Navegando por Autor "Bortolaia, Luis Antônio"

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Análise do impacto da distribuição de ar em ambientes isolados climatizados para pacientes com doenças transmissíveis pelo ar via simulação computacional.
(2022) Pimenta, João Vitor Fernandes de Paula; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Machado, Luiz; Pimenta, Fausto Aloísio Pedrosa; Leal, Elisângela Martins; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Atualmente, o principal método de transmissão de doenças pelo ar é o aerossol. Em ambientes hospitalares tem-se uma grande preocupação no controle desse tipo de disseminação, principalmente no que diz respeito às contaminações cruzadas. Para isso, os estabelecimentos de saúde normalmente possuem ambientes denominados de quartos para isolamento de pacientes com infecção transmitida pelo ar. Esse tipo de ambiente tem por objetivo isolar o ar contaminado interno em relação às áreas e ambientes adjacentes. Para tanto, é necessário manter o quarto em um diferencial de pressão negativo, ou seja, retirar um volume de ar maior do que será insuflado. Mas, uma forma de contaminação cruzada normalmente negligenciada em projetos dessa área é a que atinge o acompanhante e/ou os profissionais que mantém contato com esse paciente. O objetivo desse trabalho é analisar a distribuição de ar nesses ambientes de forma a mitigar essas possíveis transmissões. As análises do ambiente isolado, em diferentes configurações de posicionamento de bocais de ar, são realizadas via simulações computacionais em CFD (Computational Fluid Dynamics), buscando avaliar quais configurações são mais eficientes, considerando a influência das posições do insuflamento e exaustão na distribuição do ar. Dessa forma, o estudo das localizações das aberturas de insuflamento e exaustão permitem estabelecer um controle mais efetivo da disseminação das contaminações, definindo a melhor configuração de distribuição de ar. Com os resultados obtidos, nota-se que, a grelha posicionada atrás da cama, a uma distância de 20cm abaixo do eixo de ocupação, torna o sistema de exaustão mais eficiente nesses ambientes, melhorando assim a mitigação de possíveis contaminações cruzadas. Além disso, a temperatura no ambiente para essa opção de posicionamento de grelha se manteve em um intervalo aceitável para o conforto de 21oC a 24°C.
Análise exergoeconômica e ambiental do uso de um combustível derivado de resíduo sólido em um motor de combustão interna.
(2023) Prudente, Lucas Rhuan; Leal, Elisângela Martins; Santana, Cláudio Márcio; Leal, Elisângela Martins; Santana, Cláudio Márcio; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Ana Maura Araújo; Pujatti, Fabricio José Pacheco
O descarte inadequado de pneus é uma preocupação ambiental urgente devido à sua decomposição extremamente lenta, levando até 600 anos. Este estudo foca em soluções ecologicamente responsáveis para acelerar a degradação de pneus, concentrando-se na transformação desses resíduos em combustível para motores a diesel, usando a pirólise. São comparados três tipos de combustíveis: óleo diesel convencional, óleo pirolítico de pneus e óleo pirolítico de madeira (Eucalyptus urograndis). A avaliação abrange eficiência energética, eficiência exergética, viabilidade econômica e impactos ambientais. O objetivo é determinar a adequação desses combustíveis para motores de combustão interna, visando promover o desenvolvimento sustentável. O estudo emprega análises teóricas em regime permanente, usando o software Diesel RK para modelar a combustão com base em propriedades de combustíveis provenientes de uma revisão bibliográfica. Três cenários são considerados, variando a proporção de óleo pirolítico nas misturas: o primeiro envolve misturas de óleo pirolítico de pneu (OPP) e diesel, em proporções de 10% OPP e 90% diesel, e 20% OPP e 80% diesel; o segundo cenário considera misturas de óleo pirolítico de Eucalyptus urograndis (OPE) e diesel, nas proporções de 10% OPE e 90% diesel, e 20% OPE e 80% diesel; e, por fim, o terceiro cenário emprega exclusivamente óleo diesel. Os resultados obtidos revelam desempenhos energéticos semelhantes para todas as variantes estudadas, com um destaque para a OPP10 que se comportou de forma similar ao diesel. A análise exergética identifica as perdas associadas a cada tipo de combustível, juntamente com a eficiência termodinâmica da segunda lei. Independentemente do valor do fator λ considerado, a análise exergética corrobora a viabilidade de aplicação dos combustíveis avaliados. Por meio da análise econômica, verifica- se a viabilidade econômica da adoção de misturas de óleo diesel com OPP e OPE. No que tange à análise ambiental, destaca-se o potencial de aprimoramento e a incorporação de parâmetros sustentáveis nas misturas, especialmente quando se trata dos combustíveis derivados do OPE. Desta forma, este estudo propõe uma avaliação abrangente das opções de combustíveis provenientes de resíduos de pneus e madeira, em comparação com o diesel convencional, com foco na eficiência energética, exergética, viabilidade econômica e impacto ambiental. Os resultados obtidos fornecem percepções valiosas para a busca por alternativas mais sustentáveis no contexto dos motores de combustão interna de ignição por compressão.
Análise fluidodinâmica do perfil aerodinâmico NACA 0012 em baixas velocidades.
