Development of a heat dissipation system and an automatic control for an Organic Rankine cycle based micro-cogeneration experimental apparatus

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaNos últimos séculos a procura pela melhoria das condições de vida tem vindo a aumentar exponencialmente e com ela o aumento do consumo de energia. Atualmente as principais fontes de energia primária são os combustíveis fósseis que representam uma ameaça para o nosso meio ambiente pela produção de CO2. De entre estes destaca-se o gás natural pela sua ampla utilidade tanto em meios industriais como domésticos. Torna-se imperativo adotar medidas para promover a redução de gases de efeito de estufa na produção de energia. Nesse sentido, surgem tecnologias, como é o caso da CHP, que são capazes de produzir energia térmica e elétrica recorrendo a apenas um ciclo de potência apresentando, no entanto, uma redução no consumo de energia primária. Esta tecnologia, apesar de já ter atingido a maturidade em grande escala, é ainda pouco explorada em microescala, onde poderá ter um grande impacto. Para a implementação desta técnica, a nível habitacional, o ciclo proposto é o ORC pois é o que apresenta a razão de produção energia elétrica/ energia térmica que mais se adequa a este fim. A presente dissertação tem como caso de estudo uma bancada experimental de teste de evaporadores, já implementada no DEM, baseada nessa mesma tecnologia. Tem como principal objetivo a continuidade do estudo da aplicabilidade deste sistema para fins domésticos sendo para isso necessário: i) Recondicionar a bancada experimental, ii) Dotar a bancada de capacidade para simular as cargas térmicas típicas de uma habitação (AQS e AC) e iii) Automatizar o seu funcionamento para permitir ao sistema adaptar-se aos diferentes consumos de energia impostos.Relativamente ao primeiro e segundo ponto, foi projetado um sistema de dissipação novo composto por dois circuitos (circuito de água quente e circuito de dissipação) e realizada a sua implementação, a par de correções secundárias necessárias ao bom funcionamento da instalação. Após ensaio foi possível verificar que todos os componentes instalados se encontravam em funcionamento e verificou-se a possibilidade de controlar a temperatura no sistema de águas quentes por forma a mimetizar as diferentes utilizações habitacionais.Por último, foi desenvolvido um controlo para tornar a instalação autónoma. Recorreu-se a uma metodologia cada vez mais utilizada no controlo de sistemas fortemente não-lineares e para os quais não existe qualquer modelo matemático desenvolvido, o controlo baseado em Fuzzy Logic. Esta metodologia permite mimetizar as ações de um ou mais operadores experientes aproximando, desta forma, o funcionamento da instalação. Após implementação tanto do controlo como dos procedimentos de arranque, paragem e segurança, em software LabView, pode-se concluir, por validação experimental, que a bancada era capaz de funcionar e ajustar-se autonomamente às diferentes cargas térmicas impostas de uma forma relativamente rápida.In the last centuries the search for better life standards have been growing exponentially and with it the energy consumption. Nowadays, the main primary energy sources are fossil fuels that represent a threat to our environment by producing CO2 emissions. Amongst those, natural gas arises as the most used by its versatility on industrial and domestic practises.It is crucial to adopt measures to promote the reduction of greenhouse gases on the power generating methods. For that, some technologies arise which is the case of the CHP technic that is capable of generating both heat and power by using only one power cycle, nevertheless presenting a reduction of primary energy consumption. This technology, although have reached its maturity on a large scale, its micro-scale application, however it might cause a big impact, is not very explored yet. For implementation of this technology, for household applications, the power cycle proposed is the ORC because it is the one which presents the more adequate power and heat generation proportion.The present text as its foundation on an experimental apparatus for evaporator testing, already operational within DEM and it’s based on the referred technology. The main objectives of this paper are: i) Refurbishing of the experimental bench, ii) Endowing the experimental apparatus with the capability for simulating the typical thermal loads of a household (AQS and AC) and iii) Make its operation fully automatic and capable of adapt to different energy consumptions.Regarding the first and second objectives, the solution consisted on projecting a new dissipation system formed by two separated circuits (hot water circuit and dissipation circuit) and then implementing it alongside with the necessary secondary repairs. After experimental trials the control of the temperature on the hot water circuit was verified allowing for simulation of household applications.Lastly, a control methodology was developed in order to endow the experimental bench with an automatic operation. A very sought methodology for controlling very non-linear systems in which the mathematical model is to complex or is unknown was used, the Fuzzy Logic control. This methodology allows for action mimic of an experienced operator of the system and by this approximating the real operation of the experimental apparatus. After the control, On, Off and safety procedures were implemented, in LabView software, the automatic operation of the test bench was validated by experimental testing in which it could adapt itself to the different thermal loads that were imposed quite quickly