The aim of this thesis is to examine the effect that Thermal Energy Storage (TES) sizing has on a building’s ability to meet heating and cooling demands in an energy and cost efficient manner. The focus of the research is the quantification the effects of TES for system sizing and boiler cycling. Research is accomplished by modelling TES systems with various storage capacities using thermodynamic analysis. Energy costs are subject to increase during peak usage periods due to a limited supply of energy. Peak heating and cooling periods also force thermal systems to be sized for loads that are only experienced for a small fraction of the year leading to poor efficiencies and frequent cycling during off peak times of year. TES introduces the capability to mitigate this issue by shifting peak thermal loads from one period to another, theoretically reducing the minimum necessary boiler or chiller capacity for a given system and potentially improving the efficiency of 4 thermal systems. The scope of this research is to model the operation of thermal systems with varying storage capacities in order to quantify these capabilities with respect to capacity and cycling. This is accomplished with modelling in Transient Systems Simulation Program (TRNSYS). In this software, a simple heating loop and cooling loop are independently considered and subjected to hourly load data extrapolated from heating and cooling load data originating from a retirement community in Massachusetts. The model built is intended to be robust enough to be easily applied and adapted to assess similar problems with energy storage capacity sizing.

A detailed multi-zone thermodynamic simulation has been developed for the direct-injection (DI) diesel engine combustion process. For the purpose of predicting heterogeneous type combustion systems, the model explores the formation of pre-ignition radicals, start of combustion, and eventual heat release. These mechanisms are described based on the current understanding and knowledge of the diesel engine combustion acquired through advanced laser-based diagnostics. Six zones are developed to take into account the surrounding bulk gas, liquid- and vapor-phase fuel, pre-ignition mixing, fuel-rich combustion products as well as the diffusion flame combustion products. A three-step phenomenological soot model and a nitric oxide emission model are applied based on where and when each of these reactions mainly occurs within the diesel fuel jet evolution process. The simulation is completed for a 4.5 liter, inline four-cylinder diesel engine for a range of operating conditions. Specifically, the engine possesses a compression ratio of 16.6, and has a bore and stroke of 106 and 127 mm. The results suggest that the simulation is able to accurately reproduce the fuel jet evolution and heat release process for conventional diesel engine combustion conditions. The soot and nitric oxide models are able to qualitatively predict the effects of various engine parameters on the engine-out emissions. In particular, the detailed thermodynamics and characteristics with respect to the combustion and emission formation processes are investigated for different engine speed/loads, injection pressures and timings, and EGR levels. The local thermodynamic properties and energy, mass distributions obtained from the simulation offer some fundamental insights into heterogeneous type combustion systems. The current work provides opportunities to better study and understand the diesel engine combustion and emission formation mechanisms for conventional diesel engine combustion modes. The flexible, low computational cost features of this simulation result in a convenient tool for conducting parametric studies, and benefits for engine control and diagnostics.

The purpose of the work is to show how to employ the experimental data from geocryology and soil physics for thermodynamic calculations of gas hydrate phase equilibria by taking into account pore water behavior in sediments. In fact, thermodynamic calculation is used here to determine the amount of non-clathrated pore water content in sediments in equilibrium with gas and hydrate phases. A thermodynamic model for pore water behavior in sediments is developed. Taking into account the experimental water potential data, the model calculations show good agreement with the experimentally measured unfrozen water content for different pressure and temperature conditions. The proposed thermodynamic model is applied for calculations of three-phase equilibria: multicomponent gas phase (methane, natural gas, etc.) – pore water in clay, sand, loamy sand, etc. – bulk (or pore) hydrate. As a result, correlations have been established between unfrozen and non-clathrated water content in natural sediments.

