ISEP - DM – Engenharia Mecânica
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Browsing ISEP - DM – Engenharia Mecânica by Field of Science and Technology (FOS) "Energia"
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- Ações de melhoria de performance e competitividade das gamas de motores elétricos fabricados na WEGEUROPublication . Flores, Rui Manuel Crespo; Santos, Carlos Miguel Pereira da SilvaO presente trabalho foi realizado no âmbito de um estágio curricular na WEGeuro e teve como principal objetivo a melhoria da performance e competitividade das gamas de motores elétricos fabricados na respetiva entidade. A WEGeuro produz essencialmente motores elétricos para áreas de atividade especializada tais como aplicações em atmosferas explosivas. Este projeto de intervenção focou-se em três etapas principais que por sua vez espelham o trabalho desenvolvido ao longo de seis meses de estágio. A primeira etapa teve como objetivo a criação de mapas de ventilação de modo a compreender a influência dos ventiladores no desempenho dos motores elétricos. Para isso, foram selecionados os ventiladores mais aptos e viáveis de serem utilizados em cada motor elétrico sendo estes depois submetidos a ensaios laboratoriais de forma a permitir registar o seu comportamento. Assim, no futuro, caso a ventilação de algum motor não satisfaça os requisitos de ruído, caudal ou perdas mecânicas poderá recorrerse à base de dados elaborada, permitindo escolher rapidamente um novo ventilador, visto que, já se obteve conhecimento prévio do seu comportamento. Para além deste trabalho, na seleção das opções de ventilação para cada motor, houve o cuidado de dar prioridade a ventiladores construídos em ferro fundido e sempre que possível à utilização de ventiladores radiais, uma vez que o seu custo é muito menor, permitindo assim tornar o preço final do motor elétrico ainda mais competitivo. Por conseguinte, a segunda etapa consistiu na implementação industrial de uma nova tampa defletora em ferro fundido, para a gama de motor W22Xd (WPT). Nesta fase, os principais objetivos foram a redução de custos, a padronização visual e melhorias na ventilação do motor elétrico. Por último, a terceira etapa focou-se no desenvolvimento de um novo ventilador axial para a gama W22XdT com o objetivo de aumentar o caudal de ventilação, assim como reduzir o custo do ventilador padrão. Em suma, a realização deste trabalho na WEGeuro deu lugar a vários melhoramentos. É de salientar que, com as alterações efetuadas, é notória a redução de custos na produção, assim como, a redução do tempo despendido pelos colaboradores da WEGeuro nas respetivas atividades. Assim, a entidade acolhedora de estágio melhorou a sua sustentabilidade, tornando-se mais rentável e produtiva.
- Análise da influência do caudal de água no comportamento dos recuperadores de calor por baterias em unidades de tratamento de arPublication . Sousa, Carlos Joel da Silva; Ribeiro, Leonardo José da SilvaEste trabalho teve como principal objetivo estudar o efeito da variação do caudal de água no comportamento de recuperadores de calor por baterias (run-around coil - RAC), instalados em Unidades de Tratamento de Ar (UTA). Para tal, foi utilizada uma Unidade de Tratamento de Ar, fabricada pela empresa EVAC, S.A., na qual se instalou um recuperador de calor do tipo supracitado. Todo o trabalho foi executado na sede da empresa EVAC, S.A., sendo que a UTA utilizada para o estudo está dedicada ao tratamento do ar novo necessário para o bloco de escritórios da empresa. A UTA encontra-se na cobertura do edifício, sito em Penafiel. É uma unidade de duplo fluxo, do tipo bidirecional. Trata-se do modelo UTA-RP 20D ZL70, na sua configuração sobreposta. Após a seleção e instalação do recuperador de calor na UTA, procedeu-se ao posicionamento e instalação de um conjunto de sondas e sensores, de modo a se obterem os dados necessários para o desenvolvimento do estudo. Os dados começaram a ser recolhidos 24 horas por dia e a serem criteriosamente observados, de forma