Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-23T05:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GuarineloJunior_FlavioFernando_M.pdf: 13289619 bytes, checksum: 071272a1f97f1b5a7cc53461f4f94b0e (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Este trabalho trata da aplicação de conceitos da termoeconomia à um estudo preliminar de um sistema de cogeração baseado em turbina a gás aeroderivativa e caldeira de recuperação, que visa suprir as demandas térmica e elétrica de um pólo industrial situado na cidade de Cabo -PE. É introduzida a análise energética, exergética e termoeconomica, para avaliar as eficiências segundo métodos e critérios específicos à sistemas de potência, para duas situações hipoteticamente admitidas quanto ao nível de geração de eletricidade - com e sem injeção de vapor na turbina a gás, que representam os perfis médios de demanda, segundo o fator de capacidade apresentado. Na análise termoeconôrnica são introduzidos alternativas de financiamento que possibilitam avaliar os reflexos dos custos de capital e combustível na composição dos custos da eletricidade e do vapor, segundo os métodos de alocação passíveis de serem aplicados a sistemas de cogeração. As alternativas de financiamento são ainda submetidas à técnicas conhecidas de análise de investimentos / Abstract: The main purpose of this work is to apply the Thermoeconomics concepts to a preliminary study of a cogeneration system, based on a gas turbine and HRSG, which objects to attend the thermal and electrical demand of an industrial complex, sited in Cabo-PE. The power plant is evaluated on the basis of the First and Second Law. Also the Thermoeconomic analysis, was applied for two hypothetical operation conditions, as regards the leveI of electric power generation - with and without steam injection in the gas turbine, which represents the middle demand outline, according to presented capacity factor. In the thermoeconomic analysis is introduced project finance options generally used in Brasil, what permits an evaluation of capital and fuel costs considering in the electricity and steam costs, according to allocation methods susceptible to be applied in cogeneration systems. The financirtg options, are subjected to known technics of investments analysis / Mestrado / Energia / Mestre em Engenharia Mecânica

Los sistemas de generación de energía eléctrica eólicos se presentan como una alternativa para solucionar en parte los problemas de contaminación ambiental, esta tesis se desarrolla con la intención de diseñar un control difuso eficiente de una turbina eólica. Para cumplir con este objetivo, primero se definen las características de los componentes de un aerogenerador y se indica el potencial energético eólico de nuestro país, luego se desarrolla el modelo matemático no lineal de un aerogenerador de características específicas: turbina de eje horizontal de tres palas, generador eléctrico tipo jaula de ardilla (potencia nominal 0.66 MW), actuador del ángulo de paso β (ángulo de rotación de la pala de la turbina de viento, alrededor de su eje longitudinal) y se realizan las simulaciones del sistema modelado en el programa Simulink de MATLAB. Se realizó una revisión de la teoría del control difuso, antes de diseñar un controlador difuso basado en el modelo no lineal obtenido previamente. En el diseño del controlador de la potencia de un aerogenerador mediante la variación del ángulo de paso β, se presentan las funciones de pertenencia y la base de reglas difusas del controlador. Para hacer el controlador difuso más eficiente, se diseña una ganancia a la salida del controlador que minimice la integral del error cuadrático. Se desarrollaron simulaciones en Simulink del controlador difuso y el controlador convencional PID de la potencia generada por el aerogenerador y se mostró que el sistema con el controlador difuso, presenta una menor amplitud de las oscilaciones durante el transitorio y un menor valor de la integral del error cuadrático. / Tesis

The use of diesel engine turbochargers is increasing today, as it represents an option that o ers high e ciency and low fuel consumption. To design the control system in order to reduce the level of exhaust emissions there is a need for information about all states that are not measurable. To this end, observers or virtual sensors are more frequently applied, achieving estimates of the system states from inputs and measured output. To propose an observer, the precise mathematical model of the air path diesel engine system is used. This is a nonlinear model of a third order which is analyzed in terms of observability. From the point of view of systems theory, certain conditions and the existence of a transformation of the system state, called di eomorphism, need to be evaluated. Observers have been designed based on di erent approaches: Extended Luenberger Observers, High Gain Observers, Sliding Modes Observers and Extended Kalman-Bucy Filters. They have been validated by simulation for the system under consideration in this work. / Tesis