A microestrutura típica dos aços inoxidáveis duplex (AID) e superduplex (AISD) proporciona uma excelente combinação de resistência à corrosão e propriedades mecânicas. Como resultado, os AID e AISD possuem aplicações na indústria do óleo e gás, papel e celulose, química, petroquímica e geração de energia. Neste trabalho, foi realizado um estudo com o objetivo de analisar a influência de diferentes frações volumétricas das fases ferrita (d) e austenita (g) nas propriedades mecânicas do aço UNS-S32760. Inicialmente foi realizado um estudo termodinâmico-computacional, a fim de acompanhar a evolução das fases em termos de quantidade e composição química no intervalo de temperaturas compreendido entre 1050°C e 1150°C. Após as simulações termodinâmicas, foi realizada a caracterização mecânica e metalúrgica do aço em estudo. Assim, tendo por base as simulações termodinâmicas e objetivando-se analisar a evolução das fases ferrita e austenita, foram realizados tratamentos isotérmicos em diferentes tempos e temperaturas. Para tanto, fez-se uso (i) do software de simulação termodinâmica FactSage v. 6.4, (ii) técnicas metalográficas e DRX e, (iii) de uma máquina de ensaios universal. Os resultados mostraram que as frações volumétricas das fases ferrita e austenita são função do tempo e temperatura empregados e indicaram, também, forte correlação entre a morfologia e distribuição das fases e as propriedades mecânicas do aço inoxidável superduplex UNS-S32760. / The typical microstructure of duplex (DSS) and superduplex (SDSS) stainless steels provides an excellent combination of corrosion resistance and mechanical properties. As a result, DSS and SDSS have applications in the oil and gas industry, pulp and paper, chemical, petrochemical and power generation. In this work, a study was conducted in order to analyze the influence of different volume fractions of ferrite and austenite phases on the mechanical properties of UNS-S32760 steel. Initially a computational thermodynamic study was conducted in order to follow the phase evolution in terms of amount and chemical composition in the temperature range between 1050°C and 1150°C. After the thermodynamic simulation, the mechanical and metallurgical characterization of the steel under study were carried out. Thus, based on the thermodynamic simulations and aiming to study the development of ferrite and austenite phases, isothermal treatments were performed at several time span and temperature. Consequently, (i) the thermodynamic simulation software FactSage v. 6.4, (ii) metallographic techniques and XRD and, (iii) a universal testing machine were use. The results showed that the volume fraction of ferrite and austenite phases are a function of the time and temperature and also indicated a strong correlation between morphology and phase distribution and the mechanical properties of superduplex stainless steel UNS-S32760.

Durante a fabricação do aço, a etapa de refino secundário tem como um de seus objetivos a redução do teor de hidrogênio. Porém, as previsões finais do teor de hidrogênio no produto devem presumir a existência de um fator de captura deste elemento pelo aço líquido, proveniente de diferentes fontes. Este trabalho tem como objetivo quantificar, através de estudo termodinâmico, a influência de um dos principais contribuintes com o aumento dos teores finais de hidrogênio: a umidade do ar capturada pela escória de refino secundário e repassada ao aço líquido. Para tanto, foi utilizado o programa de simulação termodinâmica FactSage. Primeiramente, foi realizado um estudo para a escolha das bases de dados do FactSage mais adequadas à pesquisa em questão. Posteriormente, foi realizada a simulação da exposição de escórias líquidas dos sistemas ternário CaO-MgO-SiO2 e quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3 a duas diferentes pressões parciais de água na atmosfera, a fim de quantificar a solubilidade da água nestas escórias. Após, as escórias umidificadas foram simuladas em contato com o ferro líquido e a quantidade de hidrogênio transferido ao ferro foi analisada. Por fim, foi realizado um estudo termodinâmico de solubilidade de água em escórias do sistema quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3, com basicidade binária igual a 2 e temperatura de 1600 °C; a exposição dessas escórias a duas pressões parciais de água na atmosfera foi simulada, sob duas abordagens: uma considerando escórias líquidas e outra considerando escórias com possíveis frações sólidas. A relação entre o teor de água destas escórias úmidas e o teor de hidrogênio no ferro também foi analisada. Desta forma, a influência das diferentes escórias na captura e transferência de hidrogênio ao ferro líquido foi relacionada com as composições de escória e com a pressão parcial de água na atmosfera. Foi observado que o teor de hidrogênio no ferro possui dependência linear com o teor de água na escória. No entanto, é possível variar a composição da escória e diminuir a quantidade de água que ela absorve da atmosfera e, desta forma, diminuir a quantidade de hidrogênio repassada ao metal. / During steelmaking, one of the main processes is the reduction of hydrogen levels. However, the degassing process and the final predictions of hydrogen levels in steel must presume the existence of a hydrogen pick-up factor in liquid steel, originated from different sources. This work aims to quantify, thermodynamically, the influence of one of the main contributors to the high final levels of hydrogen in steel: air humidity captured by the slag and transferred to the liquid steel. To achieve this, the thermodynamics software FactSage was used. First, the databases from FactSage were studied and the most adequate were chosen for the purpose of this work. After, the exposition of liquid ternary CaO-MgO-SiO2 and quaternary CaO-MgO-SiO2-Al2O3 slag systems to two different water pressures was simulated, to quantify the water solubility in these slags. Then, the moist slags were simulated with liquid steel and the hydrogen content transferred to the metal was analyzed. Finally, the solubility of water in slags of the system CaO-MgO-SiO2-Al2O3, with binary basicity equal to 2 and temperature of 1600 °C, was studied; the exposition of these slags to two different water pressures was simulated, under two views: considering liquid slags and slags with solid fractions. The relationship between water content in these slags and hydrogen content in steel was analyzed. Hence the influence of slags on water capture from atmosphere and transfer of hydrogen to liquid iron was related to the slag chemical compositions and to water vapor partial pressures. It was observed that hydrogen content in iron is linearly dependent on the water solubility of slags. However, according to the variation of the slag composition, it is possible to lower the quantity of water captured by the slag and therefore the steel hydrogen pick-up.

