Este trabalho teve por objetivo investigar a obtenção de espinélio MgAl2O4 nanoestruturado através da síntese contínua por combustão em solução e sua caracterização por diferentes técnicas. Incluso neste estudo a influência do tipo de combustível e a razão combustível-oxidante no tamanho do cristalito. As partículas de espinélio MgAl2O4 foram sintetizadas utilizando-se os precursores químicos nitrato de alumínio e nitrato de magnésio como fonte dos cátions metálicos. Uréia, glicina e sacarose foram empregadas como agentes redutores, com diferentes valores da razão combustível-oxidante para a sacarose. Estes parâmetros foram relacionados com sua influência no tamanho de cristalito, tamanho de partícula e área superficial. Na caracterização do pó obtido, foram utilizadas técnicas como análise termodiferencial (ATD) e termogravimétrica (ATG), granulometria por difração de laser (GDL), análise de área superficial (BET), análise cristalográfica por difração de raios X (DRX), morfologia por microscopia eletrônica de varredura (MEV). As reações químicas da síntese contínua por combustão em solução resultaram na formação in situ de fases cristalinas para reações estequiométricas de uréia, glicina e sacarose e as deficientes de sacarose. Preponderância de fase amorfa ocorreu nas reações com excesso de sacarose para o pó como-sintetizado. A totalidade de fase cristalina foi obtida após um tratamento térmico a 900°C do pó como-sintetizado. Os pós de espinélio MgAl2O4 obtidos apresentaram-se como constituídos de cristalitos nanométricos, dispostos na forma de agregados de tamanho micrométrico. O tamanho de cristalito médio, calculado pelo método Single Line, a partir de dados de análises por DRX, foi de 13 nm. A área superficial média dos pós calcinados medida pelo método BET foi de 54 g/m2 Por análise granulométrica constatou-se um Tamanho de partícula médio de 17 μm para o pó como-sintetizado e 17,1 μm para o calcinado a 900ºC. As análises por MEV confirmaram a agregação das partículas do pó sintetizado, a partir de partículas preponderantemente esféricas e algumas com morfologia irregular. / This study has investigated a continuous solution combustion synthesis technique to obtain the nanostructured MgAl2O4 spinel powder and their characterize them by different tecniques. This study has also included the investigation of the influence of different kinds of fuel and fuel-to-oxidant ratio on crystallite size. The MgAl2O4 spinel powder was performed using aluminum nitrate and magnesium nitrate to obtain the metallic ions. Urea, glycine and sucrose were used like fuel, with several fuel-to-oxidant ratio. These parameters were correlating with powders characteristics, like crystallite size, particle size and superficial area. The techniques used for powder characterization included differential thermal analyzer (DTA), thermogravimetric analyzer (TGA), particles size analyzer (PSA), surface area by BET analysis, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The chemical reactions of solution combustion resulted on crystalline phase to the reactions with urea, glycine and sucrose (to desabilites on fuel and stoichiometric) and amorphous phase formation of MgAl2O4 in situ for as-synthesized powder. The crystalline phase formation of spinel MgAl2O4 was only succeeded obtained after a thermal treatment of as-synthesized powder under 900°C.The spinel MgAl2O4 powders obtained were composed of nano-size crystallites, but in micrometer-sized aggregates. The mean particle size calculated, via Single Line method, using XRD was 13 nm. PSA indicated that the synthesized powders contain a mean aggregates size with a tri mode distribution of around 17.1 μm. SEM analyses confirmed that the as-synthesized powders are composed of particles aggregation. They have an irregular morphology and nano-size crystallites.

