It has been found through experiments at Southwest Research Institute that temperature differences between the gas and wall of the pipe through which the gas is flowing can greatly influence the gas flow in the pipe line and give different velocity magnitudes at the top and bottom half of the pipe. The effect on the flow is observed to worsen at low fluid flow and high temperature differences. This effect has been observed by ultrasonic flow meters which measure the chord average gas velocity at four heights across the pipe. A significant variance in chord averaged velocities is apparent at these conditions. CFD analysis was performed. Low flow velocities of 0.1524 m/sec, 0.3048 m/sec and 0.6096 m/sec and temperature differences of 5.5oK, 13.8oK and 27.7oK were considered. When these conditions were imposed onto the three different geometries, it was seen that the heating caused increased errors in the ultrasonic meter response. For the single elbow and double elbow pipe configurations, the errors were below 0.5% for constant wall temperature conditions but rose to 1% for sinusoid varying wall temperature conditions. The error was seen to increase as the axial velocity became more stratified due to momentum or temperature effects. The case of maximum error was noted for the double elbow geometry with sinusoid wall temperature condition where a swirl type of flow was noted to create localized velocity maxima at the center of the pipe. This part of the pipe was barely touched by the ultrasonic meter acoustic path giving maximum error of 1.4%. A thermal well was placed in the path of the gas flow in the pipe to observe the temperature response on the surface of the thermal well. It was noted that the thermal well surface temperature differed by 1.4% for most cases with gas velocity below 0.6096 m/sec.

[pt] O uso do calor como meio alternativo para a remediação de áreas contaminadas por compostos orgânicos - hidrocarbonetos derivados de petróleo e policíclicos aromáticos, organoclorados, pesticidas, dentre outros - tem se mostrado competitivo quando comparado a outras soluções, principalmente levando-se em consideração questões práticas como a eficiência dos seus resultados e o seu tempo de execução. Seguindo uma linha de pesquisa do Núcleo de Geotecnia Ambiental da PUC-Rio, esta dissertação se propõe a aperfeiçoar o sistema de dessorção térmica in situ a partir do desenvolvimento de um novo bastonete térmico e de um sistema de medição de temperaturas in situ. O seu escopo envolveu, principalmente, a avaliação do seu desempenho quando submetido às condições naturais de campo a partir de experimentos realizados em dois locais diferentes: nas dependências da EMBRAPA Solos, no Jardim Botânico, e na área externa do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. No primeiro caso, por ser um solo areno-argiloso, a temperatura se manteve mais concentrada em pontos mais próximos ao bastonete. Já no segundo, representado por um solo areno- siltoso, a temperatura chegou a pontos mais distantes com maior intensidade. Não houve modificação estrutural significativa em ambos os solos. Nos dois casos, a eficiência do sistema foi extremamente dificultada pelos baixos graus de saturação e teor de umidade, o que fez com que o calor aplicado se perdesse com maior facilidade. Após algumas modificações em seu projeto original, o bastonete térmico desenvolvido se comportou bem, principalmente no último ensaio, que durou 24 dias. Paralelamente, em laboratório, foram avaliados o comportamento da microbiota após a aplicação de calor no solo e a possibilidade de aptidão deste meio à existência de novos seres vivos após a injeção de água e nutrientes inorgânicos. Verificou-se uma recuperação e estabilização destes indivíduos em aproximadamente 03 semanas. Observou-se ainda a recuperação parcial da atividade metabólica; no entanto foi visto que a sua taxa decresce com o tempo, motivada provavelmente pela falta de matéria orgânica no solo. / [en] The use of thermal processes in order to remediate contaminated sites has been shown a great deal of promise, especially when time and effectiveness are considered. The present work describes the development of a new in situ device that simultaneously applies heat and delivers compressed air into the porous media. Additionally, a new set of instruments were also designed and built in order to monitor temperature and to extract vapor from the vadose zone. Tests performed at EMBRAPA Solos site and PUC-Rio Campus showed a good performance of the pieces of equipment developed. In addition, microbiological tests performed at the Geotechnical and Environmental Lab showed that is possible to recover the natural microbiota after prolonged exposure to temperatures above 400 ºC. Results have shown a recovery and stabilization of the population in about 3 weeks. However, it was also observed that metabolic activity was not fully recovered, in part due the lack of nutrients and organic matter in the porous media.

[pt] O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema de dessorção térmica aplicável a remediação de solos contaminados por compostos orgânicos. O sistema consiste de um bastonete térmico capaz de aquecer o solo através de um fluxo radial e de um oxidador térmico destinado ao tratamento das emissões gasosas. Fazem parte do sistema, como equipamentos acessórios, controladores de temperatura do tipo rampa patamar, isolantes térmicos de fibra cerâmica, membranas plásticas e amostradores de água e de gases. Estes últimos são utilizados para averiguar a eficiência do oxidador térmico. O sistema desenvolvido atingiu aos objetivos de projeto. O bastonete térmico foi capaz de aplicar temperaturas de até 600 ºC seguindo trajetórias de temperatura programadas. O mesmo pode-se afirmar do sistema de tratamento das emissões gasosas. O programa experimental realizado em um solo residual de gnaisse, obtido de um talude rodoviário da Rodovia Washington Luís, contaminado por óleo queimado, revelou que o sistema desenvolvido é capaz de reduzir a concentração de compostos orgânicos a um valor mínimo, bem abaixo dos limites estabelecido pelos órgãos ambientais nacionais e estrangeiros. O programa expôs a importância da aeração da matriz porosa durante o tratamento para impedir a formação de coque. As determinações analíticas revelaram que as emissões gasosas resultantes do aquecimento do solo residual contaminado com óleo queimado tratam-se de parafinas de olefinas. A duração do ensaio bem como o projeto do arranjo espacial da distribuição dos bastonetes em um sistema in situ de remediação pode ser determinada através do emprego da formulação de propagação de calor formulada por Stegemeier (1998). / [en] This dissertation refers to the development of an in situ system devised to remediate soils contaminated with organic compounds. The system consists basically of a thermal probe capable of heating the soil matrix through radial flow and a thermal oxidizer that treats the resulting gases emissions. The system clearly reached the design aims. The thermal probe consistently programed temperatures up to 6000C to the soil matrix following applied thermal paths. The thermal oxidizer was capable to heat gases emissions up to 9000C under prolonged exposure. The experimental program was carried out using a residual soil from gnaiss taken from a slope at Washington Luiz Roadway. This soil was contaminated with used oil and submitted to a series of tests in order to assess the efficiency of the system developed herein. The results suggest that thermal desorption was able to reduce the degree of contamination to levels well below the limits established by National and International Environmental Agencies. The results also revealed the importance of aeration during the process to avoid the formation of coke. Fingerprinting tests carried out on gases emissions revealed that they were composed mainly by olefins and paraffins. The design of an in situ system as well as the termination criteria for in situ thermal desorption treatment might well be accomplished using the heat propagation theory developed by Stegemeier (1998).