Durante a fabricação do aço, a etapa de refino secundário tem como um de seus objetivos a redução do teor de hidrogênio. Porém, as previsões finais do teor de hidrogênio no produto devem presumir a existência de um fator de captura deste elemento pelo aço líquido, proveniente de diferentes fontes. Este trabalho tem como objetivo quantificar, através de estudo termodinâmico, a influência de um dos principais contribuintes com o aumento dos teores finais de hidrogênio: a umidade do ar capturada pela escória de refino secundário e repassada ao aço líquido. Para tanto, foi utilizado o programa de simulação termodinâmica FactSage. Primeiramente, foi realizado um estudo para a escolha das bases de dados do FactSage mais adequadas à pesquisa em questão. Posteriormente, foi realizada a simulação da exposição de escórias líquidas dos sistemas ternário CaO-MgO-SiO2 e quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3 a duas diferentes pressões parciais de água na atmosfera, a fim de quantificar a solubilidade da água nestas escórias. Após, as escórias umidificadas foram simuladas em contato com o ferro líquido e a quantidade de hidrogênio transferido ao ferro foi analisada. Por fim, foi realizado um estudo termodinâmico de solubilidade de água em escórias do sistema quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3, com basicidade binária igual a 2 e temperatura de 1600 °C; a exposição dessas escórias a duas pressões parciais de água na atmosfera foi simulada, sob duas abordagens: uma considerando escórias líquidas e outra considerando escórias com possíveis frações sólidas. A relação entre o teor de água destas escórias úmidas e o teor de hidrogênio no ferro também foi analisada. Desta forma, a influência das diferentes escórias na captura e transferência de hidrogênio ao ferro líquido foi relacionada com as composições de escória e com a pressão parcial de água na atmosfera. Foi observado que o teor de hidrogênio no ferro possui dependência linear com o teor de água na escória. No entanto, é possível variar a composição da escória e diminuir a quantidade de água que ela absorve da atmosfera e, desta forma, diminuir a quantidade de hidrogênio repassada ao metal. / During steelmaking, one of the main processes is the reduction of hydrogen levels. However, the degassing process and the final predictions of hydrogen levels in steel must presume the existence of a hydrogen pick-up factor in liquid steel, originated from different sources. This work aims to quantify, thermodynamically, the influence of one of the main contributors to the high final levels of hydrogen in steel: air humidity captured by the slag and transferred to the liquid steel. To achieve this, the thermodynamics software FactSage was used. First, the databases from FactSage were studied and the most adequate were chosen for the purpose of this work. After, the exposition of liquid ternary CaO-MgO-SiO2 and quaternary CaO-MgO-SiO2-Al2O3 slag systems to two different water pressures was simulated, to quantify the water solubility in these slags. Then, the moist slags were simulated with liquid steel and the hydrogen content transferred to the metal was analyzed. Finally, the solubility of water in slags of the system CaO-MgO-SiO2-Al2O3, with binary basicity equal to 2 and temperature of 1600 °C, was studied; the exposition of these slags to two different water pressures was simulated, under two views: considering liquid slags and slags with solid fractions. The relationship between water content in these slags and hydrogen content in steel was analyzed. Hence the influence of slags on water capture from atmosphere and transfer of hydrogen to liquid iron was related to the slag chemical compositions and to water vapor partial pressures. It was observed that hydrogen content in iron is linearly dependent on the water solubility of slags. However, according to the variation of the slag composition, it is possible to lower the quantity of water captured by the slag and therefore the steel hydrogen pick-up.