O emprego de óleos vegetais como combustível em motores ciclo diesel tem se demonstrado viável após diversos estudos de desempenho já desenvolvidos em diversos motores e configurações, porém apresentando algumas restrições quanto ao seu uso contínuo, dentre as quais se destacam a ocorrência de quebras do motor devido ao excesso de carbonização no cabeçote. No Brasil, a abundância de óleos de origem vegetal constitui um incentivo para a realização de estudos visando ao aproveitamento desses combustíveis alternativos, neste contexto, este trabalho apresenta um estudo das características macroestruturais da formação de sprays de óleo vegetal de soja in natura em um atomizador utilizado em motores diesel em condições de pressão semelhantes às de um motor. Para isso foi montada uma bancada que é constituída de uma câmara pressurizada projetada e fabricada para simular as mesmas condições de massa específica do ar obtidas dentro da câmara de combustão do motor ciclo diesel no instante do início da injeção do combustível. Também é dotada de um sistema de injeção de combustível projetado para que as pressões de funcionamento do conjunto porta injetor mecânico utilizado fosse atingido. O registro da formação do spray é realizado por meio de uma câmara de alta velocidade e alta taxa de aquisição de imagens, como o qual é possível avaliar o comportamento dos jatos de óleo de soja e óleo diesel quanto a distância de quebra, penetração da ponta, velocidade e ângulo de abertura de spray. Das propriedades físico-químicas do óleo vegetal de soja, a que mais se destaca com relação às propriedades do óleo diesel é a viscosidade, que para os líquidos utilizados nesse trabalho foi verificado que é aproximadamente 15 vezes maior que a viscosidade do óleo diesel. Essa grande diferença nas mesmas condições de temperatura produziram resultados de atomização bem distinta entre os líquidos e verifica-se a necessidade de modificação de mais parâmetros do que somente a densidade do gás para que a atomização seja mais próxima do óleo diesel e o óleo vegetal in natura possa ser utilizado nos motores, pois os regimes de atomização observados condizem com o previsto considerando as propriedades dos dois óleos nas condições testadas. / The use of vegetable oils as fuel in diesel engines has proven to be viable after several performance studies already developed in several engines and settings, but presenting some restrictions on its continued use, among which stand out the occurrence of engine failures due to over-charred on the head. In Brazil, plenty of vegetable oils is an incentive to carry out studies for the use of these alternative fuels, in this context, this work presents a study of macro-structural characteristics of the formation of vegetable oil sprays soy in kind in an atomizer used in diesel engines into pressure conditions similar to those of an engine. To this it was mounted on a stand which consists of a pressure chamber designed and manufactured to simulate the same conditions of air density obtained within the combustion chamber of the diesel engine cycle at the time of start of fuel injection. It is also equipped with a fuel injection system designed for operating pressures of the whole mechanical door gun used was reached. The record of the formation of the spray is carried out by means of a camera high speed and high rate of image acquisition, as which it is possible to evaluate the behavior of soybean oil jets and diesel oil as the distance break, tip penetration , speed and spray opening angle. From the physico-chemical properties of vegetable soybean oil, which excels in respect of diesel fuel properties is viscosity, as for liquids used in this work was found that it is approximately 15 times greater than the viscosity of diesel oil. This great difference in the same conditions of temperature produced very different atomization results between the liquid and there is a need for more parameters change than just the density of the gas for atomization is closer to diesel oil and vegetable oil in nature can be used in engines, because atomization schemes observed consistent with the expected considering the properties of both oils under the conditions tested.

SILVA FILHO, I. M. da. Prodrução de filmes finos de SnO2 pelo método de spray pirólise utilizando um forno à gás natural com combustão de filtração. 2012. 61 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2012-04-04T19:01:18Z No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2012-04-04T19:01:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-04-04T19:01:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_dis_imsilvafilho.pdf: 1358608 bytes, checksum: b82e8a0cfa6fbe15120c5bd4c87f8677 (MD5) Previous issue date: 2012 / The tin dioxide (SnO2) as thin film can be produce with high transparency to visible light and good electrical conductivity. The SnO2 thin films have many technological applications in industry, mainly in electronic devices that use preview display, such as devices in research laboratories. One of the most promising applications is its use as a transparent conductive oxide in photovoltaic solar cells. Due to its transparency in the visible spectrum and low resistivity, the films of tin dioxide are used as a constituent component of photovoltaic solar cells. The present work aims to use a heat