a se perceber o comportamento do recuperador de calor (da perspetiva de ambos os fluidos: ar e água). Em simultâneo com a preparação da instalação até ao seu arranque, procedeu-se a uma revisão bibliográfica sobre o tema em análise. Esta revisão teve como assuntos principais a transferência de calor (nomeadamente os processos da condução e da convecção), a mecânica dos fluidos e as normas técnicas e legislação aplicável às UTA e, muito em particular, aos permutadores de calor compactos e recuperadores de calor. Como base de estudo foi usado o livro de Rigot (1991) que contém os princípios básicos para a compreensão e dimensionamento deste tipo de permutadores de calor. De destacar a parte 5 deste livro, fundamental para o estudo da termodinâmica aplicada a este componente, devido a ter uma base sólida sobre permutadores compactos. Usando a ferramenta de cálculo da Microsoft, Excel, foi replicado o exemplo descrito no final desse capítulo, com intuito de consolidar a teoria estudada e se perceber as variáveis do problema em causa. Após ter sido interiorizada toda a parte física do problema, optou-se por utilizar o método de cálculo ɛ-NTU por forma a determinar as temperaturas de saída do ar e da água, sem ser necessário a sua previsão, associada ao uso do método da Diferença de Temperaturas Média Logarítmica, LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference). Numa fase seguinte do trabalho, avançou-se para um complemento ao modelo numérico desenvolvido para cálculo, verificação e análise do rendimento térmico e da eficiência energética em função do caudal de água, tendo-se concluído este estudo com uma análise comparativa entre as medições experimentais e o modelo de cálculo realizado. O trabalho desenvolvido permitiu atingir o principal objetivo proposto. Uma das principais conclusões foi a determinação do caudal mássico de água que maximiza a eficiência energética (aplicável especificamente ao recuperador de calor em análise). Situa-se entre 0,77 e 1 vezes o caudal mássico de ar. O parâmetro Cr, fundamental na conclusão do trabalho e que relaciona ambos os caudais, situa-se entre 0,19 e 0,24. Como é normal neste tipo de trabalho, por cada questão esclarecida, várias novas questões são geradas, pelo que este estudo permitiu ainda o desenvolvimento de ideias para novos trabalhos de investigação na temática em assunto.
- Auditoria Energética a Instalação ComercialPublication . Gomes, Joaquim Avelino Soares; Brandão, Roque Filipe MesquitaO setor da indústria destaca-se como um dos maiores consumidores de energia final em Portugal, representando cerca de 30% do consumo. Para fazer face a esta situação e no âmbito da Estratégia Nacional para a Energia foi criado, pelo Decreto-Lei n.º 71/2008, o Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), regulamento que classifica como Consumidoras Intensivas de Energia (CIE) as indústrias com um consumo anual superior aos 500 tep. Prevendo a elaboração de Planos de Racionalização dos Consumos de Energia (PREn), estabelecendo-se acordos de racionalização dos consumos com a Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) [1]. Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia na indústria pode diminuir significativamente, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas e determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação apresenta-se a realização de uma auditoria energética a uma instalação comercial, que assenta essencialmente em quatro etapas, nomeadamente: planeamento da intervenção, trabalho de campo, tratamento e análise da informação recolhida, elaboração do relatório da auditoria. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia utilizada nas auditorias energéticas foi realizado o estudo a uma instalação comercial que registou no ano 2013, um consumo energético inferior a 500 tep, contudo aderiu de forma voluntária ao Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), sendo obrigado a racionalizar o seu consumo de energia de acordo com as metas estabelecidas no SGCIE.
