Evaluation of the operational conditions of a process with domestic refrigerator under gas nano-cogenerator

Autor: Montenegro, Hercules Rocha, 1993
Přispěvatelé: Silveira Júnior, Vivaldo, 1962, Brittes, José Luiz Pereira, 1959, Ismail, Kamal Abdel Radi, Silva, Karla, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Vivaldo Silveira Júnior, José Luiz Pereira Brittes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: A refrigeração representa um dos mais importantes métodos de conservação de alimentos, mas ainda não é facilmente acessível a todos, principalmente por questões energéticas, econômicas e tecnológicas. Atualmente, o principal sistema de refrigeração doméstico é por compressão mecânica de vapor que opera com eletricidade para acionamento de um motor eletromecânico. Neste contexto, a disponibilidade de energia é o fator mais impactante, visto que ela nem sempre está disponível para ser utilizada, mesmo em sistemas de refrigeração convencionais com facilidade de acesso. Diferentes tecnologias de refrigeração (compressão, absorção, adsorção, Stirling, Peltier) apresentam uma gama de possibilidades de uso de diversas fontes energéticas como a térmica, mecânica, elétrica. Considerando a oportunidade de se utilizar uma fonte térmica, por exemplo, a partir da queima de algum combustível como alternativa a eletricidade, para aplicação em refrigeradores domésticos comerciais, é que surge o interesse no estudo dos efeitos termoelétricos. Introduzido por Thomas Seebeck, o efeito termoelétrico possibilita ser gerada uma potência elétrica a partir de um diferencial de temperatura, caracterizando a conversão direta de calor em eletricidade a partir de componentes denominados módulos termoelétricos (TEG’s). Assim, o presente trabalho tem como principal objetivo apresentar uma alternativa de uso entre as diferentes fontes térmicas para transformação em eletricidade para uso em refrigeradores domésticos comerciais, introduzindo um gerador termoelétrico que irá converter a energia da queima de um combustível (gás natural) em eletricidade de forma contínua, gerando aproximadamente 100 W de potência e, simultaneamente, aproveitar parte do calor de entrada para o aquecimento de água para consumo, maximizando a eficiência do processo, e caracterizando-o como uma nano-cogeração distribuída. Com o processo montado, estudou-se o comportamento do sistema (da capacidade de geração) em condições máximas e fixas. Posteriormente, a partir de um delineamento ensaios, foram desenvolvidas e analisadas as correlações das variáveis independentes do processo (temperaturas do óleo e da água) com as variáveis-resposta ou dependentes (tensão, corrente, potência gerada, eficiência de conversão elétrica, potência térmica fornecida pelo óleo, potência de aquecimento da água e vazão média de gás), a partir de simulações com dados do fabricante, obtendo modelos ajustados que pudessem descrever o processo no nível de 5 % de significância. Atribuindo uma faixa de temperatura de 100 a 220 °C para o óleo e 25 a 60 °C para a água, foram obtidos valores máximos de tensão, corrente, potência gerada, eficiência de conversão elétrica, potência térmica fornecida pelo óleo, potência de aquecimento da água e vazão média de gás, respectivamente, a 17,9 V, 7,97 A, 135,78 W, 4,42 %, 3042,12 W, 2335,62 W, 0,33 m³ h-1. Para as variáveis dependentes foram obtidos modelos polinomiais quadráticos ou lineares ajustados no nível de 5 % de significância com seus respectivos gráficos de superfície e contorno. Com os modelos ajustados, foi verificada a melhor condição de operação do sistema (temperatura do óleo de 170 °C e temperatura da água de 25 °C) de forma a satisfazer o funcionamento intermitente do refrigerador e aquecimento diário de 25 a 50 °C de 1458 litros água para consumo, avaliando também seus custos operacionais e compará-lo aos custos, quando acionados na rede elétrica. Nesta condição de operação, foi obtido como resultado um consumo 0,25 m³ h-1 de gás, gerando 78,8 W de potência elétrica com tensão mínima para carregamento de bateria de 12 V. Esse consumo de gás resultou em um custo de R$ 113,00 mensais se aplicado a tarifa de cogeração para o gás, valor inferior ao custo de funcionamento via rede elétrica, que foi de R$ 909,00 mensais incluindo o aquecimento de água para consumo Abstract: Refrigeration represents one of the most important methods of preserving food, but it is not yet easily accessible to everyone, mainly for energy, economic and technological reasons. Currently, the main domestic refrigeration system is by mechanical steam compression that operates with electricity to drive an electromechanical engine. In this context, the availability of energy is the most impacting factor, since it is not always available to be used, even in conventional refrigeration systems with easy access. Different refrigeration technologies (compression, absorption, adsorption, Stirling, Peltier) present a range of possibilities for using different energy sources such as thermal, mechanical, electrical. Considering the opportunity to use a thermal source, for example, from burning some fuel as an alternative to electricity, for application in commercial domestic refrigerators, interest in the study of thermoelectric effects arises. Introduced by Thomas Seebeck, the thermoelectric effect makes it possible to generate an electrical power from a temperature differential, characterizing the direct conversion of heat into electricity from components called thermoelectric modules (TEG’s). Thus, the present work has as main objective, to present an alternative of use between the different thermal sources for transformation into electricity for use in commercial domestic refrigerators, introducing a thermoelectric generator that will convert the energy of burning a fuel (natural gas) into electricity continuously, generating approximately 100 W of power and, simultaneously, taking advantage of part of the incoming heat to heat water for consumption, maximizing the efficiency of the process, and characterizing it as a distributed nano-cogeneration. With the process assembled, the system's behavior (of generation capacity) was studied under maximum and fixed conditions. Subsequently, from a trial design were developed and analyzed the correlations of the independent process variables (oil and water temperatures) with the response variables and dependent (voltage, current, power output, power conversion efficiency, thermal power provided by oil, water heating power and average gas flow), from simulations with data from the manufacturer, obtaining adjusted models that could describe the process at the 5% significance level. By assigning a temperature range of 100 to 220 ° C for oil and 25 to 60 ° C for water, maximum values ??of voltage, current, generated power, electrical conversion efficiency, thermal power supplied by the oil, heating power were obtained water and average gas flow, respectively, at 17.9 V, 7.97 A, 135.78 W, 4.42 %, 3042.12 W, 2335.62 W, ??0.33 m³ h-1. To the dependent variables were obtained linear or quadratic polynomial models set at 5% significance level graphic with the respective surface and contour. With the adjusted models, the best operating condition of the system was verified (oil temperature of 170 °C and water temperature of 25 °C) in order to satisfy the intermittent operation of the refrigerator and daily heating from 25 to 50 °C of 1458 liters of drinking water, also evaluating its operating costs and comparing it to costs, when activated in the electricity grid. In this operating condition, a 0.25 m³ h-1 gas consumption was obtained as a result, generating 78.8 W of electrical power, with a minimum voltage for 12 V battery charging. This gas consumption resulted in a cost of R$ 113.00 per month if the cogeneration tariff for gas is applied, which is less than the cost of operating via the electricity network, which was R$ 909.00 per month including water heating for consumption Mestrado Engenharia de Alimentos Mestre em Engenharia de Alimentos CNPQ 157606/2018-0
Databáze: OpenAIRE
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