furnace, which uses combustion in porous media technology for the production of thin films of tin dioxide (SnO2) on glass substrates, using the technique of spray pyrolysis. The furnace used has a chamber where the films of SnO2 are sintered and a pre-chamber, where the precursor solution is applied films on glass substrates. Spray gun was adapted to furnace and coupled to the antechamber for the spraying of the solution of tin on glass substrates. The technique of doping thin films of Fluoride was used in order to reduce the resistance to electrical current. The thin films of SnO2 was characterized by their optical transmittance spectrum and electrical resistance. The structure of films of tin oxide was study by x-ray diffraction and atomic force microscopy. / O dióxido de estanho (SnO2) em forma de filme fino pode ser produzido com grande transparência à luz visível e boa condutividade elétrica. Os filmes finos de SnO2 possuem muitas aplicações tecnológicas na indústria, principalmente em aparelhos eletrônicos que utilizam display de visualização, como em dispositivos em laboratórios de pesquisa. Uma das aplicações mais promissoras é a sua utilização como óxido condutor transparente em células solares fotovoltaicas. Devido as suas características de transparência ótica no espectro visível e baixa resistividade, os filmes finos de dióxidos de estanho são empregados como componente constituinte de células solares fotovoltaicas. A proposta deste trabalho é a utilização de um forno, que utiliza a tecnologia de Combustão em Meios Porosos para fabricação de filmes finos de dióxido de estanho sobre substratos de vidro, utilizando a técnica de spray pirólise. O forno utilizado nesse projeto possui uma câmara, onde os filmes de SnO2 são sinterizados, e uma antecâmara, onde a solução precursora dos filmes é aplicada sobre substratos de vidro. Uma pistola spray foi adaptada ao forno, acoplada a antecâmara, para a aspersão da solução de estanho sobre substratos de vidro. Foi utilizada a técnica de dopagem dos filmes finos com flúor com o intuito de reduzir a resistência à corrente elétrica. Os filmes finos de SnO2 foram caracterizados em relação a transmitância ótica ao espectro visível e em relação a resistência elétrica. Também foram realizadas medidas de difração de raios-X e microscopia de força atômica para a revelação e estudo da estrutura dos filmes de óxido de estanho.

Sérios problemas ambientais têm origem em processos de combustão incompletos. Entre os produtos indesejados está a fuligem, considerada como um dos principais fatores da mudança climática observada nos último anos. Desta forma, ferramentas para diagnóstico da emissão de material particulado se fazem necessárias. Com o advento do laser, o desenvolvimento de técnicas óticas não intrusivas teve início. Dentre elas, destaca-se a técnica denominada incandescência induzida por laser (laser induced incandescence – LII), a qual pode gerar resultados resolvidos no espaço para a fração volumétrica de fuligem. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo experimental sobre a produção de fuligem em duas situações: na primeira, foram estudadas chamas laminares pré-misturadas de etileno e ar aplicando-se a técnica LII. Os resultados foram calibrados a partir da fração volumétrica de fuligem média empregando a técnica de extinção de luz, obtendo-se, então, resultados quantitativos espacialmente resolvidos da fração volumétrica de fuligem. A utilização de diferentes gases no escoamento anular também foi avaliada. A segunda situação abordada envolve o estudo de chamas laminares não pré-misturadas utilizando o gás natural como combustível. O impacto da diluição de inertes em diferentes proporções sobre a fração volumétrica de fuligem em diversas alturas da chama foi estudado por meio da técnica LII. Os resultados obtidos foram comparados à outros resultados presentes na literatura e servirão como validação de futuros modelos de formação de fuligem. / Serious environmental problems are assigned to incomplete combustion processes. Among the unwanted products, soot can be related as an important factor of climate changes observed in the last years. Thus, particulate material emissions diagnostic tools are necessary. Due the laser advent, the development of non-intrusive optical techniques was possible. One of the most importante technique is the laser induced incandescence, LII, which can generate spatially and temporally resolved results of soot volume fraction. In this context, an experimental study regarding the soot production was developed in two different situations: in the first one, premixed laminar flames of ethylene and air were investigated by applying the LII technique. The results were calibrated through the average of soot volume fraction results obtained by the light extinction technique. Therefore, it was possible to obtain quantitative results of spatially resolved soot volume fraction. Different gases employment at the annular flow were also evaluated. The second situation studied involves the analysis of natural gas laminar non-premixed flames. The impact of different inert gas dilution ratio on the soot volume fraction at different heights of the flame was evaluated by the LII technique. The results were compared to other authors and will serve as validation for future soot formation models.

