Investigation of the process energy demand in polymer extrusion: a brief review and an experimental study

Extrusion is one of the fundamental production methods in the polymer processing industry and is used in the production of a large number of commodities in a diverse industrial sector. Being an energy intensive production method, process energy efficiency is one of the major concerns and the selection of the most energy efficient processing conditions is a key to reducing operating costs. Usually, extruders consume energy through the drive motor, barrel heaters, cooling fans, cooling water pumps, gear pumps, etc. Typically the drive motor is the largest energy consuming device in an extruder while barrel/die heaters are responsible for the second largest energy demand. This study is focused on investigating the total energy demand of an extrusion plant under various processing conditions while identifying ways to optimise the energy efficiency. Initially, a review was carried out on the monitoring and modelling of the energy consumption in polymer extrusion. Also, the power factor, energy demand and losses of a typical extrusion plant were discussed in detail. The mass throughput, total energy consumption and power factor of an extruder were experimentally observed over different processing conditions and the total extruder energy demand was modelled empirically and also using a commercially available extrusion simulation software. The experimental results show that extruder energy demand is heavily coupled between the machine, material and process parameters. The total power predicted by the simulation software exhibits a lagging offset compared with the experimental measurements. Empirical models are in good agreement with the experimental measurements and hence these can be used in studying process energy behaviour in detail and to identify ways to optimise the process energy efficiency.

A floating point CORDIC based SVD processor

An SVD processor system is presented in which each processing element is implemented using a simple CORDIC unit. The internal recursive loop within the CORDIC module is exploited, with pipelining being used to multiplex the two independent micro-rotations onto a single CORDIC processor. This leads to a high performance and efficient hardware architecture. In addition, a novel method for scale factor correction is presented which only need be applied once at the end of the computation. This also reduces the computation time. The net result is an SVD architecture based on a conventional CORDIC approach, which combines high performance with high silicon area efficiency.

Controlo clássico vs. preditivo na regulação de frequência em sistemas de potência

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Avaliação do potencial eólico para geração de energia eléctrica

Trabalho Final de Mestrado para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica /Energia

Retificador monofásico com fator de potência quase unitário

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Compensação da energia reactiva com minimização de perturbações sobre a rede eléctrica

Trabalho Final de Mestrado para a obtenção de grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

Modélisation statistique de l’érosion de cavitation d’une turbine hydraulique selon les paramètres d’opération

Dans une turbine hydraulique, la rotation des aubes dans l’eau crée une zone de basse pression, amenant l’eau à passer de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène de changement de phase est appelé cavitation et est similaire à l’ébullition. Lorsque les cavités de vapeur formées implosent près des parois, il en résulte une érosion sévère des matériaux, accélérant de façon importante la dégradation de la turbine. Un système de détection de l’érosion de cavitation à l’aide de mesures vibratoires, employable sur les turbines en opération, a donc été installé sur quatre groupes turbine-alternateur d’une centrale et permet d’estimer précisément le taux d’érosion en kg/ 10 000 h. Le présent projet vise à répondre à deux objectifs principaux. Premièrement, étudier le comportement de la cavitation sur un groupe turbine-alternateur cible et construire un modèle statistique, dans le but de prédire la variable cavitation en fonction des variables opératoires (tels l’ouverture de vannage, le débit, les niveaux amont et aval, etc.). Deuxièmement, élaborer une méthodologie permettant la reproductibilité de l’étude à d’autres sites. Une étude rétrospective sera effectuée et on se concentrera sur les données disponibles depuis la mise à jour du système en 2010. Des résultats préliminaires ont mis en évidence l’hétérogénéité du comportement de cavitation ainsi que des changements entre la relation entre la cavitation et diverses variables opératoires. Nous nous proposons de développer un modèle probabiliste adapté, en utilisant notamment le regroupement hiérarchique et des modèles de régression linéaire multiple.

Co3M2S2 (M ¼ Sn, In) shandites as tellurium-free thermoelectrics

Chemical substitution in Co3Sn2-xInxS2 (0 # x # 2) enables tuning of the Fermi level within narrow bands of Co d-states. This results in a compositionally induced double metal–semiconductor–metal transition and manipulation of the thermoelectric power factor. The maximum power factor (14 mW cm-1 K-2) is found for x ¼ 0.85, which corresponds to ZT z 0.2 at 300 K.

