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Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Resumo: O presente trabalho estuda a cogeração cujo acionador primário é o motor de combustão interna e o gás natural como combustível. Introduz e desenvolve objetivamente os assuntos da exergia e termoeconomia no intuito de serem aplicados para a elaboração da modelagem matemática. Esta modelagem foi desenvolvida e implementada nos softwares EES(Engineering Equation Solver) e o Excel. O estudo de caso analisado foi um sistema de cogeração, energia elétrica e água gelada, aplicado a um centro comercial da região nordeste do Brasil. Deste estudo de caso, os resultados termodinâmicos, termoeconômicos e financeiros gerados são avaliados através de análises de sensibilidade a partir da variação de parâmetros, tais como: capacidade dos grupos motores-geradores, tipo de regime de operação do sistema (24 horas ou em horário de ponta), composição química do gás natural, eficiência energética dos grupos motores-geradores e eficiência energética do chiller. Por fim, com a termoeconomia é possível identificar os equipamentos e fluxos críticos e verificar através da análise financeira, uma significante dependência entre os preços de mercado do gás natural e da energia elétrica os quais, o estudo de caso indica que, implantações de novos centros comerciais com centrais de cogeração são atualmente inviáveis, exceto para empreendimentos já existentes,onde a operação da central de cogeração em horário de ponta gera viabilidade financeira. Palavra-chave: Cogeração, Exergia, Termoeconomia, Exergoeconomia Abstract: The present work studies the cogeneration in which the prime mover is internal combustion engine and the natural gas as the fuel. It introduces and develops objectively the subjects of the exergy and thermoeconomics in order to be applied for mathematical modeling elaboration. This modeling was developed and implemented by the software EES(Engineering Equation Solver) and Excel. The case study selected was a cogeneration system,electric power and chilled water, applied for a northeast Brazilian commercial center. With the case studied, the thermodynamic, thermoeconomics and financial results are evaluated through sensibility analysis starting from the parameters variation like: load of motorsgeneration group, systems operation type (24 hours or point hour), natural gas chemicals composition, energetic efficient of the motors-generation group and chillers energetic efficient. In the end, with the thermoeconomics it is possible to identify the criticsequipments and flows and verify through financial analysis, a significant dependency of natural gas market prices and electric power in which, the case study indicates that,implantations of new commercial centers with cogenerations plants are unviable, except for existing enterprises, where the cogenerations plant operation in point hour generates viability. Key-words: Cogeneration, Exergy, Thermoeconomics, Exegoeconomics

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: f. 137-142 Resumo: A matriz energética brasileira é composta atualmente por cerca de 50% de fontes renováveis assim como a matriz elétrica atinge percentuais elevados, superiores a 80%. Entretanto, com o crescimento econômico nacional, torna-se necessário expandir o parque de geração e distribuição, promover o uso racional de energia e principalmente incentivar e introduzir uma maior participação de fontes renováveis na matriz energética nacional como, por exemplo, o programa de substituição intensiva de chuveiros elétricos por aquecedores solares que vem sendo adotado pelo governo. Apoiado na premissa da necessidade de valorização da qualidade e do bom funcionamento das instalações de aquecimento solar é que esse trabalho foi desenvolvido. Através da consolidação dos dados relativos à avaliação de qualidade das instalações de grande porte em edifícios residenciais na cidade de Belo Horizonte (Projeto Eletrobras ECV 184/2006), ensaios laboratoriais e simulações computacionais, foi possível estabelecer uma relação de indicadores de qualidade para sistemas de aquecimento solar de grande porte bem como elaborar uma proposta de metodologia para certificação desses sistemas. Esse trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto ANEEL/CEMIG P&D 183 Aquecimento Distrital, onde pretende-se aplicar os indicadores e metodologias de avaliação aqui desenvolvidas no sistema de aquecimento solar distrital que será instalado para atender cerca de 50 famílias de baixa renda, em ação inédita no país. Palavras-chaves: aquecimento solar. indicadores de qualidade. certificação de instalações. TRNSYS. aquecimento distrital. Abstract: The Brazilian energy matrix is composed by 50% of renewable energy as well as an electrical matrix that reaches levels greater than 80%. However, with national economic growth, it is necessary to expand generation and distribution, promote the rational use of energy and especially to encourage and introduce a greater share of renewable sources in national energy matrix, for example the intensive program to replacement of electric showers by solar thermal systems that has been adopted by the government. This work was developed based on the premise of a need to enhance quality and proper operation of the solar heating systems. By performing laboratory tests, computer simulations and data analysis of solar thermal installations in residential buildings in the city of Belo Horizonte (ECV Eletrobras Project 184/2006), it was possible to establish indicators of quality for large solar heating systems and elaborate a methodology for certification of such systems. This work was developed under project ANEEL/CEMIG R&D 183 District Heating, which intends to apply the indicators and methodologies developed a district solar heating system, which will be installed to supply around 50 low-income families, in an unprecedent action in the country. Keywords: solar heating. quality indicators. systems certification. TRNSYS. district heating.