A microestrutura típica dos aços inoxidáveis duplex (AID) e superduplex (AISD) proporciona uma excelente combinação de resistência à corrosão e propriedades mecânicas. Como resultado, os AID e AISD possuem aplicações na indústria do óleo e gás, papel e celulose, química, petroquímica e geração de energia. Neste trabalho, foi realizado um estudo com o objetivo de analisar a influência de diferentes frações volumétricas das fases ferrita (d) e austenita (g) nas propriedades mecânicas do aço UNS-S32760. Inicialmente foi realizado um estudo termodinâmico-computacional, a fim de acompanhar a evolução das fases em termos de quantidade e composição química no intervalo de temperaturas compreendido entre 1050°C e 1150°C. Após as simulações termodinâmicas, foi realizada a caracterização mecânica e metalúrgica do aço em estudo. Assim, tendo por base as simulações termodinâmicas e objetivando-se analisar a evolução das fases ferrita e austenita, foram realizados tratamentos isotérmicos em diferentes tempos e temperaturas. Para tanto, fez-se uso (i) do software de simulação termodinâmica FactSage v. 6.4, (ii) técnicas metalográficas e DRX e, (iii) de uma máquina de ensaios universal. Os resultados mostraram que as frações volumétricas das fases ferrita e austenita são função do tempo e temperatura empregados e indicaram, também, forte correlação entre a morfologia e distribuição das fases e as propriedades mecânicas do aço inoxidável superduplex UNS-S32760. / The typical microstructure of duplex (DSS) and superduplex (SDSS) stainless steels provides an excellent combination of corrosion resistance and mechanical properties. As a result, DSS and SDSS have applications in the oil and gas industry, pulp and paper, chemical, petrochemical and power generation. In this work, a study was conducted in order to analyze the influence of different volume fractions of ferrite and austenite phases on the mechanical properties of UNS-S32760 steel. Initially a computational thermodynamic study was conducted in order to follow the phase evolution in terms of amount and chemical composition in the temperature range between 1050°C and 1150°C. After the thermodynamic simulation, the mechanical and metallurgical characterization of the steel under study were carried out. Thus, based on the thermodynamic simulations and aiming to study the development of ferrite and austenite phases, isothermal treatments were performed at several time span and temperature. Consequently, (i) the thermodynamic simulation software FactSage v. 6.4, (ii) metallographic techniques and XRD and, (iii) a universal testing machine were use. The results showed that the volume fraction of ferrite and austenite phases are a function of the time and temperature and also indicated a strong correlation between morphology and phase distribution and the mechanical properties of superduplex stainless steel UNS-S32760.

A microestrutura típica dos aços inoxidáveis duplex (AID) e superduplex (AISD) proporciona uma excelente combinação de resistência à corrosão e propriedades mecânicas. Como resultado, os AID e AISD possuem aplicações na indústria do óleo e gás, papel e celulose, química, petroquímica e geração de energia. Neste trabalho, foi realizado um estudo com o objetivo de analisar a influência de diferentes frações volumétricas das fases ferrita (d) e austenita (g) nas propriedades mecânicas do aço UNS-S32760. Inicialmente foi realizado um estudo termodinâmico-computacional, a fim de acompanhar a evolução das fases em termos de quantidade e composição química no intervalo de temperaturas compreendido entre 1050°C e 1150°C. Após as simulações termodinâmicas, foi realizada a caracterização mecânica e metalúrgica do aço em estudo. Assim, tendo por base as simulações termodinâmicas e objetivando-se analisar a evolução das fases ferrita e austenita, foram realizados tratamentos isotérmicos em diferentes tempos e temperaturas. Para tanto, fez-se uso (i) do software de simulação termodinâmica FactSage v. 6.4, (ii) técnicas metalográficas e DRX e, (iii) de uma máquina de ensaios universal. Os resultados mostraram que as frações volumétricas das fases ferrita e austenita são função do tempo e temperatura empregados e indicaram, também, forte correlação entre a morfologia e distribuição das fases e as propriedades mecânicas do aço inoxidável superduplex UNS-S32760. / The typical microstructure of duplex (DSS) and superduplex (SDSS) stainless steels provides an excellent combination of corrosion resistance and mechanical properties. As a result, DSS and SDSS have applications in the oil and gas industry, pulp and paper, chemical, petrochemical and power generation. In this work, a study was conducted in order to analyze the influence of different volume fractions of ferrite and austenite phases on the mechanical properties of UNS-S32760 steel. Initially a computational thermodynamic study was conducted in order to follow the phase evolution in terms of amount and chemical composition in the temperature range between 1050°C and 1150°C. After the thermodynamic simulation, the mechanical and metallurgical characterization of the steel under study were carried out. Thus, based on the thermodynamic simulations and aiming to study the development of ferrite and austenite phases, isothermal treatments were performed at several time span and temperature. Consequently, (i) the thermodynamic simulation software FactSage v. 6.4, (ii) metallographic techniques and XRD and, (iii) a universal testing machine were use. The results showed that the volume fraction of ferrite and austenite phases are a function of the time and temperature and also indicated a strong correlation between morphology and phase distribution and the mechanical properties of superduplex stainless steel UNS-S32760.

Durante a fabricação do aço, a etapa de refino secundário tem como um de seus objetivos a redução do teor de hidrogênio. Porém, as previsões finais do teor de hidrogênio no produto devem presumir a existência de um fator de captura deste elemento pelo aço líquido, proveniente de diferentes fontes. Este trabalho tem como objetivo quantificar, através de estudo termodinâmico, a influência de um dos principais contribuintes com o aumento dos teores finais de hidrogênio: a umidade do ar capturada pela escória de refino secundário e repassada ao aço líquido. Para tanto, foi utilizado o programa de simulação termodinâmica FactSage. Primeiramente, foi realizado um estudo para a escolha das bases de dados do FactSage mais adequadas à pesquisa em questão. Posteriormente, foi realizada a simulação da exposição de escórias líquidas dos sistemas ternário CaO-MgO-SiO2 e quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3 a duas diferentes pressões parciais de água na atmosfera, a fim de quantificar a solubilidade da água nestas escórias. Após, as escórias umidificadas foram simuladas em contato com o ferro líquido e a quantidade de hidrogênio transferido ao ferro foi analisada. Por fim, foi realizado um estudo termodinâmico de solubilidade de água em escórias do sistema quaternário CaO-MgO-SiO2-Al2O3, com basicidade binária igual a 2 e temperatura de 1600 °C; a exposição dessas escórias a duas pressões parciais de água na atmosfera foi simulada, sob duas abordagens: uma considerando escórias líquidas e outra considerando escórias com possíveis frações sólidas. A relação entre o teor de água destas escórias úmidas e o teor de hidrogênio no ferro também foi analisada. Desta forma, a influência das diferentes escórias na captura e transferência de hidrogênio ao ferro líquido foi relacionada com as composições de escória e com a pressão parcial de água na atmosfera. Foi observado que o teor de hidrogênio no ferro possui dependência linear com o teor de água na escória. No entanto, é possível variar a composição da escória e diminuir a quantidade de água que ela absorve da atmosfera e, desta forma, diminuir a quantidade de hidrogênio repassada ao metal. / During steelmaking, one of the main processes is the reduction of hydrogen levels. However, the degassing process and the final predictions of hydrogen levels in steel must presume the existence of a hydrogen pick-up factor in liquid steel, originated from different sources. This work aims to quantify, thermodynamically, the influence of one of the main contributors to the high final levels of hydrogen in steel: air humidity captured by the slag and transferred to the liquid steel. To achieve this, the thermodynamics software FactSage was used. First, the databases from FactSage were studied and the most adequate were chosen for the purpose of this work. After, the exposition of liquid ternary CaO-MgO-SiO2 and quaternary CaO-MgO-SiO2-Al2O3 slag systems to two different water pressures was simulated, to quantify the water solubility in these slags. Then, the moist slags were simulated with liquid steel and the hydrogen content transferred to the metal was analyzed. Finally, the solubility of water in slags of the system CaO-MgO-SiO2-Al2O3, with binary basicity equal to 2 and temperature of 1600 °C, was studied; the exposition of these slags to two different water pressures was simulated, under two views: considering liquid slags and slags with solid fractions. The relationship between water content in these slags and hydrogen content in steel was analyzed. Hence the influence of slags on water capture from atmosphere and transfer of hydrogen to liquid iron was related to the slag chemical compositions and to water vapor partial pressures. It was observed that hydrogen content in iron is linearly dependent on the water solubility of slags. However, according to the variation of the slag composition, it is possible to lower the quantity of water captured by the slag and therefore the steel hydrogen pick-up.

The aim of this diploma thesis was identification of urinary concrements by the infrared spectroscopy and study of conditions of formation of the most frequent urinary stones (calcium oxalates) by the thermodynamic simulation. The theoretical part of this study includes basic information about problems with urolithiasis and technique of identification of urinary concrements. Important part has been devoted to the thermodynamic simulation of formation of calcium oxalate concrements and on this simulation were determinated the conditions for formation of urinary stones. The experimental part contains analysis of real urinary concrements by the infrared spectroscopy and statistical evaluation of the file of 50 149 samples, which were analysed in years 1994 - 2010.