O conceito de um motor rotativo de palhetas é apresentado e o modelo que opera similar aos motores recíprocos dois tempos é analisado. Este motor é formado por estator cilíndrico, rotor descentralizado, palhetas radiais e tampas laterais, similar aos compressores de palhetas radiais. Parâmetros geométricos estão definidos para que o motor possua características similares a dois motores recíprocos comerciais igualmente modelados. Suas geometrias estão detalhadas, assim como a modelagem termodinâmica e suas hipóteses, as quais devido ao caráter comparativo do trabalho não têm grande influência no alcance dos objetivos. Em relação aos motores recíprocos, o novo conceito prospecta algumas vantagens: maior compacidade; menor nível de vibrações; maior facilidade de alteração da razão de compressão; possibilidade de produção e montagem em módulos; e devido a todas estas, as maiores possibilidades para o projeto, fabricação, montagem e operação dos motores. Para melhor entendimento de algumas tendências relativas a estas vantagens, a sensibilidade dos parâmetros geométricos é estudada, com variações nos diâmetros do estator e do rotor, na espessura do rotor e das palhetas, na excentricidade entre rotor e estator, e no número de palhetas do conceito. Este estudo demonstra características únicas do motor rotativo de palhetas, dentre elas, a variação da espessura do rotor se destaca por proporcionar a alteração do tamanho do motor sem modificar os demais aspectos. A excentricidade entre o rotor e estator demonstra grande potencial na capacidade de alterar a razão de compressão do equipamento, inclusive podendo ser modificada após a construção do motor ou até mesmo durante sua operação. Também se destaca o número de palhetas, o qual tem influência direta sobre a curva de torque do ciclo e a efetividade do posicionamento das janelas de admissão e exaustão. Com isto, é concluída a caracterização da geometria e do funcionamento do motor rotativo de palhetas, obtendo uma boa base para as próximas etapas de seu desenvolvimento. / The concept of a rotary vane engine is presented and the model that operates similar to twostroke reciprocating engines is analyzed. This engine is formed by a cylindrical stator, decentralized rotor, radial vanes and side housing plates, similar to the radial vane compressors. Geometrical parameters are defined so that the motor has similar characteristics to two commercial reciprocating engines also modeled. Their geometries are detailed, as well as the thermodynamic model and its assumptions, which due to the comparative nature of the work do not have significant influence in achieving the objectives. With respect to reciprocating engines, the new concept is prospecting some advantages: higher compactness; lowest level of vibration; ease of adjustment of compression ratio; possibility of manufacture and assembly in modules; and due to all these, the numerous possibilities to the design, manufacture, assembly and operation of the engines. For a better understanding of some these advantages trends, the sensitivity of geometric parameters are studied, with variations in the diameters of the stator and rotor, in the thickness of the rotor and the vanes, in the eccentricity between rotor and stator, and in the number of vanes of the concept. This study demonstrates unique rotary vane engine characteristics, among them, the range of rotor thickness stands out for providing a change in engine size without changing other aspects. The eccentricity between the rotor and stator shows great potential for the ability to change the compression ratio of the equipment and can be modified even after the construction or even during operation of the engine. It also highlights the number of vanes, which has a direct influence on the torque curve of the cycle and the effectiveness of the positioning of inlet and exhaust ports. Therewith, the characterization of rotary vane engine geometry and operational design is complete, obtaining a good basis for its next development stages.

No presente trabalho são empregadas ferramentas de fluidodinâmica computacional (CFD) como base à criação de uma rede de reatores equivalente para o estudo de um reator de leito fluidizado borbulhante em escala piloto pertencente à CIENTEC-RS, empregado para a gaseificação de carvão das minas de Candiota-RS. Inicialmente, foram conduzidas simulações fluidodinâmicas em meio reacional gasoso (utilizando metano e ar) para análise do comportamento do escoamento no gaseificador. A partir de medições do equipamento real e dados de projeto do mesmo foi implementada no software CFX 13.0 a geometria do reator e foram realizados testes de convergência de malhas computacionais, de forma a escolher a mais apropriada para a realização das simulações em CFD. A avaliação de parâmetros como perfis de velocidade e concentrações ao longo do reator serviram para a escolha das malhas para a continuidade do estudo. Diferentes variações na geometria foram propostas, de modo a simplificá-la, reduzindo o custo computacional das simulações, porém mantendo a qualidade dos resultados. Foram, ainda, avaliados os padrões de escoamento típicos do reator, operando em fase gasosa e na presença de um leito fluidizado. De posse dos padrões de escoamentos obtidos foi proposta uma rede de reatores equivalentes – ERN (equivalent reactor network) a fim de modelar o reator da CIENTEC, empregando um modelo cinético detalhado para determinação das taxas de reação na fase gasosa. Para fins de avaliação da metodologia, conduziram-se simulações envolvendo a combustão de metano, analogamente ao estudo em CFD, e envolvendo o processo de gaseificação de carvão, com as características do obtido nas minas de Candiota. O objetivo do estudo foi avaliar os pontos cruciais no desenvolvimento de um modelo ERN e prever as características dos produtos obtidos para diferentes condições operacionais. Espera-se que este modelo seja aprimorado e usado para o melhoramento e otimização do processo, com o propósito de obter um gás de potencial energético e com características