Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/64263
Type: Tese
Title: Modelagem matemática e análise de desempenho da hibridização de motores Stirling operando com biogás e energia solar no Brasil
Other Titles: Mathematical modeling and performance analysis of Stirling engines hybridization operating with biogas and solar energy in Brazil
Authors: Bryan Castro Caetano
First Advisor: Rudolf Huebner
First Referee: Fabricio Jose Pacheco Pujatti
Second Referee: Esly Ferreira da Costa Junior
Third Referee: Juan Jose Garcia Pabon
metadata.dc.contributor.referee4: Carlos Eduardo Castilla Alvarez
Abstract: Atualmente, tanto o setor agropecuário, quanto o setor de produção de energia elétrica são grandes fontes de emissão de gases de efeito estufa. Preocupações com a sustentabilidade e especialmente com os riscos ambientais relacionados às mudanças climáticas, têm influenciado o desenvolvimento de novas tecnologias para produção de potência. Por possuírem combustão externa os motores Stirling podem operar com uma grande variedade de fontes de calor. Desta forma, sua utilização e hibridização tem sido objeto de estudo de diversos trabalhos. A utilização do biogás e da energia solar apresenta uma alternativa interessante para a utilização de uma energia mais limpa, podendo ser utilizada em regiões distantes dos centros convencionais de produção e distribuição, como propriedades rurais, o que representa uma forma ambientalmente adequada de tratamento de bio resíduos e utilização de fontes renováveis. Para comprovar o potencial da hibridização dessas fontes de calor, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a viabilidade técnica da implementação de um motor Stirling operando com o calor proveniente da energia solar concentrada e da queima do biogás produzido em biodigestores com resíduos pecuários. É desenvolvido um modelo matemático para realizar a estimativa do desempenho do sistema híbrido, onde é combinado a modelagem do motor Stirling, do disco concentrador, do queimador e do biodigestor. O modelo é testado utilizando condições de contorno similares às condições que o sistema seria submetido se operando no Brasil. O mapa do motor é construído calculando a potência de saída do motor, a quantidade de calor necessária e a sua eficiência térmica para diferentes rotações e temperaturas de aquecimento. A parte do sistema que concentra e coleta a radiação solar é avaliada funcionando nas cidades de Ourinhos-SP e Natal-RN e utilizando discos concentradores com tamanhos diferentes. Já o desempenho do queimador é avaliado para diferentes geometrias e misturas de biogás. A influência do tipo de biomassa inserido no biodigestor na quantidade de animais, no consumo diário de água e no volume do biodigestor é avaliada para um funcionamento contínuo do sistema híbrido. Os resultados apresentados mostram que a hibridização com a energia solar pode reduzir o consumo de biogás em 30%. Em contrapartida, a utilização de biogás reduz as oscilações na produção de potência utilizando apenas energia solar e permite um funcionamento constante. Considerandos os momentos de menor radiação solar disponível, não houveram variações significativas no número de animais necessários quando comparados o sistema operando em Ourinhos e em Natal. Além disso, a quantidade de animais necessários para o funcionamento do sistema híbrido se mostrou praticável no cenário brasileiro, por exemplo, são necessários 20,9 e 20,1 suínos para a produção constante de 1kW nas cidades de Ourinhos e Natal, respectivamente. Com isso, a hibridização de motores Stirling utilizando energia solar e biogás produzido de rejeitos da agroindústria como a proposta neste trabalho, apresenta um grande potencial de funcionamento em um país como o Brasil que é privilegiado em incidência de radiação solar e possui uma das maiores agroindústria do mundo.
Abstract: Currently, both the agricultural sector and the electricity production sector are major sources of greenhouse gas emissions. Concerns about sustainability and especially environmental risks related to climate change have influenced the development of new technologies for power production. Because they have external combustion, Stirling engines can operate with a wide variety of heat sources. Therefore, its use and hybridization has been the object of study in several studies. The use of biogas and solar energy presents an interesting alternative for the use of cleaner energy, which can be used in regions far from conventional production and distribution centers, such as rural properties, which represents an environmentally appropriate form of bio treatment, waste and use of renewable sources. To prove the potential of hybridization of these heat sources, the present work aims to evaluate the technical feasibility of implementing a Stirling engine operating with heat from concentrated solar energy and the burning of biogas produced in biodigesters with livestock waste. A mathematical model is developed to estimate the performance of the hybrid system, which combines the modeling of the Stirling engine, the concentrator disc, the burner and the biodigester. The model is tested using boundary conditions similar to the conditions that the system would be subjected to if operating in Brazil. The engine map is constructed by calculating the engine's power output, the amount of heat required and its thermal efficiency for different speeds and heating temperatures. The part of the system that concentrates and collects solar radiation is evaluated by operating in the cities of Ourinhos-SP and Natal-RN and using concentrator disks with different sizes. The burner performance is evaluated for different geometries and biogas mixtures. The influence of the type of biomass inserted in the biodigester on the number of animals, daily water consumption and volume of the biodigester is evaluated for continuous operation of the hybrid system. The results presented show that hybridization with solar energy can reduce biogas consumption by 30%. On the other hand, the use of biogas reduces fluctuations in power production using only solar energy and allows constant operation. Considering the moments of lower available solar radiation, there were no significant variations in the number of animals required when comparing the system operating in Ourinhos and Natal. Furthermore, the number of animals needed to operate the hybrid system proved to be feasible in the Brazilian scenario, for example, 20.9 and 20.1 pigs are needed for constant production of 1kW in the cities of Ourinhos and Natal, respectively. Therefore, the hybridization of Stirling engines using solar energy and biogas produced from agro-industry waste, as proposed in this work, has great potential for operation in a country like Brazil, which is privileged in the incidence of solar radiation and has one of the largest agro-industry. of the world.
Subject: Engenharia mecânica
Combustão
Metano
Biodigestor
Modelagem matemática
Sustentabilidade
Biogás
Energia solar
Motores Stirling
Energia - Fontes alternativas
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/64263
Issue Date: 15-Dec-2023
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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