PROPEM - Mestrado (Dissertações)

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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.
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.
Simulação do efeito do campo magnético no escoamento de metal líquido em leito poroso.
(2021) Silva, Marcos Rafael da; Rodrigues, Eliana Ferreira; Souza, Henor Artur de; Rodrigues, Eliana Ferreira; Souza, Henor Artur de; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Medeiros, Eduardo Bauzer
O efeito da introdução de um campo eletromagnético sobre um processo de solidificação de metal líquido é considerado. O objetivo é controlar o escoamento de fluido de metal líquido em um leito poroso. Na verdade, durante a solidificação de uma liga, o escoamento de fluido que se desenvolve na fronteira líquido-sólido tende a aumentar a macrossegregação, um efeito que é prejudicial à qualidade dos produtos acabados. A interação do campo eletromagnético com o processo de metal líquido parece ser um recurso promissor para modificar os campos de velocidade existentes, pois as forças eletromagnéticas induzidas proporcionam um efeito de desaceleração no escoamento do fluido. A presente análise é baseada em um modelo de simulação considerando o escoamento de estanho líquido através de um leito poroso. O estanho foi escolhido para possibilitar a comparação da presente simulação com resultados experimentais de outras fontes. O campo eletromagnético estático é imposto transversalmente ao escoamento que corre em um leito poroso de cobre ou alumina. Os resultados obtidos com o uso de uma simulação ANSYS-CFX® mostram que a imposição do campo magnético resulta em forças através do leito poroso que, por sua vez, produzem o efeito combinado de (aumento) queda de pressão e redução da velocidade superficial do metal líquido. Os resultados são caracterizados por meio dos números de Reynolds e de Hartmann, este último relacionado à razão entre as forças de Lorentz e as forças viscosas. É importante mencionar que o controle eletromagnético também tem efeito sobre o número de Reynolds, pois modifica o escoamento. Este efeito é mais perceptível quando as forças viscosas predominam sobre as forças inerciais, ou seja, para valores de Reynolds resultantes menores. Além disso, a introdução do campo magnético reduz consideravelmente os valores da energia cinética turbulenta e a taxa de dissipação da energia cinética turbulenta no leito poroso. Por ser o cobre um material condutor, os efeitos descritos são mais pronunciados para o leito poroso de cobre quando comparados com as simulações realizadas para o leito de alumina, este último um material isolante. Os resultados finais indicam que pode ser alcançada uma redução de 26% da velocidade superficial para o leito de cobre e 10% para o leito de alumina. Finalmente, deve-se mencionar que os resultados simulados forneceram boa concordância com os resultados experimentais, com um desvio inferior a 2%.
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.
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.
Efeito de tratamentos térmicos de têmpera após austenitização intercrítica sobre as transformações de fases, resistência mecânica por tração, dureza e desempenho em corrosão de um aço para aplicação na indústria de óleo e gás.
(2022) Lima, Verônica Stela da Silva; Faria, Geraldo Lúcio de; Faria, Geraldo Lúcio de; Lima, Margarida Márcia Fernandes; Sicupira, Dalila Chaves; Corrêa, Elaine Carballo Siqueira
As necessidades de extração e condução de óleo e gás em condições cada vez mais agressivas vêm exigindo que tubos de aço sem costura estejam em constante processo evolutivo, no que diz respeito à relação microestrutura-propriedades. No entanto, com a simplificação das adições de elementos de liga nos aços, há a necessidade de se aprimorar os processos de fabricação, principalmente às linhas de tratamentos térmicos. Atualmente algumas composições químicas de aços possibilitam que, quando temperados e revenidos, propriedades mecânicas que o classifiquem como da classe API 5CT K55 sejam alcançadas. A martensita revenida pode conferir a essa classe de aços uma boa relação entre resistência mecânica e