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: p.96-99 Os textos clássicos que apresentam a modelagem dos processos de transferência de calor em um coletor solar plano consideram como premissa a uniformidade da vazão do fluido de trabalho em seus respectivos tubos de elevação. Este estudo é uma contribuição para a análise detalhada dos mecanismos de troca de calor em um coletor solar incluindo-se os efeitos da não-uniformidade da vazão e sua influência sobre a eficiência térmica dos coletores solares. A abordagem desenvolvida pode ser dividida em duas fases. Na primeira etapa, a modelag em matemática foi realizada considerando-se o processo de escoamento isotérmico para avaliação em separado da influência da perda de carga sobre a distribuição da vazão nos tubos de elevação do coletor solar. A rotina foi implantanda no programa CFX-11, gerando um perfil crescente para a vazão ao longo de sua dimensão x. Tais resultados corroboraram estudos desenvolvidos por Jones e Lior, enquanto os modelos analíticos, propostos por Kikas e Hardy-Cross, propunham perfis de escoamento simétricos. Na segunda etapa deste trabalho, a rotina elaborada incluiu os efeitos da transferência de calor, decorrente da incidência da radiação solar. Os resultados demonstraram que os efeitos da perda de carga são mais significativos sobre o perfil de escoamento do que os efeitos decorrentes da transferência de calor. Estes resultados foram comparados com os estudos realizados por Weitbrecht et al. e com valores experimentais obtidos em testes realizados no Simulador Solar do Laboratório GREEN da PUC Minas, apresentando boa concordância. Os resultados deste trabalho demonstram a necessidade de se extrapolar o estudo para baterias de coletores solares em associação série-paralelo. Palavras-chave: coletor solar plano, uniformidade de escoamento, simulação numérica, CFX Abstract: The classic texts that present the modeling of the processes of heat transfer in a flat-plate solar collector consider the assumption of the uniformity of the flow of working fluid in their respective risers. This study is a contribution to the detailed analysis of the mechanisms of heat transfer in a solar collector including the effects of non-uniform flow and its effects on the thermal efficiency of solar collectors. The approach can be divided into two phases. In the first stage, the mathematical modeling was carried out considering the process of isothermal flow to evaluate separately the influence of pressure loss on the flow distribution in the risers. The routine was implemented in the program CFX-11, generating an increasing profile of the flow over its coordinate -x. These results corroborate the studies developed by Jones and Lior, while the analytical models proposed by Kikas and Hardy-Cross, proposed symmetrical flow profiles. In the second stage of this work, the routine developed included the effects of heat transfer, due to solar radiation. The results showed that the effects of pressure loss are more significant on the flow profile than the effects due to heat transfer. These were compared with studies carried out by Weitbrecht et al. and with experimental values obtained in tests performed in Solar Simulation in the Laboratory GREEN in PUC Minas, which showed a good agreement. The results demonstrate the need to extrapolate the study of batteries of solar collectors in series-parallel association. Keywords: flat-plat solar collector, uniform flow, numerical simulation, CFX

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: p. 91-93 Resumo: Este estudo trata da medição da disponibilidade de luz natural da abóbada celeste no crepúsculo local, garantida sua qualidade metrológica. Uma aplicação relevante dos resultados obtidos é a programação da iluminação pública artificial noturna por concessionárias de energia elétrica, como previsto no projeto de Pesquisa e Desenvolvimento CEMIG / ANEEL (P&D 128), do qual este trabalho é parte integrante. São consideradas as variáveis climatológicas locais e as características do tecido urbano, como arborização e verticalização das construções, através de uma estação fixa e cinco estações remotas. Apresenta-se uma descrição do aparato experimental e dos cuidados nas instalações das cinco estações remotas e da estação fixa para garantir as condições operacionais dos equipamentos e a qualidade dos dados medidos. Uma metodologia para estimação da incerteza de medição de iluminância das estações foi proposta, com o levantamento das fontes de incerteza e determinação do modelo de medição de acordo com o Guide to the Expression of Uncertainty of Measurement. Os cálculos estão exemplificados para o nível de iluminância de 80 lx. O resultado obtido