbina Tesla original. Devido à inexistência de equações que descrevem a turbina Tesla, um modelo matemático que permite projetar a turbina Tesla foi desenvolvido e validado por resultados experimentais e de simulação. Testes comparativos com duas turbinas com as mesmas dimensões mostraram que a turbina Tesla modificada apresentou eficiência superior à turbina Tesla original. Desenvolveu-se, também, um protótipo do sistema para micro-geração utilizando a turbina Tesla modificada, caldeira e gerador elétrico. Os custos do sistema e da energia gerada foram comparados com os de outros meios de geração mostrando serem competitivos economicamente para essa faixa de operação. / Abstract: This work develops a system to generate electric power with boiler and turbine that aims to occupy the niche of the market for which steam systems are not economically viable. The system uses a Tesla turbine, which is compatible to the range of power. Also, it does not have blades, being able to operate with steam delivered by a small boiler fed with wood. The proposed micro-generation system can take energy to millions of Brazilians living in the country, where some type of biomass is available. In despite of the low cost of the Tesla turbine, because it is compact and simple to build, and despite of its uncountable possibilities of applications, massive commercial applications of the technology are not found due to the low torque of the prototypes built since 1910. For this reason, the Tesla turbine was modified. This work is original since it develops a modified Tesla turbine prototype to furnish a higher torque when compared to an original Tesla turbine. Due to the lack of equations that model a Tesla turbine, a mathematical model was developed to allow the design of the Tesla turbine; it was validated by means of experimental and simulating results. The comparative tests with two turbines, with same dimensions, showed that the modified Tesla turbine presents a higher efficiency than the original Tesla turbine. A micro-generation system, using the modified Tesla turbine, boiler and electric generator, was also developed. The costs of the system and of the generated energy were compared with other means of generation and showed to be commercially competitive for that range. / Orientador: João Andrade de Carvalho Junior / Coorientador: Heraldo da Silva Couto / Banca: Luiz Roberto Carrocci / Banca: Teófilo Miguel de Souza / Banca: Paulo César Razuk / Banca: Rogério José da Silva / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-02Bitstream added on 2014-06-13T20:00:03Z : No. of bitstreams: 1 tofoli_f_me_guara.pdf: 778310 bytes, checksum: 518b10e7c88d6a576eb683e42128bcd4 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho tem como objetivo a análise da influência de parâmetros adimensionais e grandezas dimensionais no projeto de turbomáquinas operando em diferentes situações de pressão, temperatura e vazão mássica de vapor. O trabalho é divido em duas partes principais, sendo que inicialmente são analisados os parâmetros adimensionais e as grandezas dimensionais que influenciam diretamente o valor do rendimento interno das turbomáquinas térmicas que utilizam o vapor como fluido de trabalho. Na segunda parte do trabalho são abordadas as classes de pressão e rotação específica, e sua influência no comportamento de parâmetros adimensionais. A aplicação dos resultados está diretamente ligada a especificação de turbomáquinas em sistemas de cogeração para aproveitamento de fluxos térmicos provenientes de processos, queima de combustíveis ou gases de escape de uma máquina térmica, para os quais os projetistas necessitam estimar o rendimento de tais componentes por ocasião da análise de viabilidade econômica. / This work has as objective the analysis of the influence of dimensionless parameters and dimensional greatness in the project of turbomachinery operating in different pressure situations, temperature and flow steam. This work is shared in two main parts, which are initially analyzed the dimensionless parameters and the dimensional greatness that directly influence the internal efficiency of the thermal turbomachinery that using steam as the working fluid. In the second part of the work are accosted the classes of pressure and specific rotation, and its influence on the behavior of dimensionless parameters. The application of the results is directly linked to the specification of turbomachinery in cogeneration systems for use of heat flows from processes, burning of fuel or the exhaust gases of a thermal machine, for which the designers needs to estimate the efficiency of such components at analysis of economic feasibility.