tenacidade. Entretanto, diversos estudos voltados a aços de alta resistência para aplicação automotiva, têm mostrado que microestruturas bifásicas, constituídas por ferrita e martensita, podem proporcionar igual, ou melhor relação, sendo a martensita a principal responsável por conferir resistência mecânica e a ferrita, ductilidade. Caso esse conceito seja adaptado com sucesso para o cenário de linhas industriais de fabricação de tubos de aço sem costura, por meio da aplicação de tratamentos térmicos de têmpera com austenitização intercrítica, o impacto sobre o custo e tempo de produção poderiam diminuir significativamente. Nesse contexto, o presente projeto se propõe a avaliar o efeito de tratamentos térmicos de têmpera com austenitização intercrítica sobre as transformações de fases, evolução microestrutural, propriedades mecânicas e desempenho em corrosão de um aço para aplicação na indústria de óleo e gás visando atender requisitos da norma API 5CT grau K55. As temperaturas críticas de austenitização fora do equilíbrio estão entre 750°C e 820°C, sendo a máxima fração possível de ferrita primária não transformada (aproximadamente 34%) obtida na austenitização a 750°C. A fração de martensita e, consequentemente a microdureza Vickers do material é diretamente proporcional ao aumento da temperatura de austenitização intercrítica. O efeito autocatalítico no início da transformação é mais atuante quanto maior a temperatura de austenitização intercrítica. De acordo com os ensaios de tração, a aplicação de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento após austenitização intercrítica possuem bom potencial para o desenvolvimento de tubos de aço do grau K55 com boa relação entre resistência mecânica e ductilidade. Entretanto, deve-se destacar que, para o aço estudado, a utilização de tratamentos térmicos de têmpera após austenitização intercrítica, sem revenimento, configura uma condição insegura para aplicação. Os ensaios de corrosão mostraram que a martensita revenida piorou o desempenho em corrosão.
Influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas de um aço ER-70S6 depositado via Manufatura Aditiva por deposição a arco (MADA).
(2022) Neves, José Augusto Pedrosa Baeta; Pereira, Igor Cezar; Porcaro, Rodrigo Rangel; Pereira, Igor Cezar; Porcaro, Rodrigo Rangel; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Ziberov, Maksym; Teles, Vinícius Carvalho
A manufatura aditiva está inserida nas tendências tecnológicas da indústria 4.0. Sua importância e os estudos sobre o tema têm crescido significativamente. Assim, neste trabalho, foi investigado alguns fenômenos e, influências destes, durante a deposição de um aço de baixo carbono por meio do processo de manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) na modalidade MIG/MAG. As variáveis do processo são arames de diâmetros distintos (0,80 mm e 1,20 mm), com e sem um sistema de refrigeração forçada para troca de calor que utiliza água, sendo a trajetória de deposição controlada por um centro de usinagem vertical. Durante a MADA com auxílio de termopar do tipo S obteve-se gráficos com o comportamento da temperatura durante os ensaios. A partir das paredes depositadas o trabalho avaliou e comparou as estruturas obtidas através de macroestrutura e de microestrutura. As propriedades mecânicas foram obtidas no ensaio de tração e de microdureza vickers em função das variáveis de entrada citadas anteriormente. É possível observar que o uso da técnica de gerenciamento térmico induz menores temperaturas máximas e taxas de resfriamento maiores. Já na macro e micrografia nota-se distinção clara entre regiões brutas do processo MADA (grãos colunares) que se intercalam com regiões reaustenitizadas pelo passe subsequente, o uso do resfriamento forçado evidencia ainda mais tal distinção e maior presença de grãos colunares. De maneira geral há também concentração de descontinuidades na região do topo da parede depositada e aumento de dureza ao se comparar com o restante da amostra.
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.
Realização de subestruturação nos domínios modal e espectral e estudo para estimação de FRF direta de ponta de ferramenta de usinagem.