para a estimativa da incerteza expandida para uma probabilidade de abrangência de 95 % é de 10 %. Constatou-se que o componente de incerteza que possui maior peso no resultado final está relacionado ao fotômetro utilizado, como inicialmente esperado. A incerteza de medição tem um impacto da ordem de 2 min no horário de ocorrência das iluminâncias medidas. Portanto, para os níveis de iluminância de (3, 20 e 80) lx definidos pela norma NBR 5123 para atuação dos relés fotoelétricos utilizados nos postes de iluminação pública, a duração do dia pode ter uma variação de até 4 min. Abstract: This study is about the measurement of sky daylight availability in local twilight, guaranteed its metrological quality. A relevant application of the achived results is the scheduling of nocturnal public artificial lighting by energy companies, as predicted in Research and Development project CEMIG / ANEEL (R&D 128), from which this work is an intregant part. The local climatological variables are considered and the characteristics of the urban fabric, such as tree coverage area and buildings verticalization, are represented by a fixed station and five remote stations. A description of the experimental apparatus and the procedures carried out in the installations of the stations is presented to ensure the operational conditions of the equipment and the quality of the measured data. A methodology for estimating the uncertainty of illuminance measurements of the stations was proposed, with the survey of the uncertainty sources and determining the measurement model in accordance with the Guide to the Expression of Uncertainty of Measurement. The calculations are exemplified for 80 lx illuminance level. The result achived for the expanded uncertainty estimated to a coverage probability of 95 % is 10 %. It was verified that the uncertainty component that has greater weight in the final outcome is related to the photometer used, as originally expected. The uncertainty of measurement has an impact is the order of 2 min. Therefore, for low illuminance levels, as (3, 20 and 80) lx limits defined in standard NBR 5123 for photoelectric relays performance used on public lighting posts, the daylength can have a range up to 4 min.

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: f. 79-82 Resumo: Neste trabalho, foi desenvolvida uma metodologia para avaliação energética e exergética de uma central termelétrica que utiliza como combustível gás de alto forno e alcatrão. A implementação das rotinas de cálculo foi realizada com auxílio do programa computacional EES Engineering Equations Solver, em sua versão acadêmica. Para exemplificar a aplicação dessa metodologia, foi avaliado o projeto de implantação da Usina Termelétrica do Barreiro UTE, unidade de cogeração conduzida pela CEMIG, COPASA e a siderúrgica Vallourec & Mannesmann Tubes V&M do Brasil S.A. Os resultados apresentados neste trabalho mostram a eficiência dos equipamentos e do ciclo em função da variação da potência fornecida. A queima dos combustíveis e os gases de exaustão também foram avaliados. Um futuro monitoramento remoto da eficiência, utilizando o software desenvolvido, pode auxiliar na determinação das melhores condições operativas e do momento mais oportuno para intervenções preventivas. A análise dos gases de exaustão possibilita um melhor controle da queima dos combustíveis, reduzindo o nível de gases poluentes e aumentando a disponibilidade energética, com conseqüente aumento da eficiência global e menor poluição atmosférica. Abstract: In this work, a methodology for energy and exergy evaluation of a thermoelectric power plant that uses the high furnace gases and tar as fuel was developed. The implementation of the calculation routines was made with aid of the computational program EES Engineering Equations Solver in its academic version. As an example of application of this methodology, the project of implantation of the Thermoelectric Power Plant of Barreiro, co-generation unit lead by CEMIG, COPASA and Vallourec & Mannesman Tubes Steel V&M of Brazil, was evaluated. The results presented in this work show the efficiency of individual equipment and the cycle as a whole as a function of variation of the power supplied. Fuel burning and the exhaust gases also are evaluated. Future on-line monitoring of the efficiency using the software developed can assist in the determination of the best operative conditions and the most opportune moment for preventive interventions. Analysis of the exhaust gases makes possible better control of fuel burning, reducing the level of pollutant gases and increasing the energy availability, with consequent increase of the global efficiency and lesser atmospheric pollution.

