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Avaliação de um sistema micro CHP experimental para veículos recreativos

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Autor Pinto, Daniel Vieira;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/7267971318832763;
Orientador Wander, Paulo Roberto;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/3438508833347823;
Co-orientador Rosa, Josimar Souza;
Lattes do co-orientador http://lattes.cnpq.br/8519185336420285;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Avaliação de um sistema micro CHP experimental para veículos recreativos;
Resumo Veículos recreativos RV (do inglês - recreational vehicle) são casas sobre rodas que podem ser tracionadas por um veículo automotor, no caso dos trailers, ou ainda, podem ser autopropelidos, como um motorhome. Para utilização confortável de um RV, há necessidade de fornecimento de energia elétrica para recarga das suas baterias e operação dos eletrodomésticos e equipamentos instalados, bem como de energia térmica, para aquecimento de água e eventualmente climatização. Uma solução convencional e bastante utilizada para abastecimento de energia elétrica é a instalação de módulos fotovoltaicos consorciados com conexão à uma rede elétrica, quando possível, embora em alguns casos sejam utilizados moto-geradores a combustão. Já o aquecimento de água é feito, geralmente, por meio de aquecedores de passagem a gás ou de acumulação híbridos gás/elétrico. Em geral, a climatização dos RVs é feita por meio de ar-condicionado do tipo split e calefação a gás ou diesel. No intuito de desenvolver uma alternativa aos métodos de provimento de energia atualmente disponíveis, aliado a busca por meios mais eficientes e ecológicos de utilização da energia, este trabalho propõe a criação de um sistema de cogeração (calor e energia elétrica) para RVs. Foi realizada uma revisão sistemática de literatura (RSL), abrangendo artigos científicos sobre sistemas combinados de calor e energia (CHP, do inglês, combined heat and power). A RSL foi precedida por uma busca por documentos sobre cogeração e aproveitamento de energia em RVs, tanto em bases científicas quanto em bancos de propriedade intelectual. Identificou-se uma lacuna de pesquisa sobre dispositivos micro CHP para RVs. No desenvolvimento deste trabalho foi criado um dispositivo micro CHP experimental (mCHP-Ex), com 980 W de potência elétrica máxima, composto por um motor de combustão interna monocilíndrico, um alternador automotivo e trocadores de calor para recuperação térmica. O protótipo foi enclausurado e instrumentado, possibilitando as medições da potência térmica disponível no fluxo de água (proveniente da recuperação de calor dos gases de exaustão, do óleo lubrificante e do ar de arrefecimento) além da medição da potência elétrica do alternador. Para quantificar a disponibilidade de potências elétrica e térmica, bem como os parâmetros de eficiência e operação do sistema, foram realizados ensaios em 46 diferentes condições de operação, combinando variações entre 2000 rpm e 3600 rpm na frequência de rotação do motor e dos níveis de carga elétrica imposta ao alternador, desde ausência de carga até 100% de carga. A eficiência elétrica do mCHP-Ex atingiu 10,18% ±0,2% a 3008 rpm com 83% de carga. A potência elétrica máxima foi de 0,746 kW ±0,015 kW a 3637 rpm e 100% de carga. A máxima taxa de recuperação de energia térmica foi de 3,267 kW ±0,039 kW. O fator de utilização chegou a 65,57% ±0,22%. Se comparado aos sistemas micro CHP comerciais vistos na RSL, o mCHP-Ex pode ser até 48% mais leve. Comparado aos meios tradicionais de provimento de potência elétrica e potência térmica, em separado, para RVs, o mCHP-Ex apresenta aproveitamento 63% maior da energia primária quando a demanda é de potência elétrica e aquecimento do ambiente. Entretanto para as condições em que a demanda é por potência elétrica e aquecimento de água, ou ainda somente potência elétrica, as atuais soluções disponíveis ainda são mais eficientes.;
Abstract Recreational vehicles (RVs) are homes on wheels that can be pulled by a motor vehicle, in the case of trailers, or can be self-propelled, like a motorhome. For comfortable use of an RV, there is a need for an electrical supply to recharge its batteries and operate the appliances and equipment installed, as well as thermal energy, for heating water and possibly air conditioning. A conventional and widely used solution for supplying electrical energy is the installation of photovoltaic modules combined with a connection to an electrical grid, when possible, although in some cases combustion engine generators are used. Water heating is generally done by means of gas-fired instantaneous heaters or hybrid gas/electric storage heaters. In general, air conditioning in RVs is done by means of split-type air conditioning and gas or diesel heating. In order to develop an alternative to the currently available energy supply methods, combined with the search for more efficient and environmentally friendly means of energy use, this work proposes the creation of a cogeneration system (heat and electric power) for RVs. A systematic literature review (SLR) was carried out, covering scientific articles on combined heat and power (CHP) systems. The SLR was preceded by a search for documents on cogeneration and energy use in RVs, both in scientific databases and in intellectual property banks. A research gap was identified on micro CHP devices for RVs. In the development of this work, an experimental micro CHP device (mCHP-Ex) was created, with 980 W of maximum electrical power, consisting of a single-cylinder internal combustion engine, an automotive alternator and heat exchangers for thermal recovery. The prototype was enclosed and instrumented, enablingmeasurements of the thermal power available in the water flow (from exhaust gases, lubricating oil and cooling air heat recovery systems) in addition to the electrical power of the alternator. To quantify the availability of electrical and thermal power, as well as the efficiency and operation parameters of the system, tests were performed in 46 different operating conditions, combining variations between 2000 rpm and 3600 rpm in the engine rotation frequency and the levels of electrical load imposed on the alternator, from no load to 100% load. The electrical efficiency of the mCHP-Ex reached 10.18% ± 0.2% at 3008 rpm with 83% load. Maximum electrical output was 0.746 kW ±0.015 kW at 3637 rpm and 100% load. Maximum thermal energy recovery rate was 3.267 kW ±0.039 kW. Utilization factor reached 65.57% ±0.22%. Compared to commercial micro CHP systems seen at RSL, mCHP-Ex can be up to 48% lighter. Compared to traditional means of providing separate electrical and thermal power for RVs, mCHP-Ex provides 63% greater primary energy utilization when the demand is for electrical power and space heating. However, for conditions where the demand is for electrical power and water heating, or even electrical power alone, current solutions available are still more efficient.;
Palavras-chave Veículos recreativos; Sistema Micro CHP; Cogeração; Revisão sistemática de Literatura; Recuperação térmica; Recreational vehicles; Micro CHP System; Cogeneration; Systematic literature review; Thermal recovery;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica;
Tipo Tese;
Data de defesa 2024-06-19;
Agência de fomento IFSUL - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13450;
Programa Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica;


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