Neste trabalho, a moagem com alta energia foi utilizada para a ativação mecânica de misturas de pós de alumínio e nióbio, na proporção de 75% atômico de alumínio, para a síntese por reação de combustão do NbAl3. O objetivo foi investigar os mecanismos de ativação atuantes e a eventual preponderância de um deles. A moagem foi realizada tanto nos pós de alumínio e de nióbio separadamente (pré-ativação), como nas misturas. O processo de síntese por reação foi realizado no modo combustão simultânea, em pastilhas compactadas a partir de misturas com e sem ativação mecânica. O comportamento térmico das pastilhas foi registrado durante todo o ciclo térmico de aquecimento e, as principais características térmicas da reação de combustão, foram determinadas. O parâmetro de rede, o tamanho de cristalito e a microdeformação elástica do alumínio e do nióbio foram determinados por difratometria de raios X, mediante análise pelo método de Rietveld. A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para caracterização microestrutural dos pós moídos e da pastilha reagida. Constatou-se que o mecanismo preponderante de ativação mecânica é o aumento da área de interface, que ocorre durante a formação de agregados de partículas de alumínio e nióbio. A eficiência na formação de interfaces diminuiu com a utilização de nióbio pré-ativado (encruado) e com o aumento da quantidade de ácido esteárico (utilizado como agente controlador de processo durante a moagem). O efeito principal da ativação mecânica na síntese por reação de combustão foi a redução da temperatura de ignição com o aumento do tempo de moagem. A alta densidade de defeitos cristalinos, gerada durante a pré-ativação dos pós de alumínio e nióbio e na ativação mecânica das misturas, não produziu efeitos mensuráveis sobre o comportamento térmico das pastilhas. / In this work, mechanical activation of mixtures of niobium and aluminum powders (75 at.% of Al) was carried out by high energy ball milling, in order to produce NbAl3 by combustion synthesis. The purpose was to investigate activation mechanisms present and the eventual preponderancy of one of them. Beside mixtures, aluminum and niobium powders were separately activated by milling (pre-activation). Reaction synthesis, by simultaneous combustion mode, was conducted on compacted pellets made of activated and non-activated powder mixtures. The thermal behavior of the compacted pellets upon heating was recorded and main thermal characteristics of the combustion reaction were evaluated. Lattice parameter, crystallite size and microstrain for niobium and aluminum were measured by X-ray diffraction analysis, using the Rietveld method. Scanning electron microscopy was used for microstructural characterization of milled powders and reacted pellets. The growth of interface area in the aggregates of aluminum and niobium, formed during milling, was shown to be the main activation mechanism. Both pre-activated niobium and increased quantities of stearic acid (milling process control agent) hinder the interface formation. The main effect of mechanical activation in the reaction synthesis was to reduce the ignition temperature with the increase of the milling time. High density of crystal defects attained during milling (pre-activation of single powders or activation of the mixtures) produced no measurable effects to the thermal behavior of pellets.