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: f. 100-107 Resumo: Este trabalho buscou avaliar a viabilidade de aproveitamento da energia contida nos gases de exaustão, produzidos em um motor diesel, para obtenção de efeito de refrigeração dentro de um baú frigorífico. Essa energia pode ser utilizada como aporte energético em ciclos de refrigeração por absorção, gerando o efeito de refrigeração para cargas em transporte rodoviário. Desta forma, a potência consumida no funcionamento do equipamento de refrigeração convencional pode ser economizada, gerando uma diminuição da quantidade de rejeitos tóxicos lançados na atmosfera e redução dos custos operacionais durante seu transporte. Um modelo matemático foi desenvolvido para determinação do efeito de refrigeração requerido em função do tipo de carga, temperatura de armazenamento, parâmetros construtivos das carrocerias e condições climáticas típicas. O programa computacional foi implementado, utilizando-se a plataforma MATLAB. Foram realizados ensaios experimentais em laboratório e em campo para comparação e validação do modelo proposto. Os resultados mostraram-se bastante satisfatórios, com desvios absolutos máximos entre os valores das temperaturas medidas e simuladas da ordem de 2,5 oC Palavras-chave: refrigeração-absorção, modelagem matemática, climatização, uso eficiente de energia Abstract: This study aims to evaluate the viability of exhaust gases heat recovery, generated by the combustion in a Diesel motor, in order to produce a cooling effect inside a refrigeration truck. The heat can be used as energetic input for an absorption refrigeration cycle to produce the required cooling effect. Thus, the power consumed during the operation of the conventional refrigeration equipment can be saved, reducing toxic waste disposal in the atmosphere and the operational costs during the transportation. A mathematic model has been developed to define the cooling effect required, related to the load, storage temperature, constructive parameters of the back of the truck and typical climatic conditions. The software was implemented using MATLAB framework. Experimental tests were realized at the laboratory and in the field for comparison and to validate the proposed model. The results were considered satisfactory, with maximum absolute error between experimental and simulated temperatures of no more than 2,5oC Keywords: refrigeration-absorption, mathematic modeling, climatization, energy efficient use

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: f. 56-59 Resumo: No cenário energético brasileiro atual, a cogeração de energia, entendida como a geração simultânea de energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tem-se mostrado uma alternativa competitiva, embora pouco utilizada no país. Indústrias que apresentam disponibilidade de combustíveis e que requerem energia térmica, como vapor de processo ou aquecimento de água, podem cogerar energia elétrica com custos competitivos, reduzindo sua dependência de políticas tarifárias e eventuais falhas de fornecimento. Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma metodologia de avaliação com base na Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica, denominada avaliação exergética, de sistemas de cogeração de energia, utilizando turbinas a gás e motores alternativos para indústrias que consomem grande quantidade diária de água quente. Para automatizar os cálculos, foi desenvolvido o programa computacional em MATLAB, intitulado Análise Exergética. Estudos aplicados a uma indústria do setor automotivo que consome cerca de 118.000 e 122.000 litros por dia de água quente a 70 e 45ºC, respectivamente, indicaram que, embora a eficiência do processo atual, calculada pela Primeira Lei da Termodinâmica, fosse da ordem de 64,5%, o fator de utilização da disponibilidade energética do combustível era apenas de 3,8%. Para as novas configurações de cogeração, tal valor elevou-se para a faixa de 4,2 a 6,9% e de 17,6 a 18,3%, nos casos de turbinas e motores a gás, respectivamente. Estes valores indicam o melhor aproveitamento da energia nos motores a gás. Identificou-se, também, um significativo potencial existente para trigeração, por exemplo, com as turbinas a gás, justificado pelos elevados níveis de temperatura dos gases após o processo de recuperação parcial de sua energia à saída dos trocadores de calor, na faixa de 360 a 530ºC. Abstract: In the current Brazilian energetic scenario, the cogeneration, defined as the simultaneous generation of electrical power and thermal energy from a single fuel, has shown as a competitive alternative, although it is not widely used in the country. Industries that have availability of fuel and require thermal energy, such as process steam or hot water, can produce energy form cogeneration with competitive costs; thus reducing their dependence on public taxes and energy supply. This study proposes the development of an evaluation methodology, based on the First and Second Thermodynamics Laws (exergetic analysis), of cogeneration systems as gas turbine and reciprocating engine to industries with very high daily hot water demand. In order to produce automatic calculations, a software named Exergetic Analysis has been developed. A case study at an automotive industry that consumes around 118,000 and 122,000 liters of hot water a day at 70ºC and 45ºC, respectively, indicates that, although the efficiency of the current process calculated by the First Thermodynamics Law was 64.5%, the available utilization factor is of no more than 3.8%. For cogeneration systems, this factor has increased to a range of 4.2% to 6.9% and 17.6% to 18.3% for gas turbine and reciprocating engine, respectively. These numbers indicate a better energy quality for the reciprocating engine. A significant potential for trigeneration was also identified, for example, with gas turbine, justified by the high levels of heat exchange exit temperatures, at the range of 360ºC to 530ºC.