O presente trabalho apresenta um estudo numérico e experimental sobre o desempenho aerodinâmico de turbinas eólicas de eixo vertical envolvendo rotores Savonius convencional de duplo-estágio e helicoidal. O estudo experimental é realizado no Túnel Aerodinâmico Professor Debi Pada Sadhu, do Laboratório de Mecânica dos Fluidos da UFRGS. As simulações numéricas são realizadas com o software Fluent/ANSYS utilizando o Método dos Volumes Finitos. São comparados os coeficientes de torque estático e dinâmico, o coeficiente de potência, além de uma análise aerodinâmica das duas turbinas. As medições são realizadas empregando Tubos de Pitot, um torquímetro estático digital e um torquímetro simples construído para a medição do torque dinâmico. As turbinas são fabricadas através da técnica de prototipagem 3D, com uma semelhança de dimensões e parâmetros. As soluções numéricas são resolvidas através da equação da continuidade, das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e pelo modelo de turbulência k-ω SST. A qualidade da malha utilizada é avaliada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI), para três diferentes tamanhos de malha. São feitas análises dos rotores na forma estática para diferentes ângulos de incidência e com a turbina em rotação são feitas análises para diferentes razões de velocidades de ponta de pá (λ). Resultados demonstram que a turbina helicoidal apresenta um coeficiente de torque positivo para todos os ângulos do rotor, assim como a turbina convencional de dois estágios. O coeficiente de torque dinâmico da turbina helicoidal é superior ao da turbina de duplo-estágio para a maioria dos casos, e também apresenta menor oscilação de torque ao longo de cada rotação. Por consequência, o coeficiente de potência do rotor helicoidal também se tornou superior, com um valor máximo encontrado na ordem de 11,8% para um λ de 0,65 no caso experimental, e de 8,4% para o mesmo λ no caso numérico, quando comparado com o rotor de duplo-estágio. Os erros relativos entre as simulações numéricas e os resultados experimentais estão entre 2,16% e 13,4%. Uma estimativa de potência gerada é feita para ambos os casos, para uma razão de velocidade de ponta de 0,65, onde a turbina helicoidal apresenta melhores resultados em relação ao rotor de duplo-estágio, na ordem de 13,6% para uma velocidade de 10,4 m/s. / This paper presents a numerical and experimental study of vertical axis wind turbine performance comparison involving two-stage and helical Savonius rotors. The experimental study is conducted in the Aerodynamic Tunnel Professor Debi Pada Sadhu at the Fluid Mechanics Laboratory of the UFRGS. The numerical simulations are performed with the Fluent/ANSYS software using the Finite Volumes Method. The static and dynamic torque coefficients, the power coefficients, and an aerodynamic analysis of the two turbines are compared. Measurements are made using Pitot tubes, a digital static torque wrench and a simple wrench constructed for the dynamic torque measurement. The aerodynamics rotors are manufactured by 3D prototyping technique with similar dimensions and parameters. Numerical solutions are solved by the continuity equation, the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the turbulence model k-ω SST. The quality of the mesh used is evaluated used the Grid Convergence Index (GCI) method, for three different mesh sizes. The rotors analyzes are made in static form for different angles of incidence and for the rotating turbine analyzes are made for differents tip speed ratio (λ). Results show that the helical turbine has a positive static torque coefficient for any rotor angles, as well as conventional two-stage turbine. The dynamic torque coefficient of the helical turbine is higher than the two-stage turbine for most cases and also shows less torque variation along each rotation. Consequently, the power coefficient of the helical rotor also become higher, with a maximum value found on the order of 11.8% for a λ of 0.65 in the experimental case, and 8.4% for the same λ number when compared with the two-stage rotor. The relative errors between the numerical simulations and the experimental results are between 2.16% and 13.4%. A generated power estimate is made for both cases, for a tip speed ratio of 0.65, where the helical turbine provides better results compared to two-stage rotor in order of 13.6% for a velocity of 10.4 m/s.

