Estágio realizado na Fundació CTM Centre Tecnològic, e orientado por Jose Luis Romeral Martínez / Tese de Mestrado Integrado. Engenharia do Ambiente. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Este trabalho tem por objetivo analisar as perspectivas dos gases combustíveis como energia final para a obtenção de energia útil, em aquecimento direto (AD) e calor de processo (CP), identificando e quantificando potenciais como alternativa da eletrotermia. São comparados dois panoramas na avaliação das economias de energia primária pela substituição da eletrotermia: o primeiro considerando que a energia substituída oriunda de energéticos do parque gerador; e o segundo levando em conta que a redução se refletiu nas termelétricas. Para atingir este objetivo, o trabalho se inicia com uma revisão bibliográfica, onde são tratados os aspectos necessários para um melhor entendimento do texto, com os conceitos de eletrotermia, calor e termodinâmica, seguindo-se um capítulo destinado aos gases combustíveis, suas características e disponibilidade futura para a conversão. As informações básicas para a análise dos potenciais nos setores foram tomadas a partir do último Balanço de Energia Útil, além de trabalhos desenvolvidos no mercado industrial pelo autor. O trabalho discorre também sobre configurações tecnológicas usadas nas conversões, incluindo os custos envolvidos. Na conclusão, os cálculos mostraram que significativas economias de energia primária podem ser obtidas com a conversão da eletrotermia para gases combustíveis no setor industrial brasileiro, considerando a eletricidade produzida a partir de plantas termelétricas. / This paper aims to analyze the prospects of fuel gases as final energy in order to get useful energy in direct heating and process heat, identifying and qualifying potentials as the alternative of electrothermy. Two panoramas are compared in the evaluation of primary energy displacement: the first one considering the replaced energy coming from energy generating facilities and the second taking into account that the reduction was reflected in thermoelectric power plants. To achieve this goal, the work begins with a literature review which covers the aspects needed for a better understanding of the text, with the concepts of electrothermy, heat and thermodynamics, followed by a chapter intended for fuel gases, their characteristics and future readiness for conversion. The basic information for the analysis of potential sectors were taken for the last Useful Energy Balance, and work undertaken by the author in the industrial market. The paper also discourses about technological configurations used in conversions, including also the costs involved. In conclusion, the calculations showed that significant primary energy savings can be obtained through the conversion of electrothermy by fuel gases in the Brazilian industrial sector, taking into account the electricity produced from thermoelectric power plants.

Motores termomagnéticos são dispositivos capazes de converter calor em energia mecânica através do efeito termomagnético, e são uma alternativa para a conversão de energia de rejeitos térmicos de baixa e baixíssima qualidade. Neste trabalho é proposta uma classificação dos motores termomagnéticos como sendo de dois tipos, os motores tipo Edison e os motores tipo Tesla. Feita a classificação, diferenciou-se o comportamento de operação e os ciclos termodinâmicos desenvolvidos pelos dois tipos de motores, mostrando que motores do tipo Tesla desenvolvem um ciclo termodinâmico que pode ser aproximado por um ciclo Brayton magnético, já motores do tipo Edison descrevem um ciclo mais complexo, não podendo ser aproximado por um ciclo Brayton. Compararam-se os parâmetros de interesse para ambos os motores através de análises termodinâmicas, onde se concluiu que motores do tipo Tesla apresentam melhores respostas de trabalho e eficiência que motores do tipo Edison, quando são consideradas as mesmas condições de operação. Além disso, identificou-se que a equação de força de Kelvin é a equação que corretamente descreve o comportamento da força magnética em um motor termomagnético, essa contribuição é importante, pois vários trabalhos publicados na literatura utilizam equações que não descrevem corretamente o comportamento da força magnética. Mostrou-se que o trabalho produzido em um motor termomagnético é igual ao trabalho produzido pela força magnética resultante