- Autoconsumo (UPAC) e contratos de desempenho energéticoPublication . Guedes, Joaquim Manuel Soares; Castanheira, Luís Filipe CaeiroAs energias renováveis têm sido alvo de grande interesse e estudo dos tempos atuais. A evolução da sociedade, maioritariamente devido ao estilo de vida moderno, evoluiu no sentido do aumento da procura de energia. Este investimento nas formas de geração de energia alternativa deveu-se não só ao aumento da procura, mas também à diminuição das reservas de combustíveis fósseis. Paralelamente, existem crescentes preocupações ambientais, dado o aquecimento global provocado pela emissão de Gases com Efeito de Estufa (GEE). A energia solar é a forma de energia mais abundante e inesgotável de todas as formas de energia renováveis. Por isso, a energia fotovoltaica tem desempenhado um papel promissor como forma de geração de energia alternativa. O objetivo principal desde projeto visou o estudo e desenvolvimento de uma central fotovoltaica para autoconsumo numa indústria agroalimentar. Para tal, foi efetuada inicialmente uma revisão bibliográfica da energia solar fotovoltaica, a sua evolução ao longo do tempo, assim como uma referência à legislação portuguesa quanto a esta forma de energia. Posteriormente, foi desenvolvida e descrita uma metodologia para um correto e mais apropriado dimensionamento da central fotovoltaica, de forma a clarificar quais os locais mais apropriados à instalação dos módulos fotovoltaicos. O objetivo secundário centrou-se na análise de viabilidade económica do projeto em causa e no estudo da possibilidade de celebração de um contrato de desempenho energético. O presente estudo permitiu dimensionar uma central de 673 kW pico de potência. Foi estimado, de forma conservadora, que a central produziria 926 MWh no primeiro ano, representando 36% das necessidades de energia elétrica da unidade industrial. A análise de viabilidade económica apresentou uma poupança anual de 104.830 €, permitindo um retorno do investimento em 6,3 anos. Por sua vez, a 25 anos, o projeto originaria um Valor Atual Líquido (VAL) de 810.478€ (taxa de desconto de 4%) e uma Taxa Interna de Rendibilidade (TIR) de 15%. Concluiu-se ainda que o projeto apresenta viabilidade de financiamento por uma Empresa de Serviços Energéticos (ESE), através da celebração de um contrato de desempenho energético. Este teria a duração de 15 anos, com partilha de 10% dos resultados com a empresa. Do ponto de vista económico, este contrato permitiria um VAL de 113.060€ (taxa de desconto de 8%) e uma TIR de 11% para a ESE. Para a indústria estudada, para além de não apresentar encargos económicos iniciais, permitiria uma poupança energética adicional, no valor de 10.483€ para o primeiro ano, e de mais de 1.000.000€ acumulados no final do tempo de vida útil do sistema.
- Caracterização da tecnologia de frio comercial e profissionalPublication . Guerreiro, Pedro Filipe Freire; Castro, Olga dos Remédios SobralHoje em dia a preocupação ambiental e a economia são fatores de sustentabilidade que são tidos em conta em países desenvolvidos, especialmente no seio da União Europeia. Reduzir os consumos de energia é, portanto, um ponto-chave para a redução das emissões de gases com efeito de estufa e aumentar a dependência das energias renováveis. Consequentemente surge então a necessidade de aumentar a eficiência dos equipamentos, em particular no presente caso, equipamentos de refrigeração. Para isso foi adotado pela Comissão Europeia uma rotulagem nos produtos consumidores de energia, em particular na refrigeração, os frigoríficos e congeladores domésticos permitindo informar o consumidor para os equipamentos mais eficientes. Mais recentemente, frigoríficos comerciais e profissionais também terão obrigatoriedade de incluir um rótulo energético na parte externa dos mesmos. Nesses rótulos estão incluídas várias informações técnicas do aparelho representadas de uma forma compreensível e lúdica aos olhos do consumidor mais leigo, entre as quais as classes de eficiência energética. As classes de eficiência energética caracterizam-se pela componente tecnológica dos frigoríficos. Perceber quais os componentes e materiais em particular que promovem uma melhor eficiência, quantificar a sua influência e avaliar os seus custos de integração torna-se assim essencial para toda a cadeia envolvida na produção destes equipamentos. Os fluídos frigorigénios e compressores aparentam ser os que mais exercem influência na eficiência de frigoríficos de baixa potência. Tubos capilares com trocador de calor são uma escolha mais eficiente comparado com o tubo capilar padrão que é utilizado nestes frigoríficos. Por forma a obter informação adicional e relevante do ponto de vista da análise energética realizaram-se simulações para determinação do consumo elétrico anual com recurso ao software Pack Calculation Pro. Entre os fluídos frigorigénios R-134a, R-22 e R-410a, os compressores scroll apresentaram consumos mais reduzidos (no máximo de 16%) do que os compressores alternativos. No caso do amoníaco (R-717) os compressores alternativos consumiram em média 14% menos do que os compressores parafuso. O recurso a velocidade variável em compressores permite reduzir o consumo na ordem dos 25%. Válvulas de expansão eletrónicas trazem reduções no consumo de 1,5% quando comparadas com válvulas de expansão termostáticas em compressores de velocidade variável. O propano (R-290) é um gás que mostra ter um melhor desempenho do que o R-134a e R404a em vários compressores, consumindo 16% menos do que o R-404a. Em função da temperatura exterior, o R-290 também apresentou um bom desempenho consumindo em climas quentes (Belém, Brasil) 24% menos do que o R-404a.