As turbinas a gás (TG) são máquinas usadas para transformar a energia térmica liberada na combustão de um hidrocarboneto em trabalho. A parte crítica para a concepção das TG encontra-se nas secções expostas a condições mecânicas e térmicas extremas, tais como as primeiras pás da turbina. A eficiência das TG é limitada pela temperatura máxima que podem suportar os materiais das pás sem escoamento ou deformação. Atualmente, a temperatura máxima de operação encontra-se acima da temperatura de escoamento do material, permitido pelo uso de técnicas de revestimentos cerâmicos com uma baixa condutividade térmica, (revestimento de proteção térmica, TBC) e técnicas de arrefecimento das pás. O arrefecimento interno é realizado com canais internos através dos quais escorre ar que é extraído do compressor principal. Como esse ar não é utilizado para gerar trabalho, é necessário otimizar as técnicas de arrefecimento. O presente trabalho melhora o nível de arrefecimento interno de uma pá de TG, através da otimização do desenho dos canais de arrefecimento mediante a utilização da Teoria Constructal Uma configuração com dois canais elípticos de diferentes geometrias é analisado, com o objetivo de otimizar a sua posição, área e razão de aspecto, procurando gerar uma redução da temperatura máxima no metal. São desenvolvidos quatro modelos com diferentes condições de contorno, incluindo no terceiro modelo a transferência de calor por convecção e radiação e um revestimento de barreira térmica. As conclusões gerais do trabalho estabelecem que os requisitos de máxima eficiência de dissipação de calor e mínima temperatura máxima no metal podem gerar modelos levemente diferentes. No entanto, ambos indicadores do desempenho térmico da pá estão intimamente relacionados, porem, sem grande variação de um design ótimo com relação ao outro, nem uma grande variação nas magnitudes da temperatura máxima ou da eficiência. O design que fornece a mínima temperatura máxima no metal é composto por canais elípticos achatados com a menor razão de aspecto e de igual área, distribuindo o ar de arrefecimento na maior quantidade de canais possíveis. A aplicação do Design Constructal nos canais internos de arrefecimento em TG reduz a temperatura máxima no metal, podendo constituir uma melhoria na vida útil das pás.

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

Orientadora: Ahda Piorkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Energia.

O projeto de turbinas hidráulicas tem estado em constante evolução, levando a máquinas mais rápidas e mais leves, nas quais os carregamentos são mais severos e as estruturas mais flexíveis. Com isto, os cálculos dos componentes da turbina devem ser realizados com maior precisão do que no passado, entre eles a determinação das velocidades angulares críticas da linha de eixo e seus fatores dinâmicos de amplificação de deslocamento, sobre os quais a maior influência é exercida pelo rotor do gerador. Para tanto, é elaborado um modelo numérico da linha de eixo, com base na pesquisa da literatura, na qual o rotor do gerador é usualmente considerado como um corpo rígido. Entretanto, para se verificar o efeito de suas propriedades de inércia e rigidez distribuídas sobre o movimento da estrutura, ele é descrito aqui por um modelo de elementos finitos, incluído no restante do sistema através do método da síntese modal de componentes. Os resultados numéricos mostram desvios não desprezíveis entre o método tradicional e o proposto aqui, sendo que se aconselha que o rotor do gerador seja descrito por este procedimento, quando os fatores de segurança empregados forem pequenos ou se a exatidão dos valores calculados for de grande importância. / Continuous improvements in hydraulic turbines project has lead to faster and smaller machines, in which loads are more severe and structures are more flexible. As a matter of fact, its components must be calculated more accurately than in the past. Such is the case of shaft line angular critical speeds and their dynamic displacement amplification multipliers, whose main influence is caused by the generator rotor. Therefore, a shaft line numeric model is set up, based on the literature review, where the generator rotor is usually considered as a rigid body. However, in order to verify its distributed inertia and stiffness properties effect on the structure behaviour, it shall be described here by a finite element model, that is included in the overall system using the component mode synthesis method. The numerical results yield significantly deviations between the model proposed here and the traditional, taking one to recommend that, when security factors are low or when calculated values accuracy is important, the generator rotor shall be modelled by the procedure described here.