A injeção de carvão pulverizado na região das ventaneiras dos altos-fornos (Pulverized Coal Injection – PCI) é uma tecnologia amplamente praticada em altos-fornos com o objetivo de substituir parte do coque empregado por carvões não-coqueificáveis. O carvão injetado fornece energia e gases redutores para o processo de fabricação do gusa, além de contribuir para a redução da emissão de gases poluentes devido à menor produção de coque. Atualmente todo o carvão injetado em altos-fornos brasileiros é importado. O país possui grandes reservas de carvão, porém este carvão necessita passar por processos de beneficiamento para redução dos teores de matéria mineral e enxofre. A flexibilidade do processo PCI permite a utilização de ampla gama de carvões não-coqueificáveis, o que abre a possibilidade para utilização de carvão brasileiro. Este trabalho teve por objetivo avaliar propriedades de carvão brasileiro beneficiado com teor de cinzas de 18,9% para injeção em altos-fornos. O estudo foi conduzido através de ensaios de combustão empregando um moderno simulador de PCI projetado e desenvolvido pelo Laboratório de Siderurgia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LaSid) e também uma termobalança de modo a ser possível traçar um comparativo entre ambos os equipamentos. Além do carvão brasileiro, de baixo rank, foram utilizados dois carvões importados já em uso para injeção, um de alto e um de baixo rank. A combustibilidade (ou eficiência de combustão) em simulador de PCI foi avaliada pela conversão (burnout), calculada pelo método ash tracer, um balanço de massa entre a quantidade de cinzas que entra e sai do reator. Em termobalança o parâmetro adotado foi a temperatura de pico, correspondente à taxa máxima de reação. Fez-se também a avaliação da reatividade ao CO2 dos chars gerados em simulador de PCI, visto que o char ao deixar a zona de combustão passa por uma zona rica neste gás. Análise estatística revelou que a técnica adotada de burnout mostrou-se bastante eficiente para diferenciar carvões de teores de matéria volátil distintos, porém não no caso de carvões com teores de matéria volátil similares. No simulador de PCI a influência da matéria volátil do carvão foi mais pronunciada do que o rank e em termobalança o rank teve mais efeito sobre a combustibilidade do que a matéria volátil. O carvão brasileiro apresentou propriedades comparáveis às do carvão importado de baixo rank utilizado para PCI. Isto representa uma grande vantagem, visto que possibilitaria a utilização do mesmo na siderurgia. / Pulverized coal injection through blast furnace tuyeres (PCI) is a widely practiced technology in blast furnaces to replace part of coke by non-coking coal. Injected coal provides energy and reducing gases for pig iron production process, as well as contributes to reducing pollutants gases emission due to coke saving. Currently all coal injected into Brazilian blast furnaces is imported. The country has large reserves of coal, but this coal needs to undergo beneficiation to reduce mineral matter and sulfur contents. PCI process flexibility allows the employment of a wide range of non-coking coals, which opens the possibility to use Brazilian coal. This work aimed to evaluate properties of Brazilian coal benefited with 18.9% ash content for injection into blast furnaces. The study was conducted through combustion tests employing a modern PCI test rig designed and developed by the Iron and Steelmaking Laboratory (LaSid) of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and also a thermobalance in order to draw a comparison between both equipments. In addition to low rank Brazilian coal, two imported coals which are already used for injection were used, one high and one low rank. The combustibility (or combustion efficiency) in a PCI test rig was evaluated by burnout, calculated by the ash tracer method, a mass balance between the amount of ash that enters and leaves the reactor. Peak temperature was the parameter adopted to evaluate combustibility in thermobalance, corresponding to the maximum rate of reaction. It was also evaluated the CO2 reactivity of chars generated in the PCI test rig, since char leaving the combustion zone passes through a CO2 rich area. Statistical analysis revealed that burnout technique proved to be efficient enough to differentiate coals with different volatile matter contents, but not in the case of coals with similar volatile matter contents. In PCI test rig the influence of volatile matter was more pronunced than rank and in thermobalance rank had more effect on combustibility than volatile matter. Brazilian coal showed properties comparable to the ones of imported low rank coal already in use for PCI. This is a great advantage, since it would make it possible to use it in ironmaking.