no dispositivo. Foi desenvolvida e validada uma metodologia para o cálculo do trabalho específico produzido em um motor do tipo Tesla. Utilizando as metodologias validadas, verificou-se como a temperatura, o campo magnético aplicado, o fator de desmagnetização e o tipo de transição influenciam o comportamento dos motores termomagnéticos tipo Tesla, o que abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos mais interessantes do ponto de vista termodinâmico. / Thermomagnetic motors are devices capable of converting heat into mechanical energy through the thermomagnetic effect. These devices are able to operate using low or very low quality thermal waste, being an alternative to avail that range of thermal energy. This work classifies the thermomagnetic motors in two types: The Tesla type and the Edison type thermomagnetic motors, differentiating the operational behavior and the thermodynamic cycles developed in each type. By using thermodynamic approaches, it is shown that the Tesla type thermomagnetic motors have best response in terms of work and efficiency than the Edison type thermomagnetic motors, when the same operating conditions are considered. In addition, an experimental approach is presented, proving that the Kelvin force equation describes the behavior of the force in thermomagnetic motors, and the work produced in a motor is the same that the work produced by the resultant magnetic force in the system. It was developed and validated a method to estimate the work produced by cycle in a Tesla type thermomagnetic motor, and using thermodynamic approaches, the relevance of the temperature, applied magnetic field, demagnetizing factor and transition type in the Tesla type thermomagnetic motor were verified.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Atualmente nas indústrias é notória a presença de problemas envolvendo a dinâmica dos fluidos com transferência de energia térmica. Neste contexto, problemas onde a transferência de energia térmica ocorre sobre cilindros aquecidos merece um destaque especial. No presente trabalho objetivou-se desenvolver uma análise numérica tridimensional sobre o problema de transferência de energia térmica por convecção natural em cilindros concêntricos na presença de pares discretos de fonte-sumidouro de energia térmica, com ênfase no estudo do regime estável-instável do escoamento (fluido de trabalho ar). O código numérico foi desenvolvido em coordenadas cilíndricas, discretizado utilizando a técnica dos volumes finitos e esquemas temporais e espaciais de segunda ordem, onde o acoplamento pressão velocidade é feito através do método do passo fracionado. Através dos campos de velocidades, de temperatura e de vorticidade obtidos, verificou-se como a transferência de energia térmica é afetada pelas primeiras instabilidades no regime instável. Foi possível também, evidenciar a desestabilização do escoamento estudado, não sendo necessário para tal o uso de uma malha fina. Além disso, os dados obtidos apresentaram uma excelente concordância com os resultados experimentais da literatura, sobretudo no regime estável. / In the current industry, is notorious the presence of problems involving fluid dynamics with heat transfer. In this context, problems where the heat transfer occurs over heated cylinders deserves a special attention. The present work study aimed to develop a three-dimensional numerical analysis of the heat transfer by natural convection in concentric cylinders in the presence of discrete heat source-sink pairs, with emphasis on the study of stable-unstable regime flow (air working fluid). The numerical code was developed in cylindrical coordinates, discretized using the finite volume technique and temporal/ spatial schemes of second order, where the pressure-velocity coupling is done through the fractional step method. Through velocity, temperature and vorticity fields, it was found that the heat transfer is affected by the first instabilities in the unstable regime. It was also possible to verify the destabilization of the flow with a thin mesh. Moreover, the data obtained showed an excellent agreement with the experimental data found in the literature, especially in the stable regime. / Dissertação (Mestrado)