(2022) Almeida, Ubiratã Sad; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Medeiros, Eduardo Bauzer; Neves, Francisco de Assis das; Pereira, Igor Cezar
Acabamento insatisfatório da peça usinada e baixa durabilidade de ferramentas são exemplos de problemas enfrentados no processo de usinagem. Um dos principais motivos causadores desses problemas diz respeito ao fenômeno de vibração auto-excitada conhecido como chatter. Ocorre quando a superfície ondulada deixada pelo passe anterior da ferramenta excita a própria ferramenta. Usualmente, a Função de Resposta em Frequência (FRF) de ponta de fresa de topo é obtida através de um ensaio dinâmico de impacto e é fundamental para o cálculo do diagrama de estabilidade e, consequentemente, para prevenção e identificação do fenômeno de chatter. Este trabalho avalia a viabilidade de utilização de métodos de subestruturação na estimação da FRF de ponta de fresa de topo. Ou seja, considera características dinâmicas de duas subestruturas separadamente (ferramenta e máquina) para estimar a característica da montagem final. Para tal, o trabalho analisa a aplicação de três métodos de subestruturação dinâmica com o objetivo de prever a FRF de ponta de uma fresa de topo. Os métodos são: Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA) por graus de liberdade rotacionais, RCSA acoplado em dois pontos e Modelo Agrupado. Para isso, são implementados métodos de subestruturação dinâmica baseados em acoplamento de receptâncias e redução modal de Craig-Bapton para um modelo numérico baseado no método de elementos finitos com algoritmos desenvolvidos em SCILAB utilizando geometrias simplificadas. São também desenvolvidas análises modais experimentais e modelos numéricos em elementos finitos utilizando geometrias mais precisas por meio de software comercial. O método de Modelo Agrupado apresentou bons resultados, mas com imprecisões que aumentam conforme o aumento da frequência de interesse. O método de RCSA por graus de liberdade rotacionais apresentou distorções vindas de o método realizar multiplicações em FRFs obtidas experimentalmente, onde os valores próximos de zero obtidos causam erros numéricos. Ao final, o método de RCSA acoplado em dois pontos se mostrou mais adequado para entregar resultados consistentes.
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.
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 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.
Estudo da temperatura de corte no torneamento de um aço AISI D6 com ferramenta de metal duro.
(2023) Silva, Adriano Aguiar da; Pereira, Igor Cezar; Pereira, Igor Cezar; Silva, Marcio Bacci da; Cunha, Daniel Fernandes da
As altas temperaturas alcançadas na usinagem de aços endurecidos geram custos elevados ao processo, principalmente, no que tange aos problemas relacionados com os desgastes sofridos pela ferramenta de corte que influenciam tanto a viabilidade econômica como a performance de produção, em contrapartida facilita a usinagem de materiais de baixa usinabilidade como os aços endurecidos. O objetivo do trabalho é analisar o comportamento da temperatura na interface cavaco-ferramenta, através do método termopar ferramenta/peça. Para entender as máximas temperaturas alcançadas será medida a temperatura de interface cavaco/ferramenta, os parâmetros de corte que serão variados são velocidade de corte, avanço, profundidade de corte, ângulo de saída e estado de afiação. O material da peça é um aço AISI D6 temperado com dureza média de 780 HV, o que o classifica como um material extremamente difícil de ser usinado. O material tem entre as suas principais aplicações matrizes de corte e de estampagem, devido a sua enorme estabilidade dimensional. Como resultado, será obtido um maior entendimento das temperaturas médias de usinagem na interface cavaco-ferramenta envolvidas em um material com dureza tão elevada, cita-se a influência da alteração do ângulo de saída negativo (-5°) que fez com que a temperatura aumentasse em virtude da necessidade de maior força e potência de usinagem. Os comportamentos das temperaturas de corte foram efetivamente influenciados de acordo com a alteração dos parâmetros, principalmente, a velocidade de corte que gerou uma variação de 204°C em relação à condição inicial dos ensaios. Observou-se também que a temperatura de corte tende a cair na proporção que a ferramenta começa a se desgastar e falhar.
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 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.
Otimização de Ciclos Rankine Orgânicos supercríticos : proposta de escolha do fluido de trabalho.