Synthesis, structural characterisation and thermoelectric properties of Bi1−xPbxOCuSe

The effect of Pb2+ doping on the structure and thermoelectric properties of BiOCuSe (also known as BiCuSeO or BiCuOSe) is described. With increasing Pb2+ content, the expansion of the unit cell results in a weakening of the bonding between the [Bi2(1-x) Pb2xO2]2(1-x)+ and the [Cu2Se2]2(1-x)- layers. The electrical resistivity and Seebeck coefficient decrease in a systematic way with growing Pb2+ levels. The thermal conductivity rises due to the increase of the electronic contribution with doping. The power factor of materials with a 4-5% Pb2+ content takes values of ca. 8 W cm-1 K-2 over a wide temperature range. ZT at 673 K is enhanced by ca. 50% when compared to values found for other dopants, such as Sr2+ or Mg2+.

Low-Frequency Noise in Field-Effect Devices Functionalized With Dendrimer/Carbon-Nanotube Multilayers

Low-frequency noise in an electrolyte-insulator- semiconductor (EIS) structure functionalized with multilayers of polyamidoamine (PAMAM) dendrimer and single-walled carbon nanotubes (SWNT) is studied. The noise spectral density exhibits 1/f(gamma) dependence with the power factor of gamma approximate to 0.8 and gamma = 0.8-1.8 for the bare and functionalized EIS sensor, respectively. The gate-voltage noise spectral density is practically independent of the pH value of the solution and increases with increasing gate voltage or gate-leakage current. It has been revealed that functionalization of an EIS structure with a PAMAM/SWNTs multilayer leads to an essential reduction of the 1/f noise. To interpret the noise behavior in bare and functionalized EIS devices, a gate-current noise model for capacitive EIS structures based on an equivalent flatband-voltage fluctuation concept has been developed.

Técnicas de simplificação de redes e otimização multiobjetivo para análise de variações de tensão em regime permanente provocadas por parques eólicos integrados ao sistema elétrico

This study presents a description of the development model of a representation of simplified grid applied in hybrid load flow for calculation of the voltage variations in a steady-state caused by the wind farm on power system. Also, it proposes an optimal load-flow able to control power factor on connection bar and to minimize the loss. The analysis process on system, led by the wind producer, it has as base given technician supplied by the grid. So, the propose model to the simplification of the grid that allows the necessity of some knowledge only about the data referring the internal network, that is, the part of the network that interests in the analysis. In this way, it is intended to supply forms for the auxiliary in the systematization of the relations between the sector agents. The model for simplified network proposed identifies the internal network, external network and the buses of boulders from a study of vulnerability of the network, attributing them floating liquid powers attributing slack models. It was opted to apply the presented model in Newton-Raphson and a hybrid load flow, composed by The Gauss-Seidel method Zbarra and Summation Power. Finally, presents the results obtained to a developed computational environment of SCILAB and FORTRAN, with their respective analysis and conclusion, comparing them with the ANAREDE

Controle Adaptativo Robusto para Filtros Ativos de Potência Paralelo

Conventional control strategies used in shunt active power filters (SAPF) employs real-time instantaneous harmonic detection schemes which is usually implements with digital filters. This increase the number of current sensors on the filter structure which results in high costs. Furthermore, these detection schemes introduce time delays which can deteriorate the harmonic compensation performance. Differently from the conventional control schemes, this paper proposes a non-standard control strategy which indirectly regulates the phase currents of the power mains. The reference currents of system are generated by the dc-link voltage controller and is based on the active power balance of SAPF system. The reference currents are aligned to the phase angle of the power mains voltage vector which is obtained by using a dq phase locked loop (PLL) system. The current control strategy is implemented by an adaptive pole placement control strategy integrated to a variable structure control scheme (VS-APPC). In the VS-APPC, the internal model principle (IMP) of reference currents is used for achieving the zero steady state tracking error of the power system currents. This forces the phase current of the system mains to be sinusoidal with low harmonics content. Moreover, the current controllers are implemented on the stationary reference frame to avoid transformations to the mains voltage vector reference coordinates. This proposed current control strategy enhance the performance of SAPF with fast transient response and robustness to parametric uncertainties. Experimental results are showing for determining the effectiveness of SAPF proposed control system