adequadas à utilização como insumo para processos carboquímicos. / In this dissertation, computational fluid dynamics (CFD) simulations were applied to develop equivalent reactor networks (ERN) for the study of a bubbling fluidized bed reactor from CIENTEC-RS, used for coal gasification. Initially, the computational geometry of the gasifier was created using the software CFX 13.0, based on field measurements and design data. Mesh convergence tests were carried out in order to choose the most appropriate for obtaining accurate solutions, using gas-phase reactions. Different variations in geometry were proposed in order to reduce the computational cost of the simulations, while maintaining the quality of the results. The simulations also evaluated the typical flow patterns of the reactor operating in the gaseous phase and in the presence of a fluidized bed. The flow patterns were used as a basis for proposing equivalent reactor networks for the CIENTEC reactor, using a detailed kinetic model to determine the reaction rates in the gas phase. For methodology evaluation purposes, simulations involving the combustion of methane were conducted, similar to the study in CFD, as well as the coal gasification process. The aim of the study was to evaluate the crucial points in the development of an ERN model and to predict the characteristics of the gaseous product streams obtained for different operating conditions. It is expected that this model can be used for the improvement and optimization of the gasification process, in order to obtain a gas with energetic potential and suitable for using it as a feedstock for carbochemical processes.

Este estudo investigou a síntese de espinélio MgAl204 (MA) por combustão em solução (SCS), a caracterização microestrutural dos pós obtidos, a sua sinterização e a sua ação inibidora da combustão de carbono. Como precursores, foram empregados o nitrato de alumínio, nitrato de magnésio e sacarose em água. A fase cristalina somente foi obtida após um tratamento térmico a 900°C do pó como-sintetizado. Os pós obtidos foram caracterizados por análise termodiferencial (ATD) e termogravimétrica (ATG), granulometria por dispersão a laser (GDL), BET para análise de área superficial, análise cristalográfica por difração de Raios X (DRX) e por espectroscopia Raman e FTIR, e a morfologia por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os pós de MA apresentaram-se como constituídos de cristalitos nanométricos, com tamanho médio de 21,69nm (calculado via software WinFit) e 35,32nm (estimado por MET). Por análise granulométrica, constatou-se um tamanho de aglomerado médio de 8,21μm, em uma distribuição tetramodal, com uma larga distribuição de tamanho. A área superficial dos pós MA, tratados termicamente a 900°C, alcançou 17,47m²/g. Por MEV, constatou-se que esses aglomerados apresentam uma morfologia irregular, além de vazios (poros internos). Os pós de MA assim obtidos foram prensados uniaxialmente e queimados em diferentes temperaturas (1350-1650°C). Os corpos sinterizados foram caracterizados quanto às propriedades físicas (densidade aparente, absorção de água, porosidade aparente e retração linear), mecânicas (resistência à flexão 4 pontos) e quanto à microestrutura (por MEV). A maior densidade aparente obtida foi de 2,607g/cm3, para uma temperatura de 1650°C, representando uma densificação de 51%, para uma retração linear de 10,06%. A máxima resistência à flexão foi de 51,33MPa e o maior módulo de elasticidade 26,13GPa. A avaliação da ação inibidora dos pós de MA foi realizada pela sua incorporação a diferentes teores em flocos de grafite e posterior aquecimento em termobalança. Constatou-se que os pós de MA apresentaram potencial para o uso como aditivos antioxidantes de materiais à base de carbono em altas temperaturas, pois levaram à diminuição da perda de massa do grafite durante o seu aquecimento e a um aumento da temperatura onset. / This study investigated the synthesis of MgAl204 spinel (MA) by combustion in solution, microstructural characterization of the powders, the sintering process and the inhibiting action of carbon combustion. As precursors were used aluminum nitrate, magnesium nitrate and sucrose in water. The crystalline phase was obtained only after a heat treatment at 900 ° C of the as-synthesized powder. The powders were characterized by differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetric (TGA), laser scattering for particle size, BET for analysis of surface area, crystallographic analysis by X-ray diffraction (XRD) and by Raman and FTIR spectroscopy, and morphology by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The powders were presented as consisting of nanosized crystallites with an average crystallite size of 21,69nm (calculated via Winfit software) and 35,32nm (estimated by TEM). The sieve analysis had an average agglomerate size of 8,21μm, in a tetramodal distribution with a wide size distribution. The surface area of the powders calcined at 900°C reached 17,47m²/g. By SEM, it was verified that these clusters have an irregular morphology, and voids (internal pore). The MA powders thus obtained were uniaxially pressed and fired at different temperatures (1350-1650). The powders sintered were characterized by physical properties (bulk density, water absorption, apparent porosity and linear shrinkage), mechanical (flexural strength 4 points) and the microstructure (SEM). The higher bulk density obtained was 2,607g/cm3, to a temperature of 1650 ° C, representing a densification of 51%, for a linear shrinkage of 10.06%. These ceramic samples also had the highest flexural strength (of 51,33MPa) and higher elastic modulus (26,13GPa). The evaluation of the inhibitory action of MA was held by its incorporation into different levels of graphite flakes and subsequent heating in thermobalance. It was noted that the MA powders showed potential use as antioxidant additives of carbon based materials in high temperatures that led to decreased mass loss of graphite flakes during their heating and an increase in the onset temperature.

Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água. / An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve stable operation with up to 40% water-in-ethanol blends and thermal efficiency increase was achieved for blends with up to 30% of water.

A tecnologia de injeção de carvão pulverizado nas ventaneiras dos altos-fornos (PCI) é utilizada por siderúrgicas integradas no mundo inteiro visando a redução do consumo de coque e, consequentemente, a redução das emissões de CO2 e do custo do gusa. Como o Brasil é o maior produtor mundial de ferro- gusa em altos-fornos a carvão vegetal, torna-se grande o interesse pelo aproveitamento dos finos de biomassa gerados no processamento de carvão vegetal, a chamada moinha. Uma boa alternativa para aproveitamento dessa biomassa seria sua injeção em altos-fornos a coque. A alta combustibilidade é essencial para um carvão destinado à injeção, pois reduz a formação de char (carvão incombusto). Devido à dificuldade de queima completa na zona de combustão, o carvão a ser injetado deve gerar um char altamente reativo ao CO2, para que seja consumido na cuba do alto-forno, gerando gases termorredutores. Este trabalho teve por objetivo avaliar a combustibilidade e a reatividade ao CO2 de carvões e misturas binárias de finos de carvão vegetal com carvões fósseis visando PCI. O estudo se deu através de análise termogravimétrica (TGA). Foram utilizados três carvões fósseis de diferentes procedências e ranks para a formulação das misturas. Os carvões foram cominuídos abaixo de 90 μm, uma granulometria típica de injeção. Inicialmente fez-se uma avaliação da combustibilidade e da reatividade ao CO2 dos finos de carvão vegetal com o intuito de estabelecer a granulometria adequada para as misturas. Foi observado que basta o carvão vegetal estar em granulometria inferior a 1 mm para serem alcançados resultados superiores de combustibilidade e reatividade em relação aos carvões fósseis abaixo de 90 μm. A elaboração das misturas binárias foi feita, portanto, pela adição de carvão vegetal abaixo de 1 mm aos carvões fósseis abaixo de 90 μm. A elaboração das misturas binárias foi feita, portanto, pela adição de carvão vegetal abaixo de 1 mm aos carvões fósseis abaixo de 90 μm. As proporções testadas foram 10, 20 e 50% em massa de carvão vegetal. As misturas apresentaram um aumento de combustibilidade e de reatividade ao CO2 em relação aos carvões fósseis individuais. Além disso, considerando-se a composição química dos carvões em estudo em termos de teor de cinzas, matéria volátil, enxofre e poder calorífico, pode-se considerar que misturas binárias entre os carvões fósseis deste trabalho e moinha de carvão vegetal seriam satisfatórias para PCI nas proporções avaliadas. / The technology of pulverized coal injection into the blast furnace tuyeres (PCI) is used by integrated steel mills worldwide in order to reduce the consumption of coke and thereby the reduction CO2 emissions and the cost of pig iron. As Brazil is the world’s largest producer of pig iron in charcoal-based blast furnaces, it becomes great interest in the use of fine biomass generated during charcoal processing. A good alternative for harnessing this biomass would be the injection into coke-based blast furnaces. The high combustibility is essential for a coal to injection. Moreover, the char (unburnt coal) generated should be highly reactive to CO2, so that it is possible its consumption in the stack of the blast furnace, generating gas for iron ore reduction. This work aimed to evaluate the combustibility and reactivity to CO2 of binary blends of charcoal fines and coals with purpose to PCI. The study was carried out by thermogravimetric analysis (TGA). Three coals from different sources and ranks were used to the formulation of the blends. The coals were ground and sieved to a size less than 90 μm diameter. At first were done an assessment of combustibility and reactivity to CO2 of fines charcoal in order to set the suitable particle size to the blends. It was observed that charcoal less than 1 mm is enough to achieve superior results to those found in the coals below 90 μm. The proportions tested were 10, 20 e 50% by mass of charcoal. The blends showed an increase in combustibility and reactivity of its chars in relation to individual coals. Furthermore, considering the chemical of coals under study in terms of ash, volatile matter, sulfur and calorific value it can be considered that binary blends between the coals and charcoal of this work would be satisfactory to PCI in the proportions evaluated.