Motores termomagnéticos são dispositivos capazes de converter calor em energia mecânica através do efeito termomagnético, e são uma alternativa para a conversão de energia de rejeitos térmicos de baixa e baixíssima qualidade. Neste trabalho é proposta uma classificação dos motores termomagnéticos como sendo de dois tipos, os motores tipo Edison e os motores tipo Tesla. Feita a classificação, diferenciou-se o comportamento de operação e os ciclos termodinâmicos desenvolvidos pelos dois tipos de motores, mostrando que motores do tipo Tesla desenvolvem um ciclo termodinâmico que pode ser aproximado por um ciclo Brayton magnético, já motores do tipo Edison descrevem um ciclo mais complexo, não podendo ser aproximado por um ciclo Brayton. Compararam-se os parâmetros de interesse para ambos os motores através de análises termodinâmicas, onde se concluiu que motores do tipo Tesla apresentam melhores respostas de trabalho e eficiência que motores do tipo Edison, quando são consideradas as mesmas condições de operação. Além disso, identificou-se que a equação de força de Kelvin é a equação que corretamente descreve o comportamento da força magnética em um motor termomagnético, essa contribuição é importante, pois vários trabalhos publicados na literatura utilizam equações que não descrevem corretamente o comportamento da força magnética. Mostrou-se que o trabalho produzido em um motor termomagnético é igual ao trabalho produzido pela força magnética resultante no dispositivo. Foi desenvolvida e validada uma metodologia para o cálculo do trabalho específico produzido em um motor do tipo Tesla. Utilizando as metodologias validadas, verificou-se como a temperatura, o campo magnético aplicado, o fator de desmagnetização e o tipo de transição influenciam o comportamento dos motores termomagnéticos tipo Tesla, o que abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos mais interessantes do ponto de vista termodinâmico. / Thermomagnetic motors are devices capable of converting heat into mechanical energy through the thermomagnetic effect. These devices are able to operate using low or very low quality thermal waste, being an alternative to avail that range of thermal energy. This work classifies the thermomagnetic motors in two types: The Tesla type and the Edison type thermomagnetic motors, differentiating the operational behavior and the thermodynamic cycles developed in each type. By using thermodynamic approaches, it is shown that the Tesla type thermomagnetic motors have best response in terms of work and efficiency than the Edison type thermomagnetic motors, when the same operating conditions are considered. In addition, an experimental approach is presented, proving that the Kelvin force equation describes the behavior of the force in thermomagnetic motors, and the work produced in a motor is the same that the work produced by the resultant magnetic force in the system. It was developed and validated a method to estimate the work produced by cycle in a Tesla type thermomagnetic motor, and using thermodynamic approaches, the relevance of the temperature, applied magnetic field, demagnetizing factor and transition type in the Tesla type thermomagnetic motor were verified.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:30:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Paula_Benetti.pdf: 644141 bytes, checksum: e2c78c5398d2325c106315317d8f7a82 (MD5) Previous issue date: 2008-01-07 / The aim of this study is to estimate the thermal compatibility of ceramics, contributing to fill in for an important gap in the standard for all-ceramic systems. The objectives of this study are: 1) to determine the shear bond strength (σc) of core-veneer ceramic systems and to evaluate the mode of failure; 2) to estimate the wetting behavior of veneer on core ceramics, using the contact angle measurement (θ); 3) to correlate the values for σc, θ, and CTE of the ceramics. Glass-infiltrated alumina (IA - In-Ceram Alumina) and zirconia (IZ - In-Ceram Zirconia) core ceramics, and Vita VM7, VM9 and VM13 veneer ceramics were combined into 6 groups. The baseline surface roughness (Ra) of core ceramic disk specimens (12 mm X 1,2 mm) was measured A cylinder of veneer ceramic (2 mm X 2 mm) was applied at the center of the core ceramic specimens, sintered and tested for σc to failure in a universal testing machine with a crosshead speed of 0,5 mm/min. For the θ evaluation, a cylinder of veneer ceramic (1 mm height x 2 mm diameter) was applied on core ceramic.Specimens images were taken before and after the firing procedure and the θ was measured using the AutoCAD 2006 program. The