A simulação numérica de escoamentos reativos, como a combustão, tem um caráter altamente não-linear devido a presença de diversas reações químicas que acontecem entre as espécies que descrevem o processo de oxidação do combustível. Além disso, tais processos ocorrem a nível molecular, tornando o sistema de equações governantes rígido, o que implica na necessidade de esquemas numéricos de alta ordem bem como malhas finas e passo de tempo pequeno, aumentando consideravelmente o custo computacional. Neste sentido, o uso de mecanismos de oxidação detalhados na simulação numérica é proibitivo, e técnicas de redução química são necessárias de modo a desenvolver modelos reduzidos com menos variáveis e rigidez moderado, mantendo a precisão e abrangência do modelo detalhado. O objetivo do presente trabalho é obter uma comparação dos resultados obtidos para duas técnicas de redução química diferentes, Directed Relation Graph - DRG, baseada no desenvolvimento de mecanismos esqueletos, e a Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, baseada na separação das escalas de tempo. Como validação dos modelos propostos, simulações numéricas 1D de chamas pré-misturadas e não pré-misturadas, bem como de reatores homogêneos, são desenvolvidas. Além disso, uma estratégia que une as duas técnicas de redução é apresentada, com o objetivo de ser aplicada em mecanismos cinéticos grandes. / Numerical simulation of reactive flows, such as combustion, has a highly non-linear character due to the presence of several chemical reactions that occur among the chemical species that describe the process of fuel’s oxidation. Besides, such processes occur at a molecular level, making the system of governing equations stiff, which implies in the need of high order numerical schemes as well as fine meshes and small time step, enhancing considerably the computational cost. In this sense, the use of detailed oxidation mechanisms in the numerical simulation is prohibitive, and chemical reduction techniques are needed in order to develop reduced models with less variables and moderate stiffness, while maintaining the accuracy and comprehensiveness of the detailed model. The objective of the present works if to obtain a comparison between two chemical reduction techniques, the Directed Relation Graph - DRG, based on the skeletal mechanisms generation, and the Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, based on the separation of time scales. As validation of the proposed models, one-dimensional numerical simulations of premixed and non-premixed flames, as well as homogeneous reactors, are carry out. Besides, a coupled methodology between DRG and REDIM is presented, that will provide a useful tool for simulation of fuels with very large detailed kinetic mechanisms.

Este trabalho contém um estudo experimental para a obtenção e a validação de um combustível à base de água, obtido através da eletrolise desta e denominado de HHO (Gás de Brown), a ser utilizado como auxiliar na queima de hidrocarbonetos dos demais combustíveis fósseis e de fontes renováveis como o álcool hidratado (etanol). Para a realização deste trabalho foi utilizado um eletrolisador composto por placas de aço inox 316L e eletrólito à base de hidróxido de potássio, conjunto este de eletrólito em sua concentração ideal, material de construção do eletrolisador determinado através de estudo prévio em bibliografia. Posto o sistema em funcionamento, realizado a análise exergética da composição e do gás gerado, onde se verificou a existência de energia disponível para gerar trabalho útil e que o maior desperdício se encontrava na potência elétrica utilizada para a produção do gás. Após esta validação o gás foi submetido a testes em dinamômetro de desempenho e emissões com motores de combustão interna com deslocamento de 1,6 litros, porém com configurações diferentes de alimentação. Para que os dados refletissem a utilização de maior demanda de combustível, como no trânsito urbano, foram escolhidas as rotações de 1500rpm, 2500rpm e 3500rpm, com aberturas de borboleta em dois estágios, total 100% e abertura parcial a 40%. As variáveis controladas foram a potência, o torque, o consumo instantâneo de combustível, o fator lambda (λ) e a emissão dos gases CO, CO2 e HC. Em ambos os testes, aberturas total e parcial, com suas respectivas particularidades de no sistema de alimentação, foram apresentadas tendências de melhora em desempenho e reduções de emissões, devido aos valores obtidos estarem dentro das incertezas de medição no caso do sistema de alimentação por carburador e combustível principal o álcool hidratado, contudo no caso do sistema de alimentação por injeção eletrônica programável à gasolina comercial, com injeção de gás individualizada os resultados apresentados ficaram moderadamente acima das incertezas de medição. Entretanto, o sistema utilizado no experimento com gasolina + HHO e injeção programável, apresentou uma redução de emissões de CO em 26,4% (abertura parcial) e 18,6% (abertura total), reduzindo as emissões de HC em 16% (abertura parcial) e 14,5% (abertura total) e, por sua vez, o consumo de combustível reduziu em 29,6%. / This work contains an experimental study to obtain and validate a water-based fuel obtained through the electrolysis of this one and denominated HHO (Brown Gas), to be used as an auxiliary in the hydrocarbon burning of other fossil fuels and renewable sources such as hydrated alcohol (ethanol). For this work, an electrolyzer composed of 316L stainless steel plates and electrolyte based on potassium hydroxide was used, this electrolyte assembly in its ideal concentration, electrolyte construction material determined through a previous bibliography study. After the system was in operation, the exergy analysis of the composition and generated gas was performed, where the existence of available energy to generate useful work was verified and that the greatest waste was in the electric power used for the production. After this validation the gas was submitted to dynamometer tests of performance and emissions with engines of internal combustion with displacement of 1.6 liters, but with different feeding configurations. For the data to reflect the use of higher fuel demand, such as in urban traffic, the revolutions of 1500rpm, 2500rpm and 3500rpm were chosen, with twostage butterfly apertures, total 100% and partial opening at 40%. The variables controlled were power, torque, instantaneous fuel consumption, lambda factor (λ) and emission of CO, CO2 and HC gases. In both tests, total and partial openings, with their respective peculiarities of the feed system, presented trends of improvement in performance and emission reductions, due to the values obtained being within the uncertainties of measurement in the case of the carburetor feed system and the main fuel is the hydrated alcohol, however in the case of the commercial gasoline programmable electronic fuel injection system with individualized gas injection the presented results were moderately above the measurement uncertainties. However, the system used in the experiment with gasoline + HHO and programmable injection showed a reduction of CO emissions by 26.4% (partial opening) and 18.6% (total opening), reducing HC emissions by 16% ( partial opening) and 14.5% (total opening) and, in turn, fuel consumption decreased by 29.6%.