(2023) Alves, Izabela Mendes; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Naves, Fabiano Luiz; Leal, Elisângela Martins; Rocha, Ana Maura Araújo
Os Ciclos Rankine Orgânicos são uma variação do ciclo Rankine convencional. Neste tipo de ciclo, fluidos orgânicos são utilizados em substituição à água. A principal vantagem deste ciclo é a possibilidade de serem utilizados em fontes de baixa temperatura e pressão, 400 °C e 30 bar, enquanto ciclos de potência a água operam com temperaturas entre 320-620 °C e pressão de 20-250 bar. Isso possibilita que as fontes de calor dos ORCs (Organic Rankine Cycles) sejam energia geotérmica, energia solar, recuperação de calor residual e biomassa. Consequentemente, os ORCs se apresentam como uma fonte alternativa aos combustíveis fósseis para a geração de energia elétrica. Como se trata de uma tecnologia relativamente nova, necessita de mais estudos e investimentos para seu desenvolvimento a fim de se tornar uma opção competitiva e eficiente. Este trabalho propôs a simulação de 14 fluidos orgânicos supercríticos em quatro configurações de ciclo, com o objetivo de encontrar o fluido de melhor rendimento térmico, exergético e maior produção de trabalho líquido. As simulações foram realizadas no Engineering Equation Solver (EES), utilizando dois recursos desse software: tabelas paramétricas e a ferramenta de otimização. O fluido que apresentou o melhor resultado foi o benzeno, com 25,20% de eficiência térmica, 43,85% de eficiência exergética e trabalho líquido de 3086,2 kW.
Efeito do ângulo de saída na temperatura obtida pelo método termopar-ferramenta-peça no torneamento da liga TI-6AL-4V.
(2023) Freitas, Diego Barbosa de; Silva, Marcio Bacci da; Silva, Marcio Bacci da; Pereira, Igor Cezar; Silva, Rosemar Batista da
O titânio e suas ligas são amplamente reconhecidos pelas suas excelentes propriedades físicas, incluindo uma elevada resistência mecânica em relação à sua baixa densidade, além de manter essa resistência mesmo em altas temperaturas, e sua notável resistência à corrosão. No entanto, a usinagem desses materiais é desafiadora devido a suas características de difícil usinabilidade. Por esse motivo, o estudo da usinabilidade das ligas de titânio, como a liga Ti- 6Al-4V, desempenha um papel crucial na compreensão do desgaste da ferramenta, que é acelerado pelas altas temperaturas atingidas na interface cavaco-ferramenta. A geometria da ferramenta de corte é essencial na usinagem, afetando calor, eficiência, qualidade e vida útil das ferramentas, bem como a precisão das peças usinadas. Dois parâmetros críticos na geometria da ferramenta de corte são o ângulo de saída e o ângulo de folga. O ângulo de saída influencia a dissipação de calor e o controle de temperatura na zona de corte, enquanto o ângulo de folga é essencial para reduzir o atrito entre a ferramenta e o material usinado, evitando o superaquecimento da ferramenta de corte e melhorando a qualidade da usinagem. Esse trabalho tem como objetivo principal medir a temperatura da interface cavaco-ferramenta durante o processo de torneamento da liga de titânio Ti-6Al-4V, utilizando o método termopar ferramenta-peça. Além disso, investigar o impacto da velocidade de corte, bem como os efeitos dos ângulos de saída e de folga da ferramenta de corte na usinagem da liga. Os resultados obtidos revelam que, de maneira geral, o aumento da velocidade de corte resulta em um aumento correspondente da temperatura gerada na interface cavaco-ferramenta. Além disso, o estudo demonstrou que o aumento do ângulo de saída da ferramenta de corte está associado a uma redução da temperatura de usinagem. Por outro lado, a análise do efeito do ângulo de folga identificou algum impacto do ângulo de folga na temperatura da interface cavaco-ferramenta. Finalmente, uma combinação ideal de ângulo de folga e ângulo de saída foi encontrada para minimizar a geração de calor na interface cavaco-ferramenta em todas as faixas de velocidade de corte, destacando-se como a configuração mais eficaz nos testes realizados.
Efeito da fração da fase sigma sobre o desempenho mecânico em tração e em desgaste de tubos formadores de espiras de aço inoxidável duplex UNS S32750 utilizados em laminação de fio máquina.
