Análise do desempenho termodinâmico de um sistema de trigeração para produção de potência, refrigeração e água dessalinizada

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Soares, Arthur Pontes de Miranda Ramos, 1996-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/7304
Resumo: Orientadores: José Vicente Hallak Dangelo, Hugo Valença de Araújo
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Uma forma de mitigar esses impactos é pelo uso de sistemas térmicos mais eficientes, como os sistemas de trigeração, que fazem uso do calor residual da geração de potência para outras finalidades, ou pelo uso de fontes energéticas renováveis como o biogás, obtido a partir da captura do metano proveniente da decomposição anaeróbica de resíduos orgânicos da agricultura e pecuária, por exemplo. Uma das consequências do aquecimento global é o aumento na ocorrência de eventos climáticos extremos como as secas, responsáveis pelo esgotamento das reservas hídricas, especialmente em regiões de clima árido e semiárido. Uma possível solução para esse problema é a utilização de métodos de dessalinização de água salobra, que podem ser integrados a sistemas de trigeração. Tendo em vista o contexto apresentado, um modelo computacional de um sistema de trigeração para produção de potência, refrigeração e água dessalinizada foi desenvolvido. Tal sistema é composto por uma associação em paralelo de microturbinas a gás movidas a biogás proveniente do esterco bovino, um sistema de refrigeração por absorção (SRA) e um sistema de dessalinização umidificação-desumidificação (HDH). Para avaliar o desempenho e a viabilidade do sistema proposto, análises energética, exergética e econômica foram realizadas. Além disso, foram analisadas duas configurações distintas para o SRA, uma delas operando com mistura LiBr/H2O e outra com NH3/H2O. Em complemento às análises empregadas, Algoritmo Genético (GA) foi utilizado para solucionar três cenários de otimização mono-objetivo. Dentre os dois sistemas de trigeração estudados, observou-se que aquele com SRA LiBr/H2O obteve maior desempenho tanto nos quesitos energético e exergético, quanto no quesito econômico. Tal sistema foi capaz de produzir 104,4 kW de potência, 12 kW de refrigeração (3,4 TR) e 0,1231 kg/s de água dessalinizada, com EUF de 1,024, eficiência exergética de 25,39% e tempos de retorno simples e descontado de 6,92 e 12,36 anos, respectivamente. Em sua totalidade, o sistema destruiu 295,92 kW de exergia, dos quais 78,23% foram destruídos pelas microturbinas a gás, devido majoritariamente à reação de combustão. A partir da maximização do EUF, foi possível obter um aumento de 12,12% no desempenho energético e de 16,25% na produção de água, associado a uma redução de 10,99% na eficiência exergética e a um aumento de 1,01% e 1,94% nos tempos de retorno simples e descontado, respectivamente. Por outro lado, ao maximizar a eficiência exergética, percebeu-se um aumento de 25,05% na eficiência exergética e uma redução de 0,29% e 0,57% nos tempos de retorno, associado a uma redução de 13,83% no EUF e 18,44% na produção de água. Tendo em vista que a redução no tempo de retorno proveniente da maximização da eficiência exergética é pouco significativa e que um dos objetivos principais do sistema proposto é a produção de água para suprir a demanda de regiões com abastecimento limitado, a condição operacional referente à maximização do EUF foi escolhida como mais adequadaAbstract: The increase in global energy consumption brings serious environmental impacts due to the burning of fossil fuels, which still represent the majority of the world's energy matrix. One way to mitigate fossil fuel impact is to employ more efficient thermal systems, such as trigeneration, which uses waste heat from power generation for other purposes, or by using renewable and clean energy sources such as biogas, acquired by capturing methane from anaerobic decomposition of agriculture and livestock organic waste, for example. A major consequence of global warming is the increase in extreme climate events such as droughts, responsible for severely damaging water reserves, especially in arid and semi-arid regions. As a means to ease drought effects, brackish water desalination methods can be used, with the advantage of being easily integrated into trigeneration systems. Therefore, a computational model of a trigeneration system to produce power, refrigeration and freshwater was developed in the present study. Such a system consists of biogas-powered microturbines, an absorption refrigeration system (ARS) and a humidification-dehumidification (HDH) desalination system. To evaluate the performance and feasibility of the proposed system, energetic, exergetic and economic analyses were employed. In addition, two different ARS configurations were considered, one with LiBr/H2O working fluid and the other with NH3/H2O. Moreover, Genetic Algorithm (GA) was adopted to solve three single-objective optimization problems. Among the two trigeneration systems, it was observed that LiBr/H2O system exhibited better energetic, exergetic and economic performance and was able to produce 104.4 kW, 12 kW (3,4 TR) and 0.1231 kg/s of power, refrigeration and freshwater, respectively, with EUF of 1.024, exergetic efficiency of 25.39% and simple and discounted payback times of 6.92 and 12.36 years, respectively. In total, the system destroyed 295.92 kW of exergy, of which 78.23% were destroyed by the microturbines, mainly due to the combustion reaction. Based on EUF maximization, it was possible to achieve a 12.12% increase in the energy performance and a 16.25% increase in water production, if compared to the base case, associated with a 10.99% reduction in the exergetic efficiency and an increase of 1.01% and 1.94% in the simple and discounted payback times, respectively. On the other hand, the exergetic efficiency maximization yielded a 25.05% in the exergetic efficiency and a reduction of 0.29% and 0.57% in the payback times, associated with a decrease of 13.83% in the EUF and 18.44% in water production. Considering that the decline in the payback times, observed in the exergetic efficiency maximization, was not significant and that one of the major porpuses of the proposed system is the production of water, the operational condition obtained by maximizing the EUF was chosenMestradoEngenharia QuímicaMestre em Engenharia QuímicaCNPQ130495/2020-4[s.n.]Dangelo, José Vicente Hallak, 1967-Araújo, Hugo Valença, 1988-Mady, Carlos Eduardo KeutenedjianMarques, Adriano da SilvaUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSoares, Arthur Pontes de Miranda Ramos, 1996-20222022-12-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (165 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/7304SOARES, Arthur Pontes de Miranda Ramos. Análise do desempenho termodinâmico de um sistema de trigeração para produção de potência, refrigeração e água dessalinizada. 2022. 1 recurso online (165 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/7304. 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