As legislações com restrições nos níveis de emissões de poluentes e a grande concorrência entre as montadoras fomentaram o desenvolvimento de sistemas mais eficientes de gerenciamento de motores a combustão interna. Entretanto, a falta de sensores que identifiquem as propriedades da combustão, e que sejam economicamente viáveis, dificulta o desenvolvimento de novos sistemas. Visando suprir parte dessas limitações, este trabalho propõe o uso do sensor de corrente iônica com duas finalidades: identificação dos fenômenos de combustão e detonação. Para identificação da combustão, atualmente é utilizado o sensor de fase instalado no motor, o que encarece o sistema de gerenciamento. Uma alternativa a este sensor seria utilizar a vela de ignição, já instalada dentro do cilindro do motor, como sensor de ionização da mistura ar/combustível durante a queima. Comparando a área sob a curva do sinal da corrente iônica durante a combustão com a área sob a curva durante a admissão, foi possível verificar que é viável a utilização do sinal da corrente iônica para substituição de uma funcionalidade do sensor de fase. Quanto à identificação do fenômeno da detonação, foi mostrado que o uso do sensor de corrente iônica possibilita a remoção do sensor de detonação. Para isso, foi realizada a correlação entre a energia de uma faixa de frequências dos harmônicos do sinal da corrente iônica com a energia do sinal proveniente do sensor de detonação. Dessa forma, este trabalho mostrou que é possível usar somente as velas de ignição, já presentes no veículo, como sensores. Além disso, os resultados positivos obtidos propiciam oportunidades para novas aplicações e novas pesquisas. / The laws that restrict pollutant emission levels and the competition among manufacturers fostered the development of more efficient internal combustion engine management systems. However, the lack of sensors to identify the properties of combustion, and which are economically viable, hinders the development of new systems. In order to address such limitations, this investigation proposes using the ionic current sensor with two purposes: identification of combustion and knock phenomena. The combustion identification is currently identified by the camshaft position sensor installed in the motor, which becomes more expensive for the management system. An alternative is using the spark plug, already installed inside the engine cylinder, such as ionization sensor of air/fuel mixture during combustion. Comparing the area under the curve of the ion current signal during combustion to the area under the curve during admission, it was found that it is feasible the use of ionic current signal to replace one feature of the camshaft position sensor. Concerning the identification of the knock phenomenon, it was shown that the use of the ionic current sensor allows the removal of the knock sensor. For this, the correlation between the energy signal in a frequency range of the ionic current harmonic with the energy of the signal from the knock sensor was performed Therefore, the use of spark plugs as sensors is very promising, in replacement to two existing sensors. Moreover, the positive results provide opportunities for new applications and researches.