Nos últimos 15 anos houve um grande aumento na presença de turbinas a gás no parque gerador de eletricidade brasileiro. O Brasil tem predominantemente climas tropicais e subtropicais com temperaturas oscilando entre 20 e 35C na maior parte do ano. A máxima potência que pode ser gerada por uma turbina a gás aumenta com a redução da temperatura do ar de entrada na turbina. Decorre daí o interesse na aplicação de sistemas de resfriamento do ar de entrada de turbinas. Dentre os sistemas de resfriamento, os de aplicação mais simples são o de resfriamento por meio evaporativo rígido e o de resfriamento por ciclo de compressão com acionamento elétrico. Não há na literatura um estudo sistemático da aplicação de sistemas de resfriamento de ar de entrada de turbinas a gás para operação no Brasil. Este trabalho estuda a aplicação dos dois tipos mais simples de sistemas de resfriamento de ar de entrada em turbinas operando ou a serem instaladas no território brasileiro. Um modelo para simulação da resposta de turbinas a gás às variações nas condições climáticas do ar de entrada (temperatura, umidade e pressão atmosférica) é desenvolvido. O modelo necessita como parâmetros somente de dados publicados em catálogo pelo fabricante da turbina. A simulação é feita para 27 localidades brasileiras comparando a operação de um mesmo tipo de turbina sem resfriamento e com os dois tipos de resfriamento. O dados climáticos usados são dos tipos anos metereológicos típicos e anos teste de referência. O modelo de turbina desenvolvido simula de maneira satisfatória as curvas de uma turbina comercial do tipo heavy duty. Um aumento de energia anual gerada de até 4,2% foi observado para o sistema de resfriamento por meio evaporativo rígido. O aumento de energia no resfriamento evaporativo depende da depressão de bulbo úmido média do local de instalação da turbina. Para o resfriamento por ciclo de compressão com acionamento elétrico o aumento observado foi de até 11,2%. O aumento de energia para este tipo de sistema depende da temperatura de bulbo seco média do local. / In the last 15 years an ever increasing presence of gas turbines was felt in electrical power generation in Brazil. Tropical and subtropical climates dominate most of the country, with temperatures ranging from 20 to 35C during most of the year. The maximum power that can be generated by a gas turbine increases at lower inlet air temperatures. Consequently, there is great interest in applying inlet air cooling systems in gas turbines. Among the inlet air cooling systems, the evaporative cooling by rigid wet media and the compression thermal cycle with electrical power chiller systems are the ones with most straightforward implementation. There is no systematic study of the application of gas turbine inlet air cooling systems for turbines operating in Brazil. This thesis studies the application of the two methods of gas turbine inlet air cooling mentioned above in turbines operating or to be installed in Brazil. A model to simulate the response of gas turbines to changes in the inlet air (temperature, humidity and pressure) is developed. The model uses turbine catalogue data as parameters. The simulation is performed for 27 Brazilian locations, comparing the operation of a model of turbine operating with and without cooling systems, for both types of cooling systems. Typical meteorological year and test reference year data are used in the study. The turbine model developed reproduces the turbines data curves with satisfactory accuracy. An annual increase in energy generation of up to 4,2% was observed for evaporative cooling. The energy gain for evaporative cooling depends on the annual mean wet bulb depression of the local. The compression thermal cycle increases the annual energy generation by up to 11,2%. The energy increase in this type of system depends on the mean dry bulb temperature of the local.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-02T17:32:40Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodoEspectralLocalizacao.pdf: 36751428 bytes, checksum: 91ff2c96311b8efad399a416dbaad775 (MD5) / Rejected by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br), reason: on 2017-10-10T17:02:37Z (GMT) / Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-16T14:15:49Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodoEspectralLocalizacao.pdf: 36751428 bytes, checksum: 91ff2c96311b8efad399a416dbaad775 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-11-13T15:52:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodoEspectralLocalizacao.pdf: 36751428 bytes, checksum: 91ff2c96311b8efad399a416dbaad775 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-13T15:52:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MetodoEspectralLocalizacao.pdf: 36751428 bytes, checksum: 91ff2c96311b8efad399a416dbaad775 (MD5) Previous issue date: 2014-08-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, é estabelecida uma metodologia baseada em análise espectral para localização de múltiplas descargas parciais na região dielétrica de bobinas de hidrogeradores. Esta localização de várias descargas objetiva viabilizar diagnóstico preventivo da região isolante da bobina. É concebido um modelo computacional utilizando-se o método das diferenças finitas no domínio do tempo para solucionar numericamente as equações de Maxwell, o qual é validado experimentalmente. O campo elétrico transitório associado a descargas parciais que ocorrem em diferentes posições da bobina é registrado e seu espectro, após processamento e análise estatística, é utilizado para realizar o diagnóstico. Em aproximadamente 90% das simulações realizadas, estimativas precisas da localização das descargas foram obtidas. Um novo método de injeção de sinais de descargas parciais também foi desenvolvido neste trabalho. / A methodology based on spectral analysis is established for performing localization of multiple partial discharges in dielectric region of hydro-generators coils. This pinpointing of multiple discharges aims to provide means for performing preventive diagnosis of the insulating region of the referred coil. A computer model of the structure was conceived by using the finite-difference time-domain method (FDTD-3D) to numerically solve Maxwell’s equations, which is experimentally validated. The transient electric field associated with partial discharges that occur at different positions of the coil is calculated and its spectrum, after processing and statistical analysis, is used to perform the diagnosis. In approximately 90% of simulations, accurate estimates of simultaneous discharges location were obtained. Transient numerical results are in agreement with literatures measurements performed experimentally. A new method of injection of partial discharge signals was also developed in this work.