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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-6573-0480
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo e desenvolvimento numérico do projeto de um gerador elétrico acionado por motor a pistão livre
Alternate title (s): Study and numerical development of an electrical generator powered by a free-piston engine project
Author: Rodrigues, Roger Victor
First Advisor: Santos, Marcelo Braga dos
First coorientator: Carvalho, Solidônio Rodrigues de
First member of the Committee: Ferreira, Antonio Carlos
Second member of the Committee: Souza, Francisco José de
Summary: As imposições dos órgãos governamentais que restringem os níveis de emissões de poluentes sobre o mercado têm impulsionado buscas por alternativas mais as eficientes aos equipamentos geradores convencionais, principalmente aqueles cuja fonte de energia são os combustíveis fósseis. Dentre essas alternativas, observa-se o motor de pistão livre, conceito que apesar de perder popularidade na década de 60 do século passado, tem atraído a atenção de diversos centros de pesquisas nos últimos vinte anos. As suas características como maiores eficiência e compactabilidade, simplicidade e manutenção facilitada, além da possibilidade de operar com taxa de compressão variável, justificam o esforço da comunidade científica em torno deste equipamento. Denomina-se por Moto-Geradores de Pistão Livre o conjunto motor de pistão livre e gerador elétrico linear, cuja aplicação em veículos automotivos híbridos ou como central de geração de energia elétrica é amplamente discutida. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo matemático e numérico de um Moto-Gerador de Pistão Livre com o qual é possível projetá-lo e otimizá-lo. Diferentemente dos modelos disponíveis na literatura, o modelo desenvolvido deve abranger o acoplamento existente entre o motor de pistão livre e o gerador elétrico de tal forma que as dimensões e os parâmetros do equipamento elétrico também sejam variáveis disponíveis ao usuário do modelo. Para que o objetivo seja atingido, um modelo do gerador elétrico linear de imãs permanentes é desenvolvido recorrendo-se a um método semi-analítico, denominado Método dos Subdomínios, para estimativa da distribuição do campo magnético no interior da máquina. Os resultados deste modelo foram validados e comparados com um modelo baseado no Método dos Elementos Finitos, e estes destacaram as vantagens da técnica escolhida, a saber: o baixo custo computacional e os baixos valores de erro em relação ao modelo de referência. Para representar os fenômenos termodinâmicos presentes no motor de pistão livre, um modelo termodinâmico adimensional é derivado a partir da Primeira Lei da Termodinâmica associada a simplificações inerentes à teoria dos gases ideais. O modelo desenvolvido foi validado por comparação com um modelo mais sofisticado, denominado Homogeneous Two-Zone Finite Release Cycle. O acoplamento entre os modelos eletromagnético e termodinâmico, delimitados ao gerador elétrico e ao motor, respectivamente, é feito através de um modelo dinâmico derivado a partir da Segunda Lei de Newton, com o qual o objetivo do trabalho é atingido. Para demonstrar a potencialidade do modelo obtido, uma série de análises paramétricas é realizada a fim de entender superficialmente as relações existentes entre as diversas variáveis que compõem o modelo. Por fim, com as lições aprendidas através das análises, um procedimento para o projeto de um Moto-Gerador Linear utilizando o modelo desenvolvido é proposto.
Abstract: Due to the constant restrictions, that regulate the level of pollutants emissions, on the market, the demand for more efficient alternatives for the conventional generators has increased, mainly those which energy source are fossil fuels. The Free-Piston Engine is one of those alternatives, as a concept that despite of the loss of popularity in the 60th of the last century, has attracted the attention of the research centers in recent years. It presents as advantages higher efficient, compactability, simplicity and easier maintainability, as well as the possibility of variable compression ratio. Those features justify the scientific effort made on this equipment. The assembly of a Free-Piston Engine and a Linear Electric Generator is denominated as Free-Piston Generator, which applicability in hybrid vehicles or as energy generator are widely referred. The objective of this work is to develop a mathematical and numerical model of a Free-Piston Generator for design and optimization purposes. Distinctly of the models available in the literature, the developed model must consider the relation between the Free-Piston Engine and the Linear Generator in a way that the dimensions and parameters of the electric element are also available for the final user. To achieve this goal, a model of a permanent magnetic electric generator is derived using a semi-analytical method, namely Subdomains Method, in order to estimate the magnetic field distribution in the interior of the machine. The results of the model were validated and compared with a Finite Element Method based model, and this comparison highlighted the advantages of the chosen method: the low-computational cost and small errors. To simulated the thermodynamic phenomena that are present in the Free-Piston Engine, a zero-dimensional model is derived from the First Law of Thermodynamics combined with inherent assumptions of the ideal gases theory. The derived model was validated by comparison with a more sophisticated model, namely Homogeneous Two-Zone Finite Release Cycle. The electromagnetic and thermodynamic models are associated with a third model, the dynamic model, derived from the Newton’s Second Law, in order to obtain the complete coupled model and meet the objetiv. To illustrate the capability of the obtained model, a set of parametric analysis are made and observations on the relation between the variables of the model are done. At the end, a procedure for design a Linear Free-Piston Generator using the proposed model is described.
Keywords: Motor de pistão livre
Free-piston engine
Moto-Gerador Linear
Free-piston generator
Modelo matemático
Mathematical model
Otimização
Optimization
Projeto
Design
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: RODRIGUES, Roger Victor. Estudo e desenvolvimento numérico do projeto de um gerador elétrico acionado por motor a pistão livre. 2019. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.48
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.48
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29373
Date of defense: 20-Feb-2020
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