Neste trabalho, a moagem com alta energia foi utilizada para a ativação mecânica de misturas de pós de alumínio e nióbio, na proporção de 75% atômico de alumínio, para a síntese por reação de combustão do NbAl3. O objetivo foi investigar os mecanismos de ativação atuantes e a eventual preponderância de um deles. A moagem foi realizada tanto nos pós de alumínio e de nióbio separadamente (pré-ativação), como nas misturas. O processo de síntese por reação foi realizado no modo combustão simultânea, em pastilhas compactadas a partir de misturas com e sem ativação mecânica. O comportamento térmico das pastilhas foi registrado durante todo o ciclo térmico de aquecimento e, as principais características térmicas da reação de combustão, foram determinadas. O parâmetro de rede, o tamanho de cristalito e a microdeformação elástica do alumínio e do nióbio foram determinados por difratometria de raios X, mediante análise pelo método de Rietveld. A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para caracterização microestrutural dos pós moídos e da pastilha reagida. Constatou-se que o mecanismo preponderante de ativação mecânica é o aumento da área de interface, que ocorre durante a formação de agregados de partículas de alumínio e nióbio. A eficiência na formação de interfaces diminuiu com a utilização de nióbio pré-ativado (encruado) e com o aumento da quantidade de ácido esteárico (utilizado como agente controlador de processo durante a moagem). O efeito principal da ativação mecânica na síntese por reação de combustão foi a redução da temperatura de ignição com o aumento do tempo de moagem. A alta densidade de defeitos cristalinos, gerada durante a pré-ativação dos pós de alumínio e nióbio e na ativação mecânica das misturas, não produziu efeitos mensuráveis sobre o comportamento térmico das pastilhas. / In this work, mechanical activation of mixtures of niobium and aluminum powders (75 at.% of Al) was carried out by high energy ball milling, in order to produce NbAl3 by combustion synthesis. The purpose was to investigate activation mechanisms present and the eventual preponderancy of one of them. Beside mixtures, aluminum and niobium powders were separately activated by milling (pre-activation). Reaction synthesis, by simultaneous combustion mode, was conducted on compacted pellets made of activated and non-activated powder mixtures. The thermal behavior of the compacted pellets upon heating was recorded and main thermal characteristics of the combustion reaction were evaluated. Lattice parameter, crystallite size and microstrain for niobium and aluminum were measured by X-ray diffraction analysis, using the Rietveld method. Scanning electron microscopy was used for microstructural characterization of milled powders and reacted pellets. The growth of interface area in the aggregates of aluminum and niobium, formed during milling, was shown to be the main activation mechanism. Both pre-activated niobium and increased quantities of stearic acid (milling process control agent) hinder the interface formation. The main effect of mechanical activation in the reaction synthesis was to reduce the ignition temperature with the increase of the milling time. High density of crystal defects attained during milling (pre-activation of single powders or activation of the mixtures) produced no measurable effects to the thermal behavior of pellets.

O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o comportamento da espécie poluente NOx em chamas turbulentas sem pré mistura. Com intuito de se identificar as espécies químicas relevantes, ou de combinações entre estas, efetuou-se análise de sensibilidade utilizando pacote de cinética química CHEMKIN. Do trabalho experimental consta a implementação de um modelo laboratorial de uma câmara de combustão para chamas sem pré mistura, a otimização de algoritmo dedicado de reconstrução tomográfica em ambientes axi-simétricos e calibração do sistema ótico. Gás natural foi utilizado como combustível. O queimador utilizado é do tipo com chamas piloto, possuindo jato principal rodeado por 12 orifícios de chama piloto. Medidas intrusivas foram realizadas com sonda de amostragem de gases no interior da chama, termopar de fio fino de Pt/PtRh13% e anemômetro de fio quente. As medidas de velocidade foram comparadas com as obtidas com modelo de turbulência comprimento de mistura. Medidas de intensidade luminosa dos radicais CH, CN e C2 foram obtidas com câmaras CCD e os resultados foram avaliados após aplicação da técnica de reconstrução de imagens a partir de suas projeções.