(2023) Lima, Augusto Henrique de Miranda; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Brito, Cristiano Henrique Gonçalves de; Leal, Elisângela Martins; Bortolaia, Luis Antônio
Os grandes avanços na indústria da fluidodinâmica estão correlacionados ao desenvolvimento dos setores aeroespacial e aeronáutico, o que torna as técnicas de CFD, atualmente, uma alternativa substitutiva ou complementar aos ensaios experimentais. Sendo assim, o presente trabalho visa estudar, numericamente, o escoamento do ar atmosférico em torno do perfil NACA 0012 (2D) sob baixas velocidades no ANSYS® Fluent. Dois modelos de turbulência foram empregados durante as simulações (Spalart-Allmaras e K-ε realizable) com o intuito de avaliar os coeficientes de sustentação e de arrasto; a eficiência aerodinâmica; e a esteira de turbulência sob o perfil. As soluções numéricas foram legitimadas através das pesquisas de Abbott et al. (1959) e Ladson et al. (1987), ambas realizadas em túneis de vento e com dados experimentais divulgados pela NASA. Os resultados obtidos foram considerados validados com algumas ressalvas. No que concerne aos coeficientes de sustentação, para ambos os modelos de turbulência, obteve-se uma solução muito satisfatória para ângulos de ataque menores do que 12o, apresentando uma margem de erro inferior à 5%. Já a máxima eficiência aerodinâmica extraída para o perfil, seja numericamente ou empiricamente falando, é obtida quando α = 9o sob o Re = 6x106 independentemente do modelo de turbulência utilizado. Contudo, no que tange aos coeficientes de arrasto, notou-se uma margem de erro em torno de 50% para toda a faixa de ângulo de ataque estudada, a saber, 0o < α < 12o – o que implica na utilização de uma malha mais refinada, em combinação com um melhor modelo de turbulência, para melhor a acurácia dos resultados numéricos. Por fim, constatou-se também que o modelo Spalart- Allmaras apresentou melhor coerência física nos resultados de distribuição de esteira turbulenta em detrimento ao modelo k- ε realizable – sendo este, por conseguinte, não indicado para trabalhar com fenômenos físicos sujeitos à gradiente de pressão adverso.
Análise numérica da performance de refrigerantes zeotrópicos e azeotrópicos em um sistema de refrigeração por compressão de vapor.
(2023) Nascimento, Leonardo Simões; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Carpio, Ricardo Carrasco; Leal, Elisângela Martins; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Refrigerantes com alto potencial de aquecimento global (GWP) tem sido amplamente utilizados em sistemas refrigeração e climatização. Contudo, eventos climáticos, como ondas de calor, tem se tornado frequentes ao redor do mundo. É estimado um acréscimo na temperatura do globo de mais de 2,0 oC até 2100. Em vista disso, o Acordo de Paris e o Protocolo de Montreal buscam substituir os refrigerantes com elevado GWP por outros com menor impacto ambiental. Nesse viés, este trabalho consiste em um estudo numérico da performance energética e exergética de refrigerantes zeotrópicos e azeotrópicos como substitutos do R134a em sistemas de refrigeração por compressão de vapor. O ciclo considera sub-resfriamento, superaquecimento, perdas de carga no evaporador, condensador, válvulas de sucção e descarga, linhas de sucção e descarga, e eficiência isentrópica, mecânica e elétrica do compressor. São simulados oito refrigerantes puros, e então, com base no desempenho destes, selecionados seis grupos de misturas ternárias com fração em peso alterada em 10%, 30% e 60%. A análise do drop-in é realizada avaliando o coeficiente de performance (COP), a capacidade de refrigeração volumétrica, a temperatura de descarga, a razão de pressão, a vazão mássica, a destruição de exergia e a eficiência exergética. Uma nova forma para calcular a inflamabilidade de refrigerantes é proposta por este trabalho, mostrando maior simetria comparado à norma ASHRAE. A mistura com melhor desempenho geral é a RBGC3 (R290/R1234yf/R1234ze(E) peso 60/30/10), que, embora tenha reduzido o COP em 1,5%, resultou em redução da vazão mássica (28,2%) e temperatura de descarga (5,4%), além de um aumento na capacidade de refrigeração volumétrica de 28,6%. O GWP reduziu cerca de 386 vezes quando comparado ao R134a.
Análise técnica de um sistema híbrido usando energia solar e biomassa para geração de eletricidade e dessalinização.