mean values of σc (MPa) and θ (º) for the compatible ceramic groups (A7 and Z7) were: 19,4 A e 48,9 c; 23,5 A e 56,0 b; for the groups with poor compatibility (A9 and V9) were: 0,9 C e 54,9 bc; 9,5 B e 59,8 b; and for the incompatible ceramic groups (A13 and Z13) were 0 D e 70 a; 0 D e 67,1 a. Different letters means statistical differences between groups (p≤0,001). Correlation analyses showed that as the difference between the ceramics CTE increases, the θ increases and the σc decreases / Esse estudo tem a finalidade de estimar o grau de compatibilidade térmica das cerâmicas, contribuindo para supressão de uma lacuna importante nas normas de avaliação de sistemas cerâmicos. Os objetivos desse estudo são: 1) determinar a resistência de união ao cisalhamento (σc) entre combinações de cerâmicas de IE e de cobertura e avaliar o modo de fratura; 2) estimar o grau de molhamento superficial das cerâmicas de IE pelas de cobertura, utilizando a medida do ângulo de contato superficial (θ); 3) correlacionar os resultados do θ, da σc e os valores do CET das cerâmicas. Cerâmicas infiltradas por vidro a base de alumina (IA- In-Ceram Alumina) e reforçada por zircônia (IZ- In-Ceram Zircônia), e as cerâmicas feldspáticas de cobertura Vita VM7, VM9 e VM13 foram combinadas em 6 grupos. A rugosidade superficial (Ra) de discos (12 mm X 1,2 mm) das cerâmicas de IE foi aferida para certificação da padronização dos CP.Para o teste de σc um cilindro de cerâmica de cobertura (2 mm X 2 mm) foi aplicado no centro da superfície superior do disco de IE e posteriormente acoplado à máquina de ensaios universal e submetido ao teste com velocidade de carga de 0,5 mm/min. Para avaliação do θ, um cilindro de cerâmica de cobertura (1 mm de altura x 2 mm diâmetro) foi aplicado sobre a IE. Imagens de cada CP foram realizadas antes e depois da sinterização para a medida do θ no programa AutoCAD 2006. A média dos resultados da σc (MPa) e do θ (º) para os grupos compatíveis (A7 e Z7) foram: 19,4 A e 48,9 c; 23,5 A e 56,0 b; para os grupos pouco compatíveis (A9 e Z9) foram: 0,9 C e 54,9 bc; 9,5 B e 59,8 b; e para os grupos incompatíveis (A13 e Z13) foram 0 D e 70 a; 0 D e 67,1 a. Letras distintas significam diferenças estatísticas entre os grupos (p≤0,001). A análise de correlação mostrou que à medida que a diferença entre os CET das cerâmicas aumenta, o θ aumenta e a σc diminui

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2016-03-10 / This work aimed at study the correlation of variables in a plasma immersion ion implantation (PIII) system, as well as their synergistic combination for the nitriding of the UNS S32750 super duplex stainless steel ( SD 2507). The research comprised two phases, as follows. (i) Study of the system. The interconnection of variables, namely voltage (V), pulse width (L), frequency (f) and current (I), were systematically analyzed with respect to the cathode heating. A mathematical formulation was proposed for the ion average energy and the substrate temperature, which took into consideration the energy conservation in the system, and the basic theories for plasma and sheaths and the ion interaction with matter. Hereafter, such model is thought to be experimentally demonstrated, allowing inferring the actual PIII fraction of energy that is converted to heat. (ii) N-PIII of the SD. Mirror-like samples were nitrided under different V, f and L combinations, leading to the temperatures 295, 325, 355 and 400 oC. The surface characterization methods were the optical, field emission electron, and atomic force microscopies, X-ray diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy, backscattered electron diffraction, and instrumented indentation. The austenite and ferrite fraction in the as received material amounted to 43,7 % and 56,3 %, respectively. After nitriding, the modified layers were 0,5-1,5 m thick. Up to 355 ºC, the expanded phase N was produced in originally austenite grains, whereas Fe2-3N e Fe4N precipitates were formed in ferrite grains. The hardness profiles were similar among different temperatures and between the two phases in the same sample. However, in ferritic regions, the mechanism for plastic deformation changed from ductile to brittle. In the 400 ºC treatments, only N was formed. Finally, a correlation for the production of the expanded phase in PIII and the mean pulse energy Ei was attained, given by and . Where IN and I are the integrated intensities