- Contributo para o projeto de um ZELab - Módulo de ambiente e microbiologiaPublication . Carvalho, Rafael Ribeiro de; Caetano, Nídia de SáUma vez que os edifícios constituem um potencial de poupança de energia, vários organismos dedicaram os seus estudos de forma a perceber quais as origens dos consumos e ineficiências na utilização de energia bem como estratégias para as mitigar, começando principalmente por propor reformas na envolvente dos edifícios, estabelecendo-se requisitos legais, de forma a limitar os consumos. Com o surgimento do conceito de edifício com necessidades quase nulas de energia, nZEB, surgiu a necessidade de reunir várias áreas do conhecimento. É com o intuito de criar um laboratório multidisciplinar e integrador das diversas vertentes da engenharia num edifício energeticamente eficiente que surge o ZELab, no qual está integrado um módulo laboratorial para realização de trabalhos nas áreas de ambiente e microbiologia. Além de ser um edifício nZEB pretende-se que o ZELab, dê suporte a atividades letivas e sobretudo, seja um local que permita a várias áreas de conhecimento avaliar a aplicação de novas tecnologias e estratégias de gestão de edifícios, e perceber o funcionamento conjunto das diversas tecnologias instaladas. A presente dissertação pretende fazer um balanço dos possíveis contributos para a obtenção de um edifício nZEB e, no caso prático, sugerir um layout para o edifício que reflita as preocupações de design e ocupação/utilização e, por último, estimar os consumos de energia para o módulo laboratorial proposto. O edifício de microbiologia e ambiente proposto têm uma área de implantação de 135,20 m2 , composto por 10 módulos de 5,2 metros de comprimento, 2,6 metros de largura e 3,6 metros de altura; o edifico encontra-se divido por diversas áreas: corredores de acesso, armazenamento de suporte às atividades, uma zona técnica de apoio aos fotobiorreatores instalados na fachada oeste e, 5 zonas de investigação. A solução proposta para a construção consiste na utilização de estrutura em aço, com a utilização de painéis de OSB pelo exterior, gesso cartonado pelo interior, lã-de-rocha entre os painéis e capoto pelo exterior utilizando painéis de cortiça, sendo este o acabamento. Calculados os balanços térmicos, obteve-se uma carga térmica de 5,5 kW para aquecimento e 19,6 kW para arrefecimento. Uma vez que os sistemas de climatização não foram selecionados, para as condições genéricas estabelecidas estimou-se o consumo de energia útil na bateria de arrefecimento, com uso de free-cooling entre 26543 kWh/ano e 27829 kWh/ano. Em função das potências elétricas e dos perfis de utilização, estimou-se que o consumo de energia elétrica pela iluminação em cerca de 2007 kWh/ano e dos equipamentos laboratoriais em cerca de 20810 kWh/ano. As principais conclusões retiradas são: para além do consumo de energia elétrica, os equipamentos laboratoriais (para um espaço deste tipo) possuem grande impacto nas cargas térmicas dos espaços e por conseguinte, induzem grandes consumos de energia pelos sistemas de climatização. As cargas térmicas dos equipamentos são de difícil determinação, uma vez que a potencia térmica dissipada assim como a sua utilização típica são difíceis de apurar. A grande diversidade de temas e especialidades que devem ser tomados em consideração para a projeção de um espaço laboratorial do tipo do pretendido, tendo em vista a aproximação de desempenho de um edifício nZEB, permite concluir que este deverá ser pensado por uma equipa multidisciplinar, de forma a poder ser otimizado em todas as suas vertentes.