(2023) Teixeira, Edilberto dos Anjos; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Guedes, Luiz Carlos Vieira
Os desafios globais atuais relacionados à energia são diversos, abrangendo desde as mudanças climáticas causadas pelas atividades humanas até o crescimento constante da demanda por diversas formas de energia. Essas circunstâncias têm exigido que os planejadores de sistemas energéticos se concentrem em metodologias de planejamento de expansão e operação mais eficientes e sustentáveis do ponto de vista ambiental. A água é necessária em quase todas as atividades humanas e também para o equilíbrio do planeta em termos de biodiversidade. Este trabalho visa analisar, do ponto de vista técnico, um sistema híbrido com energia solar e queima de biomassa para geração de eletricidade e dessalinização. Para o desenvolvimento deste trabalho, é necessário conduzir uma revisão bibliográfica com o objetivo de modelar e propor o modelo de sistema híbrido mais adequado para a região nordeste do Brasil. Nesse sentido, é necessário identificar os centros urbanos que são potenciais produtores de resíduos sólidos urbanos ou áreas agroindustriais que produzem resíduos agrícolas. Os locais adequados para a implantação do sistema híbrido devem ter um bom potencial de insolação e estar próximos à costa para a captação de água do mar, ou possuir fontes de água salobra para a dessalinização. Uma vez que os locais de estudo tenham sido identificados, é possível modelar o sistema híbrido considerando seus principais parâmetros e componentes que afetam a eficiência térmica dos ciclos termodinâmicos analisados. Isso é feito por meio da determinação do poder calorífico inferior, com base na composição e quantidade de resíduos coletados. Após a modelagem dos ciclos e seus componentes, os resultados são obtidos usando equações e considerações relevantes. Os resultados do ciclo híbrido Rankine com CSP comparados com os resultados de um ciclo Rankine base mostraram que o consumo de combustível diminui em 16,46 t/h para a cidade de Natal – RN e 11,80 t/h para a cidade de Fortaleza – CE, considerando o horário de maior incidência solar. Isto representa uma economia de combustível de 14,46% para ambas as cidades. Na unidade de dessalinização MSF de único estágio, a partir da modelagem feita usando os coletores solares implementados no ciclo híbrido desse trabalho, obtive-se o retorno de 0,082 kg/s (295,2 l/h) de água dessalinizada, destacando os incrementos da temperatura. Representa uma eficiência do sistema da ordem de 10%.
Análise técnica e econômica do uso de dieselbiodiesel-etanol-hidrogênio como combustíveis em um motor de combustão interna
(2021) Silva, Wilian Nascimento; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Barros, José Eduardo Mautone; Santana, Cláudio Márcio; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Meios sustentáveis em todos os setores ganham cada vez mais destaque durante o passar dos anos, uma vez que a humanidade visa seu desenvolvimento. Porém, a degradação do meio ambiente exige ações e medidas controladas para a sua reconstrução. Embasado neste novo modelo de desenvolvimento, este trabalho tem como principal motivo demonstrar a viabilidade da substituição de combustíveis fósseis por combustíveis oriundos de fontes renováveis e suas misturas em um motor de combustão interna operando por injeção direta de combustível. A análise do uso destes combustíveis foi realizada de forma computacional pelo software Lotus Engine. A partir da análise computacional é realizada a avaliação energética, exergética e econômica, demonstrando com isto, o desempenho dos possíveis substitutos ao óleo diesel. O estudo é realizado em um motor Cummins IBS6.7 no qual os combustíveis são submetidos às simulações com diversos valores do fator  com o intuito de encontrar a melhor configuração de desempenho de cada combustível, uma vez que neste trabalho não éconsiderado qualquer alteração geométrica do motor. Os resultados mostram que as misturas contendo hidrogênio apresentam maiores valores de torque (+11,5%), potência (+14,35%), pressão média efetiva (+14,36%) e eficiências térmica (+3%) e exergética (+21,56%), menores consumos específicos (-35,72%) e custos de operação (variando de -10% a -1%). Por outro lado, apresentam maiores perdas exergéticas o que indica que há espaço para melhoria no equipamento. Os combustíveis contendo etanol apresentam valores intermediários entre as misturas e os combustíveis puros. Assim, a partir da realização de simulações em um software computacional, é mostrado através das análises energética, exergética e econômica a aplicabilidade técnica e econômica destes combustíveis em um motor de combustão interna.
Análise termoeconômica e ambiental da central termelétrica de uma usina siderúrgica integrada a coque simulando numericamente o uso do hidrogênio como combustível auxiliar.
(2021) Coura, Dimas Pereira; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Assis, Paulo Santos; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
A siderurgia apresenta fundamental importância no contexto energético do Brasil, sendo caracterizada como um dos grandes consumidores de eletricidade no país. Para ter competitividade no mercado global, uma indústria siderúrgica precisa apresentar um excelente plano estratégico. Este plano inclui um planejamento energético eficiente, buscando um melhor aproveitamento dos recursos, baixos impactos ambientais e custos operacionais. As centrais termelétricas em ciclo Rankine das usinas siderúrgicas integradas demonstram grande potencial econômico, uma vez que fazem uso dos próprios gases residuais do processo. O objetivo principal deste trabalho é analisar, do ponto de vista termoeconômico, a central termoelétrica de uma indústria siderúrgica, observando a influência da adição de hidrogênio juntamente com os gases do processo siderúrgico. A geração de hidrogênio é pela eletrólise da água, alimentada eletricamente por placas fotovoltaicas. A metodologia compreende o uso de um modelo computacional criado através do software Cycle Tempo versão 5.0. Para validação do modelo, os dados da central termoelétrica são usados, como parâmetro operacionais, variáveis do fluido de trabalho e a descrição dos equipamentos. Após, é realizada a introdução do hidrogênio como combustível auxiliar na caldeira, com avaliação do impacto dessa adição. A modelagem termoeconômica tem como finalidade obter um sistema de equações de custos que representa matematicamente o processo de formação de custos na planta. Em 39 simulações computacionais e 7 cenários de misturas de combustíveis possíveis e realizando a mistura com o gás de alto forno, o gás de coqueria e o gás de aciaria com hidrogênio além da uma análise termoeconômica. Os resultados apontam que até 30% de hidrogênio com o gás de alto forno é possível de se obter eficiência energética e exergética equivalente ao cenário zero, que mais representa a operação na central termoelétrica e ainda reduzir o custo com combustível.