Um sistema de detecção de falhas deve incorporar técnicas de raciocínio que possam identificar um sinal de falha sob condições de incerteza. Nesse contexto, os modelos explorados na teoria de sistemas inteligentes, configurados para detectar falha, apresentam maior confiabilidade e versatilidade do que os modelos matemáticos convencionais. Este trabalho focaliza o estudo de caso de detecção de falhas em motores de combustão interna a pistão, em que foi escolhida a abordagem utilizando lógica nebulosa (fuzzy logic) na elaboração dos detectores de falhas no sistema de injeção e no sistema de ignição. Foram consideradas falhas no sistema de injeção as condições denominadas "mistura rica" e "mistura pobre", relativas às condições do combustível, e as falhas no sistema de ignição as do tipo detonação e rendimento térmico baixo. Essas falhas podem ser responsáveis por comprometer o desempenho do motor, reduzir a sua vida útil, aumentar os custos de manutenção e a emissão de poluentes e colocar em risco a segurança de pessoas. No sistema em foco, os detectores de falha de injeção e de ignição detectam a condição de falha através da observação das seguintes variáveis: ângulo de ignição, rotação e taxa de mistura ar/combustível. Para avaliar o sistema foi desenvolvido um simulador que incorpora a dinâmica do motor, um controlador e o sistema detector de falhas. O modelo do motor de combustão interna a pistão, elaborado dentro do ambiente computacional AMESim 4.2.1, considera uma configuração de quatro cilindros, oito válvulas, quatro sistemas de injeção indireta (um para cada cilindro), ignição por centelha, válvula borboleta, válvulas de admissão e escape, árvore de manivela e outros componentes que compõem um motor de combustão interna. Para controlar as variáveis do modelo no programa AMESim a uma dada condição de operação, o simulador apresenta uma unidade de controle, a qual recebe o sinal de pressão média efetiva, disponível no modelo do motor (ambiente AMESim) e o sinal de carga variável, com o objetivo de calcular a rotação responsável em definir a condição de operação do motor. Uma vez calculada a rotação, a unidade de controle calcula a vazão de combustível que é injetado no motor, o ângulo de abertura da válvula borboleta que proporcionará o estado de aceleração e desaceleração e o ângulo de ignição que indicará o momento da centelha. A unidade de controle e os detectores de falhas foram elaborados no ambiente computacional MATLAB 6.5/Simulink. O funcionamento combinado, via interface de comunicação dos dois ambientes computacionais, propicia uma representação adequada e resultados próximos às características de um motor de combustão real. Ao detectar as falhas provocadas intencionalmente no simulador a abordagem utilizando a lógica nebulosa apresentou resultados satisfatórios, com uma margem de erro de 0% na detecção de falhas no sistema de ignição e uma margem de erro no máximo de 5% na detecção de falhas no sistema de injeção, comprovando-se, assim, a adequação e viabilidade da proposta.

A combustão pulsante tem despertado interesse nas pesquisas atuais devido a indicações de que sua aplicação na geração de energia pode oferecer diversas vantagens, tais como economia de combustível, redução na formação de poluentes, aumento na taxa de transferência de calor por convecção e investimento reduzido, em comparação com outras novas tecnologias de combustão. Um estudo experimental foi conduzido com o objetivo de investigar os efeitos da combustão com a presença de oscilações acústicas na formação de fuligem em uma chama difusiva laminar de jato livre. O queimador de escala laboratorial operou com gás liquefeito e petróleo (GLP) com e sem oscilação, para as mesmas situações de entrada. O escoamento de combustível foi excitado acusticamente, antes da saída do queimador, por um alto-falante estrategicamente posicionado. Os experimentos foram conduzidos para uma vazão de 0.14 g/s de GLP. Para quantificar a presença de fuligem foi utilizada a técnica de incandescência induzida por laser. Os resultados indicam que em alguns casos, a combinação de freqüência e amplitude de oscilação na chama reduz a presença de fuligem praticamente à zero.

A presente tese investigou experimentalmente a influência de oxigênio na presença de fuligem em chamas parcialmente pré-misturadas, utilizando Gás Liquefeito de Petróleo - GLP como combustível. Investigou-se a influência do número de Reynolds do jato reativo laminar, da razão de equivalência e da potência térmica teoricamente liberada. Para detecção de fuligem na chama utilizou-se a técnica de incandescência induzida por laser e os resultados mostraram que a presença de oxigênio em chamas parcialmente pré-misturadas pode representar uma ferramenta útil no controle de fuligem para dispositivos práticos de combustão.