Neste trabalho, o comportamento do escoamento de ar nos dutos de suprimento para os queimadores de uma caldeira multicombustível de alta potência (categoria A- NR-13) de queima frontal é investigado experimentalmente. Sondas de Pitot foram instaladas em diversas regiões ao longo do escoamento nos dutos de ar, para medição das pressões estática e de estagnação, de forma a caracterizar o campo de velocidade na caixa de ar. Medições do campo de pressão foram realizadas para várias condições operacionais e configuração de abertura das entradas de ar dos queimadores. Através da análise dos dados verificou-se que a velocidade do ar na alimentação dos queimadores é influenciada pela condição de queimador aceso ou apagado e também pelas configurações de combustíveis e pela vazão total, que é ditada pela carga da caldeira. Também foram feitas medidas das pressão estática nas câmaras de ar primário e secundário de cada queimador. Os resultados mostraram que estas pressões são menores nas linhas de queimadores inferiores aumentando na direção dos queimadores superiores. A comparação dos resultados experimentais obtidos com a caldeira apagada (sem geração de vapor) e com os dados dos experimentos realizados com caldeira acesa, não apresentaram discrepância qualitativa e nem quantitativa relevante, possibilitando estudar o comportamento do escoamento a frio. Os resultados experimentais também indicaram a existência de uma região em que o escoamento ascendente tem maior velocidade, pelo lado direito do plano médio vertical da caixa de ar. Como parte do objetivo desenvolve-se uma aplicação com as técnicas de planejamento fatorial 23 e análise da variança nas principais variáveis de controle do ar de alimentação para os queimadores da caldeira. Os resultados calculados através do modelo obtido pelo planejamento fatorial a partir dos testes com caldeira desligada apresentam boa concordância com os resultados experimentais tanto para operação com caldeira desligada quanto ligada quando todos os queimadores estão abertos. Os experimentos revelaram que os modelos obtidos a partir da análise fatorial podem ser utilizados para estimar o campo de velocidades na seção vertical da caixa de ar. / Combustion air flow in the windbox of an industrial multifuel front wall boiler was experimentally investigated. The velocity field was mapped by measuring the static and stagnation pressure fields along the flow by means of Pitot tubes. Experimental tests were conducted for a range of operating conditions and a set of configurations involving dumped and open burner passages. It was observed that combustion air flow is affected by the arrangement of open and closed burners, by the arrangement of fuel being burned in the burners array, and by the total air flow rate, which is dictated by the boiler. Measurements of the static pressure in the primary and secondary air chambers of each burner were also conducted. It was verified that pressure in these chambers increases as the air flow ascends towards the line of burners in the top of the vertical section of the windbox did not present relevant differences. Comparison of results obtained for the boiler operating with and without steam generation did not present significant qualitative nor quantitative discrepancies, allowing for the conclusion that measurements taken in “cold flow” operation mode are representative of the air flow in the windbox. The experimental results also indicated the occurrence of a preferencial ascending path, characterized by higher air flow velocity, inside the windbox. In order to identify the main control variables in the process, design of experiments techniques were additionally used to define experiments. Factorial 23 planning and variance analysis of the main control variables affecting the flow of combustion air to the burners yielded models to predict the pressure field in the vertical section of the windbox as function of the total air flow rate and the opening position of the primary and secondary air dampers at the burners inlet. Predicted results presented good agreement with experimental results for the boiler operating without steam production in operating conditions different of those for which the models were generated and for the boiler operating with steam generation and all burners operating with primary and secondary air dampers fully open.