Plans for developing turbines in Brazil were present on the conception of CTA six decades ago. In this manner highly specialized work teams is needed to carry out such activity. The Center for Reference on Gas Turbine group has been contributing to research activities at CTA taking account of the study of gas turbines both aeronautical and industrial. In order to complement the group capability and study more complex turbine applications, it is a topic of interest to study steam turbines. Taking advantage from the experience gathered at CRTG, design and performance analysis approaches for axial gas turbines were applied to steam turbines, adjusting the models for working with superheated steam using a loss model for axial turbomachinery to estimate the total pressure loss into the turbine cascade. Such models were implemented in a computer code written in FORTRAN, disposed for reading the design requirements or the conditions for the performance analysis, making the corresponding calculation and reporting the results. It was performed a verification on the results from the design routine, comparing them with data from a commercial program for axial turbine simulation and the used such results to assess its performance at off-design conditions. A case study was conducted regarding a multistage steam turbine working in a combined cycle with a gas turbine. From the energy of the gas turbine exhaust, a three stages steam turbine of 0.5 MW of power was designed. Later, with additional energy generated in the boiler in order to produce more steam, the power capacity of the steam turbine was increased. The results reported from both routines were qualitative consistent to what it was expected a turbine design and off-design performance analysis could be.

Resumo: Este trabalho tem como objetivo a análise da influência de parâmetros adimensionais e grandezas dimensionais no projeto de turbomáquinas operando em diferentes situações de pressão, temperatura e vazão mássica de vapor. O trabalho é divido em duas partes principais, sendo que inicialmente são analisados os parâmetros adimensionais e as grandezas dimensionais que influenciam diretamente o valor do rendimento interno das turbomáquinas térmicas que utilizam o vapor como fluido de trabalho. Na segunda parte do trabalho são abordadas as classes de pressão e rotação específica, e sua influência no comportamento de parâmetros adimensionais. A aplicação dos resultados está diretamente ligada a especificação de turbomáquinas em sistemas de cogeração para aproveitamento de fluxos térmicos provenientes de processos, queima de combustíveis ou gases de escape de uma máquina térmica, para os quais os projetistas necessitam estimar o rendimento de tais componentes por ocasião da análise de viabilidade econômica. / Abstract: This work has as objective the analysis of the influence of dimensionless parameters and dimensional greatness in the project of turbomachinery operating in different pressure situations, temperature and flow steam. This work is shared in two main parts, which are initially analyzed the dimensionless parameters and the dimensional greatness that directly influence the internal efficiency of the thermal turbomachinery that using steam as the working fluid. In the second part of the work are accosted the classes of pressure and specific rotation, and its influence on the behavior of dimensionless parameters. The application of the results is directly linked to the specification of turbomachinery in cogeneration systems for use of heat flows from processes, burning of fuel or the exhaust gases of a thermal machine, for which the designers needs to estimate the efficiency of such components at analysis of economic feasibility. / Orientador: Paulo Magalhães Filho / Coorientador: José Nédilo Carrinho de Castro / Banca: Carlos Daniel Ebinuma / Banca: José Rui Camargo / Mestre

O processo de condensação de vapor no interior de turbinas danifica sua superfície interna e as palhetas dos rotores, além de diminuir a eficiência termodinâmica nessa região. Para estudar o processo de condensação de vapor em estágios de turbinas, foi proposto neste trabalho uma simplificação da geometria, estabelecendo o escoamento de vapor úmido em uma grade de bocais baseado no modelo de rotor de uma turbina a vapor real. Um estudo preliminar do bocal supersônico de Laval 2D (convergente-divergente) foi realizado devido à possibilidade de validar o procedimento de uso do código CFD com base em dados experimentais adequados. O objetivo desta tese é avaliar o escoamento e investigar como a variação dos parâmetros térmicos, como temperatura e pressão, alteram o ponto de início da condensação, analisando a região de nucleação e crescimento das gotículas entre as palhetas da grade. O fenômeno da condensação foi modelado com base na teoria da nucleação clássica. Nesse trabalho, o modelo matemático deste escoamento compressível multifásico foi resolvido numericamente usando o método dos volumes finitos com uma abordagem baseada na densidade com os modelos de turbulência realizável e SST. Os resultados das simulações mostraram que, tanto para o bocal de Laval quanto para a grade de bocais, o fenômeno da mudança de fase é responsável por perdas termodinâmicas significativas no escoamento e que a fração de massa líquida é influenciada diretamente pela temperatura de admissão do vapor e pela diferença de pressão estabelecida entre a entrada e a saída do domínio, atingindo valores elevados em regiões próximas às superfícies das palhetas.

Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com a finalidade de obter um resultado desejado com o desempenho desejado, tendo um determinado valor de entrada. Quando aplicado em turbinas a gás o sistema de controle deve ser robusto suficiente para considerar a dinâmica transitória da máquina e fazer com que a mesma opere dentro de seus limites e com máximo desempenho possível. A modelagem feita neste trabalho considera modelos de turbina a gás, caldeira de recuperação de calor e turbina a vapor e foram implementados primeiramente de forma isolada e, em seguida, conectados, fazendo sua operação a simulação exata do ciclo combinado. Toda a modelagem foi feita utilizando a ferramenta Simulink do Matlab e seus valores de ajustes, ganhos, limites, etc foram obtidos a partir de uma central térmica em operação. Durante o desenvolvimento deste modelo varias adaptações relativas a particularidades da central térmica foram feitas de forma tal que o modelo represente fidedignamente a condição real de operação. Os resultados gerados pelas modelagens e simulações foram submetidos a uma análise de desempenho comparando-se com dados reais de operação obtidos. Essa análise levou em conta robustez, tempo de resposta, análise transitória, análise estática e confiabilidade do modelo proposto. Com o resultado da análise de desempenho foi possível validar o modelo proposto e sugerir avanços futuros para continuação deste trabalho.

Orientador: José Alexandre Matelli / Banca: Eliana Vieira Canettieri / Banca: Carlos Manuael Romero Luna / Resumo: Os modelos energéticos atuais são baseados majoritariamente na utilização de combustíveis fósseis, os quais, além de serem fontes finitas, ainda geram gases poluentes que contribuem para o efeito estufa e, consequentemente, para o aquecimento global. As células a combustível, por possuírem alta eficiência de conversão, baixa emissão, simplicidade de operação e flexibilidade em sua utilização, vêm sendo estudadas como opção mais limpa de geração. A célula a combustível de carbonato fundido, em particular, além de ter vantagens estruturais por operar a alta temperatura, possui calor residual que pode ser aproveitado para cogeração. O presente trabalho propõe uma configuração de ciclo combinado de uma célula a combustível de carbonato fundido de 10 MW, que possui reforma interna de gás natural, com um ciclo a vapor que aproveita o calor residual da célula. A reforma a vapor do gás natural, simulada pelo software STANJAN Chemical Equilibrium Solver, apresentou valores satisfatórios de produção de H2 na temperatura de operação da célula. As análises energética e exergética, simuladas através do software Engineering Equation Solver (EES), apontaram aumentos nas respectivas eficiências globais de 4,8 e 4,6%, respectivamente. A análise exergoeconômica indicou custo de geração de 0,4679 USD/kWh, valor acima das tarifas nacionais. Entretanto, a análise de sensibilidade mostrou que plantas de grande porte com essa configuração podem ser economicamente competitivas em diferentes cenários... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Current researches point to a significant increase in energy demand over the next few years. Energy models are mostly based on fossil fuels, which generates greenhouse gases that contribute to global warming. Thus, it becomes necessary to develop equipment and cycles that operate with greater efficiency, as well as new technologies of energy generation with both fossil and renewable sources. Fuel cells are being widely investigated due to their high conversion efficiency, low emissions, structural simplicity and flexibility. Among several fuel cell types, molten carbonate fuel cell has advantages such as fuel flexibility and high operating temperature, which leads to high thermal energy residue. This residue can be used for cogeneration and combined cycles, in order to enhance the global efficiency. This study aimed to introduce a 10 MW internal reforming molten carbonate fuel cell and steam turbine combined cycle. Steam reforming of natural gas was simulated by STANJAN Chemical Equilibrium Solver and presented satisfactory H2 production at MCFC operating temperature. Simulation in Engineering Equation Solver (EES) of energetic and exergetic analysis showed efficiency increases of 4,8 and 4,6%, respectively. Exergoeconomic analysis pointed to a 0,4679 USD/kWh power cost. However, sensitivity analysis showed that higher plants can achieve economic viability in different scenarios / Mestre