Avaliação de transientes hidráulicos em dutos utilizados para transporte de rejeito de mineração – estudo de caso.
(2022) Alves, Maycon Silva; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Bortolaia, Luis Antônio; Santana, Cláudio Márcio; Teixeira, Eder Daniel
O transporte hidráulico de polpas minerais utilizando tubulações, conhecido como mineroduto ou rejeitoduto é um dos principais modais utilizados nos processos de beneficiamento de minérios de ferro. O entendimento dos fenômenos transientes relacionados a tais transportes são de grande importância para otimização de operações e projetos. O trabalho em questão apresenta um estudo de caso que utiliza um software comercial (AFT Impulse) para modelagem dos fenômenos transientes. Tal software utiliza o método das características para solução das equações diferenciais que são discretizadas em pontos específicos da malha, além disso, utiliza o fator de atrito proposto por Brunore para contabilizar as flutuações de velocidade. O modelo computacional é calibrado utilizando-se os dados de vazão, pressão, densidade, nível e rotação, medidos em campo, sendo considerada a condição de parada dos conjuntos motor/bombas para estudo das oscilações de pressão. O trabalho engloba 3 cenários operacionais distintos sendo determinado para cada um deles, as oscilações de pressão em três pontos da rota de tubulação, os valores de celeridade utilizando as teorias de Wood e Kao, Thorley e Liou e os fatores de atrito do primeiro pulso de pressão utilizando um método indireto de decremento logarítmico. Para os casos estudados, as teorias de Wood e Kao e Liou apresentam erros da mesma ordem de grandeza enquanto a teoria de Thorley destoa dos resultados operacionais com maiores erros atribuídos. Não se observa uma diferença significativa nas pressões do sistema em virtude da adoção dos fatores de atrito em regime permanente e transiente, além disso, apesar do método indireto e por similaridade utilizado na determinação dos fatores de atrito reais, os resultados apresentam-se coerentes com o esperado. As pressões transientes calculadas por sua vez, têm bastante discrepância em relação aos valores medidos especialmente na estação de bomba, onde os efeitos de fechamento de válvulas e variação de condições de contorno são mais evidentes. Para os demais pontos de medição considerados, os resultados calculados são aderentes aos medidos. Todas as análises levam a conclusão da possibilidade de aplicação do software para modelagem de sistemas com características similares, exceto quando a vazão de recalque está próxima à velocidade de sedimentação das partículas. Vale salientar a necessidade de correção da rigidez do tubo ao ser adotado revestimento na tubulação.
Avaliação técnica, econômica e ambiental de uma planta de captura e uso de carbono empregando os gases provenientes de um processo siderúrgico : estudo de caso com uma turbina a gás.
(2022) Ribeiro, Natália; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Guimarães, Luiz Gustavo Monteiro; Assis, Paulo Santos; Bortolaia, Luis Antônio
O presente trabalho visa a análise técnica, econômica e ambiental de uma planta de captura e uso de carbono dos gases de exaustão de um processo siderúrgico para sua conversão em hidrocarbonetos e álcoois de interesse. Nesse sentido, é utilizado inicialmente o fluxograma COFE do CAPE-OPEN para avaliar os parâmetros operacionais a fim de obter um ponto ótimo para a conversão do gás de síntese em metanol. Na primeira análise, são simuladas as seguintes taxas de conversão de carbono em metanol a partir do gás de síntese: 58%-23% CO-CO2; 64%- 17% CO-CO2 e 70%-11% CO-CO2. Na segunda análise, o número de estágios na coluna de destilação é variado de 20 a 60 estágios. Para essas condições, a conversão de 58% de monóxido de carbono e 23% de dióxido de carbono em metanol é a menos atrativa. Em relação a alteração do número de estágios da coluna de destilação, a de 20 estágios representa a melhor opção. Posteriormente, o software CEA é utilizado para avaliar o comportamento das frações molares do gás de síntese em um reator de deslocamento água-gás. A melhor faixa de parâmetros operacionais obtidos é de 200 a 250oC para temperatura e 4,5 MPa para pressão e relação H2/CO2 de 2,0. Em seguida, é realizado um estudo sobre a cinética e a influência do reator de leito fixo adiabático e do catalisador comercial Cu/ZnO/Al2O3 na síntese de Fischer Tropsch para a formação de metanol e etanol. Através desse, é observado que, para a conversão em metanol, quanto maior a razão H2/CO2 maior a formação desse produto e menor a fração de CO2. Já para a formação de etanol, percebe-se que as frações desse combustível e de CO2 diminuem com o aumento da razão H2/CO2. Por fim, é realizado um estudo de caso contendo as análises exergoeconômica e exergoambiental de uma turbina a gás tendo como combustível o metanol. A menor eficiência exergética obtida no ciclo é a do compressor (27,02%) enquanto a maior é da câmara de combustão (48,63%). Em relação ao fator exergoeconômico, o menor valor é apresentado pela câmara de combustão, o que representa uma menor possibilidade de reduzir as irreversibilidades no equipamento. A turbina é o componente que apresenta a maior taxa de impacto ambiental, enquanto a câmara de combustão é o equipamento que demonstra maior facilidade de redução desse tipo de impacto, uma vez que apresentou um valor de indicador superior aos demais. Dessa forma, os resultados mostram que é possível a partir do gás de síntese produzir combustíveis que podem ser aplicados em equipamentos como a turbina a gás e além disso promover alterações que visam aumentar a eficiência com vistas a sustentabilidade.