- Contributo para o projeto de um zelab - módulo de serviços de apoio comumPublication . Afonso, Carlos André Ribeiro; Caetano, Nídia de SáDevido ao rápido crescimento do setor dos serviços, o consumo energético nos edifícios aumentou de forma significativa nos últimos anos, e começa agora a fazer-se sentir o impacto daí resultante. Assim, tem vindo a ser impostos requisitos construtivos específicos para dar resposta às exigências ao nível do aumento da eficiência e da redução dos consumos energéticos, originando os denominados Nearly Zero Energy Buildings (nZEB). É neste contexto que está integrado o ZELab. Este edifício visa combinar alta eficiência energética com uma geometria modular, que permite a criação de novos espaços, funcionando como um edifício piloto, que possa ser utilizado pelos alunos e docentes para apoio à investigação e desenvolvimento de outros projetos nas mais variadas áreas da engenharia. Este trabalho segue uma linha de raciocínio lógico, começando por identificar as estratégias e tecnologias para a conceção e o design dos nZEB e os tipos de construção modular. Uma vez realizado esse trabalho de pesquisa, o caso de estudo foca-se no contributo para o projeto de um módulo de serviços de apoio comum, compreendendo sala de reuniões, casas de banho, depósito de reagentes e receção, sendo apresentadas soluções para a estrutura e envolvente do edifício. O trabalho contempla também a simulação no software HAP, que permitiu o cálculo das cargas térmicas de arrefecimento e aquecimento, de acordo com as soluções propostas para a envolvente bem como a ocupação prevista, equipamentos elétricos e iluminação.
- Contributo para o projeto e construção de um ZELabPublication . Moreira, Sandra Raquel Mendes; Caetano, Nídia de SáUma das maiores parcelas da energia consumida está associada aos edifícios, pelo que se torna essencial começar a pôr em prática projetos que permitam a substituição de energia de fontes não renováveis por energia de fontes renováveis e mais sustentáveis, incorporando medidas que permitam aumentar a eficiência energética dos edifícios, satisfazendo as necessidades com, pelo menos, o mesmo grau de conforto. Esta ideia já está patente em alguns edifícios de habitação e de serviços, onde foi implementado o uso de painéis solares e de outras fontes de energias renováveis, ou medidas de eficiência energética. No entanto, a evidente necessidade de construir edifícios públicos com consumo energético global próximo do zero (Near Zero Energy Buildings, nZEB), fez surgir a necessidade de estabelecer requisitos mínimos a satisfazer em edifícios de tipologia distinta, particularmente os de habitação e os de serviços. Os laboratórios, pela diversidade de atividades que neles se realizam, constituem um desafio interessante do ponto de vista energético. Esta dissertação visa contribuir para o estabelecimento de requisitos construtivos e para o projeto de uma estrutura metálica modular, que servirá de base à construção de um laboratório energeticamente eficiente (Zero Energy Laboratory, ZELab). Neste espaço, pretende-se utilizar o máximo possível de fontes de energia renováveis, de um modo natural e integrado. Serão incorporados aspetos da sustentabilidade, quer ao nível da ocupação do espaço, quer ao nível da partilha de conhecimento e aplicação de soluções state-of-the-art. Este será um espaço de estudo, que se pretende vivo e dinâmico, não só da comunidade académica, mas também, e sobretudo, de partilha com a comunidade envolvente, particularmente com as empresas do sector da construção. Resumidamente, este deverá ser um edifício de estudo, com produção e utilização de energia renovável, que deve otimizar os consumos energéticos e de água, aproximandose, portanto, de uma construção sustentável.