of diffraction peaks for austenite and expanded austenite, respectively. / O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento de um sistema de implantação iônica por imersão em plasma (PIII: “plasma immersion ion implantation”), em função de suas variáveis, bem como a influência destas na nitretação de superfícies do aço super duplex UNS S32750 (ou SD 2507). O trabalho foi dividido em dois momentos, como segue. (i) Estudo do sistema. O comportamento das variáveis associadas à implantação iônica, especificamente tensão (V), largura de pulsos (L), frequência (f) e corrente (I), foi sistematicamente analisado com relação ao aquecimento do cátodo. Com base na conservação de energia, física de plasmas e bainhas catódicas e interação de íons com a matéria, propôs-se uma formulação matemática relacionado a energia média dos íons à temperatura do substrato, a qual poderá, futuramente, ser posta à prova experimental, mensurando-se a fração de energia que é, de fato, transformada em calor. (ii) Nitretação por PIII do SD. Amostras com superfície especular foram nitretadas sob diferentes combinações de V, f e L, em temperaturas de 295, 325, 355 e 400 oC. As superfícies foram caracterizadas por métodos de microscopia (ótica, eletrônica com efeito de campo, de força atômica), difração de raios X, espectroscopia de raios X por energia dispersiva, difração de elétrons retroespalhados, e indentação instrumentada. O SD apresenta estrutura cristalina de austenita e ferrita na proporção de 43,7/56,3. A nitretação produziu camadas modificadas com espessura de 0,5 a 1,5 m. Observou-se, nos tratamentos até 355 ºC, a formação da fase expandida N nos grãos que originalmente eram austenita, e de precipitados de nitretos -Fe2-3N e -Fe4N em grãos de ferrita. Embora não houve diferenças significativas nos perfis de dureza, tanto entre as temperaturas quanto entre as fases em uma mesma amostra, o mecanismo de deformação plástica nas regiões ferríticas transitou de dúctil para frágil. Nas nitretações em 400 ºC, houve apenas a formação de N. Finalmente, determinou-se que a obtenção da fase expandida por PIII no SD se relaciona com a energia média por pulso Ei por e . Onde I e I são as intensidades integradas dos picos de difração da austenita expandida e da austenita, respectivamente.

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 _Anderson_Lenz.pdf: 3725618 bytes, checksum: 39203aa64331d0ed552c80b97130d676 (MD5) Previous issue date: 2016-02-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Considering that the energy consumption of residential water heating systems by showers represents 24% of household electricity consumption, and households account for 27% of total electricity consumption in Brazil in order to minimize this consumption, one of the most sustainable alternatives is the use of heating systems using thermosolar plates. This work aimed to evaluate during the period of one year performance of a thermosolar heating system of 1 m² in size, using commonly found materials in civil construction. The unit of measurement used to measure the amount of energy absorbed by the system is the W (watt), the same unit of consumption of the showers to facilitate your sizing. inside the results it can be observed that along one year, the monthly average efficiency ranged from 33.7% will be 53.54%, and average efficiency was 45.9%, and over this period the system absorbed 695 394 Wh Thermal energy, indicating the amount of electric energy that can be saved by using a thermosolar water heating system instead of showers. The system was considered suitable for use in water heating in residences because their efficiency was within the same levels obtained with plates manufactured industrially. Photovoltaic solar panels can be used both for rural electrification in isolated systems, as they are used connected to the power grid. In both cases one of the factors that most limits the overall efficiency is the panel temperature, because it increases its internal resistance and therefore generates energy losses. To minimize this effect was mounted a cooling system in the bottom of the panel with water spray, to assess the cooling effect on the panel performance characteristics as current, voltage, power and efficiency. The performance of the panel was monitored in three different periods, the 1st with intermittent cooling, without cooling the 2nd and 3rd with cooling continued in the hottest hours of the day. The analyzes were performed on two levels of irradiation, the high level with respect to levels closer to the maximum occurring on a clear day, around 1000 W / m², and the lower level was set to 700 W / m² that it is one of the largest occurrence levels. Within the analysis of the data it was observed that the use of cooling for a high level of solar irradiation power increased by 12.26% and 12.17% efficiency at not cooled, and the low irradiation power increased by 8.48% and 9.09% efficiency compared to not be cooled. It is concluded that the system was effective in boosting the performance of the panel and can be used to increase efficiency in isolated systems as in the network connected systems. In this work we studied the technical performance of two solar energy conversion technologies into useful energy, thermal energy in the case of thermosolar panels and electric energy with photovoltaic panels, which can be used to help supply the energy needs of a single family residence rural as well as urban households. The collected performance technical information can provide an incentive for new ventures. / Tendo em vista que o consumo energético dos sistemas de aquecimento de água residenciais por chuveiros representa 24% do consumo de energia elétrica residencial, e que as residências correspondem a 27% do consumo de energia elétrica total no Brasil, visando minimizar este consumo, uma das alternativas mais sustentáveis é o uso de sistemas de aquecimento utilizando placas termossolares. Neste trabalho buscou-se avaliar durante o período de um ano desempenho de um sistema de aquecimento termossolar de 1 m² de área, utilizando materiais comumente encontrados em construção civil. A unidade de medida utilizada para mensurar a quantia de energia absorvida pelo sistema foi o W(watt), mesma unidade de consumo dos chuveiros visando facilitar o seu dimensionamento. Dentro dos resultados observa-se que ao longo de um ano a eficiência média mensal variou de 33,7% á 53,54%, e eficiência média ficou em 45,9%, e ao longo deste período o sistema absorveu 695.394 Wh de energia térmica, indicando o montante de energia elétrica que pode ser economizada ao utilizar um sistema de aquecimento de água termossolar em vez de chuveiros. O sistema foi considerado adequado para o uso de aquecimento de água em residências, pois a sua eficiência ficou dentro dos mesmos níveis obtidos com placas fabricadas industrialmente. Painéis solares fotovoltaicos podem ser utilizados tanto para eletrificação rural em sistemas isolados, quanto serem usados conectados a rede de energia elétrica. Em ambos os casos um dos fatores que mais limita a eficiência do conjunto é a temperatura do painel, pois aumenta a sua resistência interna e por consequência gera perdas de energia. Visando minimizar este efeito montou-se um sistema de resfriamento na parte inferior do painel com aspersão de água, para avaliar o efeito do resfriamento sobre as características de desempenho do painel como corrente, tensão, potência e eficiência. O desempenho do painel foi monitorado em três períodos distintos, o 1° com resfriamento intermitente, o 2° sem resfriamento e o 3° com resfriamento continuo nas horas mais quentes do dia. As análises foram feitas sobre dois níveis de irradiação, o nível alto diz respeito aos níveis mais próximos do máximo que ocorre em um dia de céu limpo, em torno de 1000 W/m², e o nível baixo foi definido como 700 W/m² que é um dos níveis de maior ocorrência. Dentro da análise dos dados observou-se que o uso do resfriamento para um nível alto de irradiação solar a potência aumentou 12,26% e a eficiência 12,17% em relação ao não resfriado, e para o nível baixo de irradiação a potência aumentou 8,48% e a eficiência 9,09% em relação ao não resfriado. Conclui-se que o sistema foi eficaz em aumentar o desempenho do painel e que pode ser utilizado para incrementar a eficiência em sistemas isolados como em sistemas conectados a rede. Neste trabalho estudou-se o desempenho técnico de duas tecnologias de conversão de energia solar em energia útil, energia térmica no caso dos painéis termossolares, e energia elétrica com painéis fotovoltaicos, que podem ser utilizadas para auxiliar o suprimento das necessidades energéticas de uma residência unifamiliar rural bem como em residências urbanas. As informações técnicas de desempenho coletadas podem servir de incentivo para novos empreendimentos.