Desempenho térmico de galpões industriais equipados com lanternins.
(2019) Camargos, Bruno Henrique Lourenço; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Bortolaia, Luis Antônio; Tribess, Arlindo
Neste trabalho, faz-se uma análise do desempenho térmico via simulação computacional de galpões industriais dotados de fonte interna de calor de alta intensidade, visando-se aferir as condições internas de conforto higrotérmico. Estuda-se a influência de algumas configurações de sistemas de fechamento considerando-se ainda os efeitos da ventilação natural, em função da posição das aberturas e da presença de lanternins. Compara-se os resultados anuais finais com os limites do índice IBUTG previstos na norma regulamentadora NR-15, como forma de avaliar a exposição ocupacional ao calor. Os resultados mostram que o aumento da temperatura interna pode chegar a 1,8°C em se tratando do fechamento metálico do galpão industrial e de até 0,9°C ao se aplicar camadas de isolantes térmicos no fechamento. Sob o viés da ventilação natural, proporcionada pelas aberturas de entrada de ar e pela presença do lanternim, observa-se que devido a esse se tem uma diminuição de até 9,2°C da temperatura interna do galpão, provando que esse aparelho é indispensável em se tratando de edificações dotadas de fonte interna de calor, uma vez que a fonte interna tende a contribuir para a intensificação do efeito chaminé e acentuar a exaustão natural do ar interno através do lanternim. Verifica-se que os galpões com maiores áreas para saída de ar apresentam melhor desempenho térmico, diminuindo em até 5,1°C a temperatura interna. Nota-se que a vazão possui comportamento simétrico nas aberturas do lanternim longitudinal, ou seja, quando uma abertura está com a máxima vazão de saída do ar interno, a abertura oposta à direção predominante do vento está atuando como ponto de entrada para o ar externo. Já os lanternins transversais mostram-se mais sensíveis em relação à direção do vento, posto que estão posicionados perpendicularmente à edificação. À vista disso, o melhor resultado encontrado é para a situação do vento incidindo paralelamente ao galpão obtendo-se uma redução na temperatura interna de até 1°C, aumento na taxa de renovação de ar por hora, no ambiente interno, em até 1ren/h, e um acréscimo de cerca de 10% no volume de ar infiltrado. O total de horas de desconforto anual do galpão munido com a melhor configuração, ou seja, aqueles com maiores áreas de saída de ar (equipados com lanternim longitudinal e lanternins transversais) e fechamento utilizando materiais com menores valores de absortância, apresenta apenas 8,25% das horas do ano acima do limite para o IBUTG recomendado pela norma, demonstrando a eficácia das intervenções de construção sugeridas neste trabalho frente à maximização do desempenho térmico global desta edificação industrial.
Desempenho térmico de habitações considerando-se os efeitos da umidade na envoltória.
(2019) Araújo, Mariana Tonini de; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Cecília Gravina da
A tipologia de construção de uma edificação, os materiais de construção que a compõe, sua orientação e localização geográfica, sua função social e sua interação com o clima local são fatores que podem produzir impactos negativos no consumo energético para o condicionamento da habitação, o qual visa oferecer conforto térmico aos ocupantes. Por meio de um projeto estrutural adequado e da utilização de tipos de fechamento que apresentem bom desempenho térmico em relação ao clima local é possível uma melhor eficiência global da edificação. Diversas variáveis estão envolvidas nos processos de troca de calor e de massa entre o meio externo e o ambiente interno, influenciando a resposta adequada da edificação, tais como: parâmetros climáticos e ambientais, número de ocupantes e atividades realizadas por estes, características termofísicas dos fechamentos e demais materiais de construção, dentre outros. Devido ao grande número de variáveis existentes nos processos térmicos a simulação computacional é o método mais adequado a ser utilizado, sendo o programa EnergyPlus indicado pela NBR 15.575 para realização de simulações energéticas. Em muitas análises de eficiência energética no entanto, o cálculo da condução de calor através da envoltória da edificação não considera o transporte e armazenamento de umidade pelos materiais de construção que a compõe, o que pode levar a erros na obtenção da temperatura e umidade relativa internos. Dessa forma, neste trabalho avalia-se os efeitos da umidade na envoltória de uma edificação, por meio da simulação computacional no EnergyPlus de uma habitação residencial unifamiliar térrea, em alvenaria de tijolos cerâmicos e concreto maciço, comparando-se os modelos higrotérmicos Effective Moisture Penetration Depth Model (EMPD) e Combined Heat and Moisture Transfer Model (HAMT) ao modelo Conduction Transfer Function Model (CTF), o qual não considera efeitos de umidade na envoltória. Verifica-se uma maior umidade relativa do ar e razão de umidade da zona térmica analisada quando se utiliza o modelo HAMT na simulação numérica dos dois fechamentos, e uma redução dos valores de temperatura interna do ambiente. Em termos quantitativos, comparando-se os modelos HAMT e EMPD com o modelo CTF, a demanda energética anual de resfriamento pode apresentar uma redução de 28% com o modelo EMPD na alvenaria e um aumento de 5% com o HAMT no concreto maciço. Para a demanda energética anual de aquecimento, a qual possui valores irrisórios em relação ao resfriamento, o modelo EMPD pode apresentar uma redução de 57% para o concreto maciço e o modelo HAMT chega a aumentar seu consumo anual em 68% na alvenaria, em relação ao modelo CTF.
Desenvolvimento de um sistema de controle para a injeção de gás de eletrólise em um motogerador a diesel utilizado na mineração.
(2019) Reis, Gemírson de Paula dos; Leal, Elisângela Martins; Rêgo Segundo, Alan Kardek; Fernandes, Eunírio Zanetti; Leal, Elisângela Martins; Rêgo Segundo, Alan Kardek; Fernandes, Eunírio Zanetti; Bortolaia, Luis Antônio; Silva Junior, Sávio Augusto Lopes da; Pinto, Paulo Raimundo
Este trabalho visa desenvolver um sistema de controle de injeção de hidrogênio na câmara de combustão de um motor a diesel, analisar teoricamente o processo de combustão e as emissões de gases poluentes. O óleo diesel é o combustível principal e o hidrogênio é o combustível secundário (aditivo). O hidrogênio é produzido no processo de eletrólise da água e é direcionado para o duto de admissão do motor em produção descentralizada, ou seja, sem que haja o armazenamento do gás. O projeto experimental do sistema de controle consiste em desenvolver um controlador Proporcional-Integral (PI) para a vazão volumétrica de gás de eletrólise em função da corrente elétrica aplicada ao sistema. A análise teórica das emissões do motor e do processo de combustão foi realizada por meio dos softwares NASA CEA e Lotus Engine, respectivamente. Na análise teórica com o software NASA CEA, as emissões de dois combustíveis (Jet-A e óleo diesel) misturados com hidrogênio são comparadas. Já na análise com o software Lotus Engine, o rendimento do motor foi simulado utilizando-se o combustível óleo diesel. Os resultados experimentais mostram que é possível utilizar o sensor de vazão de ar F1012, que possui baixo custo, para medição do gás de eletrólise e para o desenvolvimento de um controlador PI. Os resultados teóricos do NASA CEA indicam que o gás de eletrólise pode ser adicionado na mistura com os combustíveis Jet-A e óleo diesel a fim de promover x menores emissões de CO e CO2 no motor. Na parametrização com o Lotus Engine, tem-se melhor rendimento do motor com alteração de 10º no ângulo de fechamento de válvula de admissão.
Desenvolvimento de um sistema de monitoramento aplicado a um motogerador a diesel com injeção de gás de eletrólise visando redução de consumo de combustível.
(2018) Figueiredo, Robson Lage; Leal, Elisângela Martins; Rêgo Segundo, Alan Kardek; Zanetti, Eunírio; Leal, Elisângela Martins; Rêgo Segundo, Alan Kardek; Zanetti, Eunírio Fernandes; Bortolaia, Luis Antônio; Pinto, Paulo Raimundo
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de monitoramento aplicado a um motogerador a diesel com a injeção de gás proveniente do processo de eletrólise, visando a redução do consumo de óleo diesel no motor. O óleo diesel é o combustível principal e o hidrogênio é o combustível secundário (aditivo), injetado juntamente ao ar de admissão. Este estudo é de caráter experimental e consiste, inicialmente, em caracterizar um dispositivo gerador de hidrogênio por meio da avaliação da vazão volumétrica de gás produzido em função da corrente elétrica, da concentração de eletrólito e da temperatura do sistema. Após a caracterização, o gás produzido rico em hidrogênio é utilizado em um motogerador. Foram adotados como parâmetros de estudo o tempo de funcionamento do motor com aplicação de cargas resistivas. Uma interface foi criada utilizando um display LCD 20x4, que apresenta as variáveis do sistema ao usuário. O sistema de monitoramento da célula, do motor e do gerador foi desenvolvido utilizando as plataformas Arduino, Platform IO e Visual Studio. Desta forma, o sistema proposto permite monitorar as variáveis da célula eletrolítica (temperatura, corrente e tensão), do motor (consumo e rotação) e do gerador (potência, corrente e tensão). Os principais resultados encontrados comprovaram a redução entre 2,5% e 5,1% no consumo do combustível principal devido a injeção de hidrogênio no óleo diesel.
Estudo técnico-econômico da implementação de sistemas de aquecimento em biodigestores anaeróbicos de modelo indiano.