- Controlo e otimização do circuito secundário de distribuição de energia térmica de um sistema AVACPublication . Bastos, Rui Miguel Correia de; Pereira, Isabel Maria Garcia SarmentoA distribuição de água refrigerada em sistemas de AVAC (Ar, Ventilação e Ar Condicionado) tem uma participação importante nos gastos de energia de um centro comercial, representado, tipicamente, 5% a 10% do total dos gastos de eletricidade originados por aqueles sistemas. Por este motivo, é importante identificar estratégias de controlo que maximizem a eficiência operacional daquela distribuição. O recurso a bombas de circulação de água refrigerada com variadores de velocidade é uma prática comum nas instalações de AVAC em edifícios, também o sendo nos centros comerciais da empresa Sonae Sierra, como meio efetivo de garantir altos níveis de performance energética. É prática corrente, e os centros comerciais daquela entidade não são exceção, que a estratégia de controlo de velocidade das bombas de circulação seja baseada em manter um diferencial de pressão perto da bomba. No entanto, esta estratégia de controlo tem-se revelado como não ideal, já que origina uma maior pressão nos ramais quando opera em condições parciais do que o expectável, aumentado o consumo energético relativo (excesso de serviço provoca desperdício de energia). Na verdade, dos factos, este tipo de estratégia já não é permitida por entidades internacionais reconhecidas por definirem padrões de eficiência energética para os sistemas de AVAC em edifícios (p.e.: ASHRAE 90.1 –2013). Os sistemas de AVAC do centro comercial Estação Viana (Viana do Castelo, Portugal), sobre os quais este estudo se centrou, foram alvo de uma alteração à estratégia de controlo das bombas de circulação do circuito secundário de distribuição de água refrigerada (junho 2017), tendo passado de um designado método convencional para um método otimizado, baseado na instalação de transdutores de pressão localizados nos terminais críticos de trocas de calor. Esta circunstância constituiu uma boa oportunidade para realizar este caso de estudo, tendo como objetivo avaliar o impacto da aplicação de uma estratégia de controlo da variação de velocidade dita otimizada na redução dos consumos energéticos associados à bombagem de um sistema de AVAC. Deste modo, este estudo ambiciona contribuir para o conhecimento corporativo sobre métodos de otimização do controlo de bombas de circulação com variadores de velocidade, avaliando o impacto em termos de investimento, consumo energético, conforto e manutenção.
- Cultivo de microalgas: dimensionamento de uma instalação do tipo raceway pondPublication . Rocha, Carlos António Lopes da; Caetano, Nídia de SáO cultivo de microalgas é uma prática que está em desenvolvimento, nos dias de hoje, tendo varias aplicações como a indústria alimentar, farmacêutica, a produção de bio combustíveis, entre muitas outras finalidades. Neste projeto pretende-se desenvolver um sistema aberto de cultivo de microalgas em lagoa arejada, tipo raceway pond, compreendendo os diversos sistemas que o constituem. A capacidade deste sistema é de 3,8 m3, 25 m2 e 0,15 m para a profundidade da cultura. As espécies de microalgas requisitadas são a Spirulina platensis e a Chlorella vulgaris. Com estas restrições, são elaborados métodos que permitam o controlo de parâmetros essenciais ao crescimento das microalgas, tais como, a temperatura da cultura, o pH, a luminosidade, o escoamento, a concentração de CO2, entre outros. Inicialmente, é efetuada uma pesquisa e análise do estado de arte, estudando as técnicas e tecnologias já utilizadas na cultura de microalgas, bem como as tipologias de raceway’s existentes, percebendo assim a melhor orientação a dar ao projeto. São abordados os aspetos técnicos e económicos do projeto, construção e funcionamento de um raceway pond. O trabalho desenvolvido permite verificar que a produção de microalgas em lagoas arejadas, tipo raceway pond, atualmente é um processo corrente na produção comercial de microalgas. Apesar de não ser possível controlar, da forma mais eficaz, os parâmetros essenciais ao crescimento das microalgas, devido principalmente às condições ambientais, é um sistema muito utilizado para este tipo de produção porque é muito económico realizar uma instalação e gerir o processo.