(2023) Moreira, Guilherme Duarte; Faria, Geraldo Lúcio de; Faria, Geraldo Lúcio de; Dafé, Sara Silva Ferreira de; Lima, Margarida Márcia Fernandes
Tubos formadores de espiras são componentes essenciais no processo de laminação de fio máquina. Eles são responsáveis por modificar a geometria do fio de seção longitudinal reta para helicoidal em velocidades de até 125m/s possibilitando a formação de bobinas que otimizam o armazenamento e o transporte do produto. Estes tubos trabalham em temperaturas na faixa de 850°C a 950°C, sendo fabricados em aços com características muito específicas no que diz respeito à evolução microestrutural e desempenho em desgaste, sendo o aço inoxidável duplex UNS S32750 um destaque atual. Entretanto, na indústria há constantes relatos de falhas por desgaste prematuro dos tubos, nos quais identificam-se canais irregulares formados pelo contato do fio máquina com a superfície interna do tubo. Na região de contato, o tubo é continuamente termicamente tratado e há potencial para aumento da fração de fases intermetálicas, em especial a fase sigma. Consequentemente, ocorre aumento da dureza local, da resistência ao desgaste e dificulta-se a nucleação de trincas. Por outro lado, a formação da fase sigma provoca queda da resistência à corrosão, da tenacidade à fratura e da resistência ao crescimento de trincas. Neste contexto, este trabalho se propôs a realizar uma análise de falha de um tubo formador de espiras que falhou prematuramente em serviço, incluindo uma avaliação das características microestruturais, dureza e perfis de desgaste do tubo estudado, comparando com tubos de bom desempenho. Verificou-se que o canal inicialmente formado no tubo tem uma relação direta com o desempenho do mesmo, assim como as propriedades mecânicas tais como limite de resistência, dureza e taxa de desgaste, que são muito influenciadas pela temperatura e pelo intervalo de tempo pelo qual a superfície de contato do tubo é termicamente tratada. A partir de uma microestrutura inicialmente solubilizada, verificou-se uma significativa aderência entre a simulação computacional e os resultados experimentais no que tange à cinética de precipitação de fase sigma a 850°C e 950°C. Desta forma, pode-se perceber que estas alterações microestruturais que ocorrem nos primeiros min de operação são fundamentais para garantir o bom desempenho do mesmo.
Obtenção de diagrama de lóbulos de estabilidade durante o processo de fresamento por meio da análise modal operacional.
(2023) Couto, Alison de Andrade; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pereira, Igor Cezar; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pereira, Igor Cezar; Silva, Marcio Bacci da; Cury, Alexandre Abrahão
O diagrama de lóbulos de estabilidade (SLD, do inglês: Stability Lobes Diagram) é uma importante ferramenta para orientar as operações de processos de usinagem, quanto às condições para se evitar a presença de vibrações regenerativas (chatter) durante o processo de formação do cavaco. O diagrama é obtido através do estudo da relação entre as condições de corte e parâmetros dinâmicos do sistema. Como resultado prático tem-se a mitigação dos efeitos negativos das vibrações de chatter. Pela interpretação do gráfico gerado é possível a definição das condições de corte que oferecem a maior estabilidade dinâmica, ou seja, onde pode ocorrer a maior taxa de remoção de material sem que se saia da zona de estabilidade do sistema durante o corte, o que garante uma melhor qualidade superficial da peça e o aumento da vida da ferramenta. Tradicionalmente, os parâmetros modais da ferramenta são extraídos pela análise modal experimental (EMA, do inglês: Experimental Modal Analysis), utilizando os sinais de entrada (força) e saída (aceleração) do sistema (Input-Output), obtidos com a máquina ferramenta em regime não operacional, através do teste de impacto. Neste trabalho o diagrama de estabilidade foi obtido através dos parâmetros estimados pela análise modal operacional (OMA, do inglês: Operational Modal Analysis), que tem como premissa a utilização somente do sinal de saída do sistema (Output Only) com a máquina ferramenta em regime operacional. Neste caso, os dados são obtidos através de acelerômetros fixados nas partes estáticas da máquina ferramenta, processados e submetido à técnica baseada na Decomposição no Domínio da Frequência (FDD, do inglês: Frequency Domain Decomposition) para a extração dos parâmetros modais que serão utilizados na obtenção do diagrama de lóbulos de estabilidade. Neste trabalho são demonstradas as vantagem e limitações de cada método, comparando os diagramas obtidos para cada caso, onde foi possível observar que o SLD via OMA se mostrou mais realista para a identificação de condições de estabilidade comparado ao EMA.
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.