(2023) Lopes, Felipe Fernandes; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Valdieiro, Antônio Carlos; Leal, Elisângela Martins
A conversão de resíduos orgânicos em biogás pelo processo de digestão anaeróbia gera bene- fícios ambientais ao reduzir as emissões de metano e econômicos pelo aproveitamento do gás produzido. Em pequenas propriedades rurais esta conversão pode ser realizada por biodiges- tores anaeróbios de baixo custo, como os de modelo indiano, processando dejetos de animais. Conforme sustentado pela bibliografia, melhores eficiências de conversão podem ser obtidas ao se estabelecer condições ótimas de temperatura para a atividade das bactérias metanogêni- cas. Diferentes metodologias podem ser aplicadas para o aquecimento do substrato orgânico nos biodigestores, neste trabalho são avaliados parâmetros técnicos e econômicos da proposta de implementação de dois sistemas de aquecimento em um biodigestor anaeróbio de modelo indiano tomado como base para o estudo de caso. São coletados dados experimentais de pro- dução volumétrica de biogás, composição química e séries temporais de temperaturas internas e externas. A partir dos dados experimentais é verificada a correlação entre as temperaturas internas e externas e a produção de biogás associada, sendo obtidas correlações positivas mo- deradas entre a temperatura do solo e as temperaturas interna e do ar ambiente. As correlações envolvendo a produção de biogás são positivas fracas. Os dados experimentais de temperatura são utilizados para determinar o aporte térmico necessário para manutenção da temperatura ótima no substrato. Para fornecer o aporte térmico requerido são propostos dois sistemas de aquecimento, um baseado no aproveitamento da energia solar por meio de coletores solares de tubos evacuados ou placas planas e outro baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape de um conjunto motogerador alimentado com biogás. Os sistemas baseados em coletores solares incluem reservatórios térmicos equipados com apoios elétricos para manutenção da temperatura em períodos de insuficiência de energia solar coletada. São realizadas simulações da operação do sistema de aquecimento solar para determinar o consumo de energia elétrica associado à ativação do apoio elétrico. Para o cálculo dos parâmetros econômicos, a produção adicional de biogás obtida pelo aquecimento é estimada a partir dos resultados da bibliografia e a receita associada é estimada pela equivalência energética do biogás produzido para com o gás liquefeito de petróleo. Os cálculos econômicos indicam inviabilidade do sistema de aquecimento baseado nos coletores solares. O sistema de aquecimento baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape do conjunto motogerador apresenta viabilidade financeira, mas é considerado tecnicamente inviável devido a insuficiência de produção volumétrica de biogás para abastecimento do conjunto, conforme especificações do fabricante e dados experimentais obtidos. A instalação de coletores solares adicionais viabiliza a implementação do sistema de aquecimento solar. Entretanto, a construção de uma unidade duplicata do biodigestor objeto do estudo de caso apresenta resultado financeiro 146% maior e período para retorno do investimento 65% menor, sendo portanto a solução recomendada para otimização da produção de biogás.
Modelling and simulation of cross flow grain dryers.
(2013) Khatchatourian, Oleg A.; Vielmo, Horácio Antonio; Bortolaia, Luis Antônio
A mathematical model, algorithm, and computer program were developed to simulate the performance of cross flow grain dryers and cross flow dryers with energy saving. The mass and heat transfer processes were described by a system of four non-linear partial differential equations. This system of equations was solved by the MacCormack method with time splitting. The Neumann method was used to determine convergence. The sourceterms in these equations were computed by auxiliary semi-empirical equations obtained by experimental data from thin layer drying. Equipment developed to obtain these data permitted variation of the initial air humidity, temperature, and velocity. Fixed bed drying experiments were conducted to validate the model. Simulations using various control regimens were made to determine the impact on energy consumption and cross flow dryer performance due to recycling air exhausted from various stages of the dryer. An iterative process was used to determine the initial conditions at the entrance to each section of the dryer. The computer simulations were used to evaluate the non-uniformity of temperature and grain moisture content distributions in dryers, the duration of the drying process and the energy efficiency for each geometry and control regimen.
Modelo de simulação e análise termodinâmica e econômica de microturbinas a gás em operação com biogás e gás natural e acionamento fotovoltaico do compressor.
(2021) Trindade, Gustavo Sana; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Machado, Luiz; Leal, Elisângela Martins; Murta, Jorge Luiz Brescia
O crescente aumento da demanda por eletricidade no Brasil e no mundo aliado à preocupação ambiental devido à emissão de poluentes está motivando a investigação e desenvolvimento de fontes sustentáveis de energia e a interação entre elas. Nesse contexto, a geração de energia elétrica por meio do aproveitamento da energia oriunda do Sol e de resíduos sólidos urbanos pode ser uma opção efetiva para diversificação da matriz energética brasileira. Portanto, no intuito de ratificar essa tendência, o foco deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo de simulação termodinâmico para análise de microturbinas a gás de 30 kWe, 65 kWe e 200 kWe sob operação com biogás ou gás natural e acionamento fotovoltaico do compressor. Em termos metodológicos, o software Engineering Equation Solver foi utilizado como ferramenta de cálculo para resolução do modelo termodinâmico em regime permanente elaborado para a construção de tabelas paramétricas e gráficos que permitem avaliar o desempenho das máquinas térmicas convencional e híbrida em cidades escolhidas como representantes para as 5 regiões brasileiras. O software Radiasol 2 foi utilizado para aquisição dos dados de insolação ao longo do ano. As microturbinas híbridas apresentam menor consumo específico de combustível, visto que não há necessidade de descontar a potência produzida na turbina para acionar o compressor quando a eletricidade produzida pelos painéis fotovoltaicos é suficiente. Além disso, uma análise econômica é proposta para avaliar a viabilidade econômica dos projetos. Os resultados termodinâmicos mostraram que o consumo específico de combustível para microturbinas híbridas é sempre menor que metade do determinado para microturbinas convencionais. Os resultados econômicos mostraram que a hibridização de microturbinas a gás com energia fotovoltaica é sempre vantajosa para os parâmetros de entrada considerados, mesmo na região sul, onde a radiação solar é menos intensa e a energia adquirida pelas concessionárias é mais barata. Tempos de retorno do investimento são menores que o tempo de vida útil dos equipamentos, receitas positivas são encontradas e o valor da eletricidade gerada pelos meios propostos em muitos casos é menor que o pago atualmente para as concessionárias. Em Belém (PA), por exemplo, tempos de retorno do investimento menores que seis anos e receitas financeiras para 25 anos da ordem de dezenas de milhões de reais são encontrados.
Study of the electricity consumption reduction of a compressed air system : the case of a steelmaking company.
(2017) Silva, Washington Luís Vieira da; Souza, Leonardo Carvalho Oliveira de; Bortolaia, Luis Antônio; Paula, Milton Realino de; Leal, Elisângela Martins
This work aims to reduce the energy consumption and thus increase the availability of blast furnace compressors of a steelmaking company, located in Alto Paraopeba region in Minas Gerais state, Brazil, through the elimination of waste points in the compressed air distribution. In order to develop this work, an ultrasound test in the compressed air line was performed to identify and quantify leaks in the flow. Once the leaks were identified, they were eliminated through corrective maintenance and improvements, and then the energy consumption scenarios before and after the improvements were compared. As a result, the average monthly electricity consumption in the reporting period decreased by 57.2%. In addition, one compressor was set aside in stand-by condition, as in the original plant. Thus, one can prove the efficiency in eliminating of waste points in compressed air distribution, since the reduction of energy consumption is important for the company to remain competitive, as the cost of electric energy affects the final price of the final products.
Study of the project parameters influence in the performance of solar collectors.
(2019) Mapa, Lidianne de Paula Pinto; Mendes, Bárbara de Morais; Bortolaia, Luis Antônio; Leal, Elisângela Martins
This paper aims to observe the influence of design parameters on the performance of plane solar collectors. From the energy balance of the plane solar collector, the mathematical model was implemented varying the following design parameters: (i) Thickness of the absorber plate; (ii) Distance between the absorber and the cover; (iii) Edge insulation thickness; (iv) Absorber emittance; (v) Conductivity of the absorber; (vi) Convective heat transfer coefficient inside the tubes; (vii) Distance between tubes; (viii) Wind velocity; (ix) Solar radiation incident; and (x) Back insulation thickness. These parameters were altered observing the influence on the optical efficiency; the coefficient of energy loss; the instantaneous efficiency; and the useful energy gain. From the results, it is possible to see that the parameters that most influence the performance of the solar collector are the distance between the absorber and the cover, the absorber emittance, the thermal conductivity of the absorber, the distance between tubes, wind speed and solar radiation incident.
Technical analysis of a hybrid solid oxide fuel cell/gas turbine cycle.
(2019) Leal, Elisângela Martins; Bortolaia, Luis Antônio; Leal Júnior, Amauri Menezes
The relatively high operating temperature of the solid oxide fuel cell allows for a highly efficient conversion to power, internal reforming, and high-quality by-product heat for cogeneration or a bottoming cycle. Besides, high-temperature fuel cells offer a good opportunity for coupling to a gas turbine. Fuel cell systems have demonstrated minimal air pollutant emissions and low greenhouse gas emissions. This paper focuses on the investigation and technical analysis of a direct internal reforming solid oxide fuel cell (DIR-SOFC) and a gas turbine (GT) system. The technical analysis comprises of an energy and exergy analysis of the hybrid cycle, using the Gibbs function minimization technique for the methane steam reforming process. The assessment is performed to determine the influence of the hybrid cycle operating temperature and pressure, steam-to-carbon ratio and fuel and oxidant usage in the fuel cell. Equilibrium calculations are made to find the ranges of inlet steam-to-carbon ratio and the operating current density of the fuel cell. After that, a hybrid system consists of a DIR-SOFC and a GT is evaluated using computer simulation. The results showed that the fuel cell is the main power producer system at the design point. The high-energy efficiency (around 62%) and exergy efficiency (around 58%) are achieved by the hybrid cycle compared to fuel cell efficiency (about 40%) and the GT (around 38%). The power ratio (SOFC/GT) found was 1.50. An analysis varying the fuel cell current density and the GT pressure ratio was performed showing that the fuel cell power production decreases about 7% with increasing current density when the GT becomes the main power-producing equipment. However, the system energy efficiency decreases with the reduction of power produced by the fuel cell.