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. / Made available in DSpace on 2012-10-24T01:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258453.pdf: 1262099 bytes, checksum: ff7bbab2ddd60f52c2cfaea9e6ce433a (MD5) / Durante os sucessivos ciclos de uma turbina a vapor, se concentram na superfície das palhetas e rotores, impurezas como, por exemplo, os íons sódio, sulfato, fosfato, cálcio e cloreto. Em vista da ação deletéria que esses íons causam sobre o sistema, o controle da qualidade da água deve ser minucioso, pois mesmo a presença de impurezas em níveis de ppb, quando associadas aos concentradores de tensões, provoca trincas que podem se propagar e levar à fratura do material, por meio do processo de corrosão-fadiga. As falhas dos componentes da turbina geram prejuízos e aumento nos custos de manutenção, além da perda da confiabilidade do equipamento. Neste estudo foram coletadas amostras de vapor no ponto de entrada na turbina de baixa pressão de uma usina termoelétrica e do condensado polido, em períodos de operação normal e partida da máquina. As amostras foram analisadas por meio de cromatografia iônica, com sensibilidade em níveis de ppb, possibilitando verificar a qualidade da água. Além disso, foram instalados filtros coletores de depósitos de impurezas do vapor, que posteriormente foram analisados por MEV/EDX, fornecendo mais subsídios para correlacionar os resultados das análises, possibilitando o monitoramento da qualidade da água e dos processos corrosivos no ciclo de vapor. Estudos com eletrodos rotativos de AISI 403 formando menisco em meios de alta concentração salina, com e sem proteção de esmalte, foram realizados visando obter condições semelhantes à do condensado nas palhetas (NaCl 25%). Estes estudos foram feitos com auxílio das técnicas de Polarização Eletroquímica, Tafel e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica e mostraram que em eletrodos mergulhados e com formação de menisco, a utilização do esmalte nas amostras de AISI 403 foi eficiente na delimitação da área estudada, apresentando menor taxa de corrosão em relação às amostras não esmaltadas, apenas em alguns casos. Da mesma forma, o estudo com eletrodos rotativos, nem sempre apresentou a maior taxa de corrosão. No entanto, a técnica de Polarização Potenciodinâmica demonstrou a agressividade da solução de NaCl 25% ao aço AISI 403.

Orientador: Luiz Carlos Pereira da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T03:25:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marques_FredericoAugustoSpolidorio_M.pdf: 3699527 bytes, checksum: fee04cbb6876f5ce62626058ebc660e7 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este projeto busca relacionar diversos aspectos interdisciplinares envolvidos em uma central de co-geração de energia elétrica. Motivado pela crescente inserção de centrais de geração distribuída operando de forma ilhada ou paralela ao sistema, foram desenvolvidos modelos mecânicos (térmicos e dinâmicos) e elétricos buscando representar os diversos equipamentos envolvidos em uma central de geração em um nível industrial. Baseado nesta concepção, optou-se pela geração de energia através de máquinas térmicas (turbinas a vapor) impulsionadas pela energia proveniente da queima de biomassa restante de diferentes processos industriais. Os modelos teóricos aqui representados foram numericamente simulados com parâmetros obtidos em um estudo de caso real. Seus resultados foram então comparados qualitativamente e quantitativamente contra as variáveis reais do processo analisado. Ao consolidar esta ferramenta de estudo, o simulador mostrou-se eficiente no treinamento de operadores de casas de forças, sendo capaz de esclarecer as interferências entre o nível de carga com as demais variáveis envolvidas em seu processo / Abstract: This project intends to gather several interdisciplinary aspects common to a co-generation power plant. Driven by the increasing amount of distributed generation units operating on island or parallel mode with the network, some mechanical (thermo and dynamic) and electrical models were developed in order to represent the equipments usually installed on an industrial size power station. Based on this concept, the more convenient option was to proceed the evaluation through turbo machinery (steam turbine) driven by the energy acquired from the heat power on burning byproducts of industrial processes. The theoretical models were simulated with parameters obtained from a real case study. The results were then finally compared with real process information acquired from field research. In order to consolidate this computational tool, the simulator has shown efficient results on training power station operators on clarifying the impacts of load level on the other relevant variables on their processes / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica