[pt] Elementos combustíveis de reatores nucleares são, em geral, constituídos por feixes de barras, através dos quais o refrigerante escoa axialmente. A confiabilidade do projeto termohidráulico destes elementos está ligada a um conhecimento detalhado do campo (principal e secundário) de velocidades. Um modelo estatístico de turbulência (K-E) é aplicado na determinação dos escoamentos principal e secundário, tensões de cisalhamento na parede e coeficiente de atrito para regime turbulento desenvolvido permanente, com fluido incompressível escoando axialmente através de feixes de barras em arranjo triangular ou quadrado. O método numérico emprega a vorticidade e a função corrente na descrição do campo de velocidades. Os resultados ovtidos estão, para diferentes números de Reynolds e diferentes razões de aspecto (P/D) de acordo com os resultados experimentais e analíticos de diversos investigadores. / [en] Reactor fuel elements generally consist of rod bundles with the coolant flowing axially through the region between the rods. The confiability of the thermohydraulic design of such elements is related to a detailed description of the velocity field. A two-equation statistical model (K-E) of turbulence is applied to compute main and secondary flow fields, wall shear stress distributions and friction factors of steady, fully developed turbulent flows, with incompressible, temperature independent fluid flowing axially through triangular or square arrays of rod bundles. The numerical procedure uses the vorticity and the stream function to describe the velocity field. Comparison with experimental and analytical data of several investigations is presented. Results are in good agreement.

Molecular simulation is applied to understanding the behaviour of alkane liquids with the eventual goal of being able to predict the viscosity of an arbitrary alkane mixture from first principles. Such prediction would have numerous scientific and industrial applications, as alkanes are the largest component of fuels, lubricants, and waxes; furthermore, they form the backbones of a myriad of organic compounds. This dissertation details the creation of a potential, a model for how the atoms and molecules in the simulation interact, based on a systematic approximation of the quantum mechanical potential energy surface using machine learning. This approximation has the advantage of producing forces and energies of nearly quantum mechanical accuracy at a tiny fraction of the usual cost. It enables accurate simulation of the large systems and long timescales required for accurate prediction of properties such as the density and viscosity. The approach is developed and tested on methane, the simplest alkane, and investigations are made into potentials for longer, more complex alkanes. The results show that the approach is promising and should be pursued further to create an accurate machine learning potential for the alkanes. It could even be extended to more complex molecular liquids in the future.

Submitted by William Justo Figueiro (williamjf) on 2015-07-20T22:41:53Z No. of bitstreams: 1 56c.pdf: 3770514 bytes, checksum: cf71b027cc3d4c64d9a8799069053dd1 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-20T22:41:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 56c.pdf: 3770514 bytes, checksum: cf71b027cc3d4c64d9a8799069053dd1 (MD5) Previous issue date: 2014-07-31 / Nenhuma / As culturas tradicionais de bactérias lácticas utilizadas para elaboração dos leites fermentados pós-acidificam mesmo em temperatura de refrigeração. Uma seleção cuidadosa poderia reduzir os impactos causados pelas falhas na cadeia do frio e melhorar a qualidade sensorial dos produtos oferecidos ao mercado consumidor. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi selecionar culturas microbianas adequadas para o laticínio, sendo que a principal característica buscada foi baixa pós-acidificação e aumento de viscosidade do iogurte e da bebida láctea. Foram avaliadas as três culturas atualmente utilizadas pelo laticínio e cinco novas culturas para os produtos bebida láctea e iogurte. Para ambas as culturas foi verificado o tempo de fermentação, a pós-acidificação quando o produto era mantido em temperatura de fermentação, além do pH e viscosidade durante o shelf life, quando o produto era resfriado à 10 e 15 °C antes do envase. Os resultados mostraram elevada pós-acidificação e baixa viscosidade para duas culturas atualmente utilizadas pela empresa, as quais foram descontinuadas. Três novas culturas apresentaram resultados satisfatórios para o objetivo proposto. Foi possível concluir que a escolha da cultura microbiana interfere fortemente na pós-acidificação e viscosidade para o produto bebida láctea e que a interferência não é tão significativa para o produto iogurte. Através da realização deste trabalho foi verificado que o shelf life da bebida láctea poderia ser aumentado de 45 para 60 dias. / The traditional cultures of lactic acid bacteria used in the preparation of fermented milk post-acidify even at refrigeration temperature. A careful selection could reduce the impacts caused by failures in the cold chain and improve the sensory quality of products offered to the consumer market. Therefore, the aim of this study was to select appropriate microbial cultures for the dairy industry, and the main feature was sought low post acidification and viscosity increase of fermented milks. The three cultures currently used in the dairy industry and five new cultures for yogurt and fermented dairy drink products were evaluated. Fermentation time was checked for both cultures, when the after acidification from the product was maintained at a temperature of fermentation, addition of pH and viscosity during the shelf life, when the product was cooled at 10 and 15 º C before packaging. The results show low viscosity and high post acidification for two currently cultures used by the company, which were discontinued. Three new cultures showed satisfactory results for the proposed objective. It was concluded that the choice of the microbial culture interferes strongly in the post acidification and viscosity for the product fermented dairy drink and that interference is not as significant for the yogurt product. Through this study it was found that the shelf life of fermented milk could be increased from 45 to 60 days.

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Many daily life products consist of mixtures of oil and water. When an immiscible material is dispersed an interface in-between the two phases is created which gives rise to rheological phenomena which can be exploited for product formulation; this is the case in products such as hand-creams and food products. Furthermore emulsions are used to transport hydrophobic materials, for example, many pharmaceuticals are injected as emulsions into the bloodstream. The performance of such products depends on their microstructure, which is determined by its formulation and how its constituents are mixed together; therefore the microstructure depends on the properties of the dispersed phases, the emulsifier used, the equipment used and its processing conditions. Emulsified products are seldom mono-dispersed due to the complex drop breakup mechanism in the turbulent fields inside the equipment in which the phases are forced together. The chaotic breakup mechanism of highly viscous dispersed phases yield complex and broad drop size distributions (DSD) as a result of the dominating viscous cohesive stresses inside the parent drop. Former studies have used the Sauter mean diameter and/or the size of the largest drop as the characteristic measure of central tendency of the DSD to correlate their results and to prove mechanistic or phenomenological models; however these parameters in isolation are insufficient to characterise the whole DSD of highly polydisperse emulsions. In this dissertation a vast amount of silicon oils of different viscosity were used as dispersed phase to study the effect of various processing conditions and formulations on the resulting DSD. The effect of several formulation and processing parameters were studied for two different mixing devices: stirred vessels and in-line high-shear mixers. (1) For stirred vessels, the effect of stirring speed, continuous phase viscosity and dispersed phase volume fraction were studied in combination with the viscosity of the dispersed phase for steady-state systems. (2) For in-line high-shear mixers a model that links batch and multi-pass continuous emulsification for multimodal DSD was derived from a transient mass balance. Processing parameters such as time and volume, flow rate and number of passes through the mixer, and stirring speed were studied for a wide dispersed phase viscosity range. The analytical methodology implemented included the use of one or more probability density functions to describe the shape of the DSD. The models proposed gave reasonable approximations of the Sauter mean diameter and allowed to study the drop size changes and the relative amount of different types of drops resulting from different breakup mechanisms.

O conhecimento de propriedades físicas de sistemas contendo compostos graxos e solventes é de grande relevância, pois essas informações são essenciais no projeto de tubulações e equipamentos, assim como na simulação e otimização de processos. A aquisição de dados em todas as condições de interesse não é viável e métodos para estimar estas propriedades são de grande importância prática. Esta tese de doutorado teve por objetivos a obtenção de dados das propriedades físicas de sistemas contendo compostos graxos; ajuste e obtenção de novos parâmetros do modelo UNIFAC-VISCO, além de realização de testes preditivos com outros modelos para fins de comparação; determinação indireta e correlação dos dados de volume molar de excesso e coeficiente de atividade na diluição infinita. Foram estudados 218 sistemas, totalizando 2404 pontos experimentais para densidade, 2404 dados de viscosidade, e 199 dados de tensão superficial. Além disso, foram obtidos dados indiretos de volume molar em excesso e coeficiente de atividade para sistemas constituídos por ésteres metílicos e acilglicerol parcial. A influência da temperatura e composição foi estudada, sendo que tanto a densidade quanto a viscosidade foram influenciadas pelos parâmetros citados. A estimativa de densidade utilizando regras de mistura apresentou desvio médio relativo (DMR) menor do que 1%, enquanto que a predição utilizando a versão adaptada do modelo GC-VOL resultou em DMR variando na faixa de 5% a 40%. Para a viscosidade, as regras de mistura proporcionaram desvios entre 0,6% a 204%, enquanto que o modelo UNIFAC-VISCO resultou em desvios em torno de 10% para predição. Para a tensão superficial, os parâmetros de um modelo baseado na Equação de Wilson foram ajustados, e a predição de sistemas multicomponentes resultou em desvios menores do que 7%. Uma equação para estimativa de composição residual foi estudada com base nos dados indiretos de volume molar em excesso e coeficiente de atividade na diluição infinita. / The knowledge of physical properties of systems formed by fatty compounds and solvents has great relevance because these information are essential for the design of equipments and optimization of processes. It is not feasible to gather an experimental database thus, prediction models become of great potential and practical value. The objective of this Ph.D. thesis was to form an experimental database of physical properties of fatty compounds systems; data adjust to obtain new parameters of the UNIFAC-VISCO model, besides performing predictive tests with other models for comparison purposes;and indirect determination and correlation of excess molar volume and activity coefficient at infinite dilution. 218 systems were studied, resulting in 2404 density data, 2404 viscosity data, and 199 surface tension data. In addition, indirect data of excess molar volume and activity coefficient were obtained for systems formed by methyl esters and partial acylglycerol. The influence of temperature and composition were studied, and both density and viscosity are influenced by the mentioned parameters. The density estimation by mixing rules resulted in average relative deviation (ARD) lower than 1%, while prediction using the GC-VOL model resulted in an ARD range of 5% - 40%. For viscosity, the mixing rules resulted in deviations from 0.6% to 204%, and the UNIFAC-VISCO model presented ARD around 10% for data prediction. For surface tension, the parameters of a Wilson\'s Equation based model were adjusted, and the prediction of multicomponent systems resulted in deviations lower than 7%. An equation for estimate the residual composition was studied based on indirect data of excess molar volume and coefficient of activity at infinite dilution.

Há uma demanda por competitividade entre as indústrias de aços, a fim de alcançar a excelência definida pelo termo clean steel. O processo de desgaseificação a vácuo (VD) ocorre durante o Refino Secundário de aços especiais. Sua principal função é remover gases indesejáveis, especialmente o hidrogênio. Entretanto, durante este processo, o fenômeno de flotação e a absorção de inclusões são reportados. O objetivo do presente trabalho foi estudar a viscosidade de escórias e a capacidade da estação de desgaseificação a vácuo do tipo tanque na limpeza de aços sob uma perspectiva industrial. Para realizar este objetivo, foram coletadas amostras de escória e aço antes e após a etapa de vácuo. Os resultados em limpeza de aço foram relacionados à energia de agitação durante o tratamento a vácuo (associada a um parâmetro cinético - βs) e ao efeito da viscosidade de escórias. É possível observar um decréscimo expressivo na população de inclusões entre as condições antes e após tratamento de desgaseificação a vácuo. A remoção de inclusões durante o vácuo atinge 64, 75 e 78% para as faixas de diâmetro de 2,5-5, 5-15 e ≥ 15 μm, respectivamente. Após o processo de desgaseificação, a composição das inclusões não-metálicas aproxima-se da composição química da escória. O processo de agitação na estação de desgaseificação a vácuo promove uma diminuição significativa na densidade de inclusões na faixa de diâmetro de 2,5-15 μm. Além disso, ao aumentar a intensidade do parâmetro cinético, a composição química de inclusões não-metálicas foi afetada e o teor de enxofre presente no aço líquido foi reduzido. Quanto às viscosidades efetiva das escórias, conclui-se que, para valores mais baixos (0,20 Pa.s) aumenta-se a capacidade da escória na remoção de inclusões, enquanto que valores mais altos (> 0,40 Pa.s) aparentaram ser prejudiciais à limpeza do aço. / There is a demand in competitiveness within the steel industry towards achieving excellence defined by clean steel term. The process of vacuum degassing (VD) occurs during the secondary refining of special steels. Its main function is to remove undesirable gases, primarily hydrogen. However, during this process, flotation phenomenon and inclusions absorption are reported. The aim of the present work was to study the slag viscosity and vacuum degassing (tank type) capacity in steel cleanliness from an industry perspective. To achieve this objective, slag and steel samples were taken before and after vacuum stage. The results in steel cleanliness were related to the stirring energy of the vacuum station (associated to a kinetic parameter – βs) and to the effect of slag viscosity. It is possible to observe an expressive decrease in the population of inclusions between the conditions before and after vacuum degassing treatment. The removal of inclusions during the vacuum stage reaches 64, 75 and 78% in the diameter ranges of 2,5-5, 5-15 and ≥ 15 μm, respectively. After the degassing process, the composition of non-metallic inclusions seemed to approach the slags’ chemical compositions. The stirring process in the vacuum degassing station promotes a significant decrease in the inclusion density with 2,5-15 μm diameter range. Also, by increasing the kinetic parameter intensity, the composition of non-metallic inclusions was affected. The sulfur content present in liquid steel was reduced. Regarding the effective viscosities of slags, it was concluded that lower values (0,20 Pa.s) increased slag capacity in inclusion removal, whereas higher values (> 0,40 Pa.s) was detrimental to steel cleanliness.

O conhecimento de propriedades de transporte de misturas a diferentes pressões e temperaturas é importante em projetos, operação, controle e otimização de processos industriais. Nestes processos, frequentemente, o fluido é uma mistura binária ou multicomponente de hidrocarbonetos, como fluidos de petróleo. Propriedades experimentais de misturas, especialmente, a viscosidade absoluta como função de temperatura e pressão, podem fornecer importantes informações sobre o comportamento do fluido em diferentes composições e são usadas no desenvolvimento de modelos e correlações e na caracterização de misturas complexas. Diversas regras de mistura têm sido propostas na literatura para cálculo de viscosidade de misturas. Estas regras de mistura preveem o comportamento da mistura à pressão atmosférica usando propriedades dos componentes puros. Porém, em diversas aplicações é necessário estimar a viscosidade de misturas a altas pressões. Neste estudo, foram avaliadas regras de mistura comumente usadas como Refutas, Fator de Mistura, Índice de Mistura, Grunberg e Nissan, Kendall-Monroe e Eyring bem como Aditividade Molar, usando dados de viscosidade experimental de misturas em altas pressões. Inicialmente, foram realizadas medidas de viscosidade absoluta para a mistura altamente assimétrica de ciclohexano e n-hexadecano na faixa de temperatura entre (318,15 a 413,15) K e pressões até 62,053 MPa e, para este sistema, um modelo foi proposto para cálculo dos componentes puros para dada temperatura e pressão. Além disso, dados experimentais de viscosidade de trinta misturas cujos componentes diferem em forma, tamanho ou flexibilidade foram selecionados na literatura e modelados empregando-se regras de mistura. As viscosidades das misturas foram estimadas a partir de dados de viscosidade experimental dos componentes puros medidos nas mesmas temperaturas e pressões. A altas pressões, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura apresentaram os melhores resultados para todos os sistemas estudados. Mesmo para moléculas bastante assimétricas, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura podem ser usados. / The knowledge of transport properties of mixtures at different pressures and temperatures is important in design, operation, control and optimization of industrial process. In these processes, often, the fluid system is a binary or multicomponent mixture of hydrocarbons such as petroleum fluids. The experimental properties of mixtures, specially, the dynamic viscosity as a function the temperature and pressure, can provide valuable information about the fluid behavior at different compositions and are useful in developing models and correlations and in the characterization of complex mixtures. Several mixing rules have been proposed in the literature for calculating viscosity of mixtures. These mixing rules predict mixture behavior mainly at atmospheric pressure using pure component properties. However, in several important applications it is necessary to estimate the viscosity of blends at high pressures. In this work, were evaluate the performance of several commonly used mixing models like Refutas, Factor Mixing and Index Mixing, Grunberg and Nissan, Kendall-Monroe and Eyring as well as linear Molar Additivity, using experimental viscosity data of mixtures at high pressures. Initially, the absolute viscosities for the highly asymmetric mixture of cyclohexane and n-hexadecane were measured in the temperature range of (318.15 to 413.15) K and pressures up to 62.053 MPa and for this system, a satisfactorily model is proposed for calculating of pure components viscosities for given temperature and pressure. Also, viscosity data of thirty mixtures, whose components differ in molecular shape, size or flexibility, were selected and were modeled employing mixing. The mixture viscosities were estimated by all the mixing rules using experimental viscosity of pure components measured at the same temperature and pressure. At high pressures, Refutas, Factor Mixing and Index Mixing showed the best results for all systems studied. For very asymmetric systems, Refutas, Factor Mixing and Index Mixing can be used.

Orientador: Ulisses Rocha Antuniassi / Banca: Otavio Jorge Gricoli Abi Saab / Banca: Marco Antonio Gandolfo / Banca: Carlos Gilberto Raetano / Banca: Paulo Roberto Arbex Silva / Resumo: A alta demanda por agrotóxicos pelos sistemas de produção agrícola, aliada ao possível uso inadequado desses produtos, torna a deriva um dos maiores problemas potenciais da agricultura atual, e a escolha correta de adjuvantes pode ser uma das alternativas para minimizar os impactos negativos causados pela deriva nas pulverizações. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar o efeito proporcionado por diferentes grupos de adjuvantes nas propriedades físicas e químicas das soluções, no espectro de gotas, bem como no potencial do risco de deriva quantificado em túnel de vento, como forma de auxiliar na escolha correta desses produtos para melhor utilização nas aplicações de agrotóxicos. Foram selecionados 18 adjuvantes comumente utilizados em misturas com agrotóxicos em pulverizações agrícolas, avaliando-se as propriedades físicas e químicas dos mesmos em soluções aquosas (viscosidade, densidade, tensão superficial e condutividade elétrica), o espectro de gotas e o potencial de deriva medido em túnel de vento. O experimento foi composto de 33 tratamentos, tendo a água como testemunha adicional, resultantes da diluição dos adjuvantes em diferentes concentrações, com três repetições. Para os ensaios em túnel de vento e análise de espectro de gotas foi utilizada uma ponta de pulverização XR8003 VK na pressão de 200 kPa, gerando um padrão de gotas médias. A deriva foi coletada no túnel de vento com fluxo de ar na velocidade de 2 m s-1. O corante Azul Brilhante a 0,6% (m v-1) foi utilizado como marcador para todas as soluções pulverizadas visando a quantificação da deriva por espectrofotometria. Os resultados mostraram que a adição de adjuvantes alterou as propriedades físicas e químicas das soluções aquosas em diferentes magnitudes, dependendo da concentração utilizada. Os surfatantes organosilicones... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Due to the high demand for pesticide by the agricultural systems and the possible inadequate use of the products, drift became one of the biggest concerns of the modern agriculture, and the correct use of adjuvants may be one of the possible alternatives to minimize the negative impact of spray operations. This study was developed to evaluate the effect of different adjuvants on physical and chemical properties of spray solutions, droplets spectra as well as drift potential measured in wind tunnel, aiming the correct choice of adjuvants to improve efficiency in pesticide application. For this purpose 18 commercially available agricultural spray adjuvants were selected including products usually mixed up with pesticides in the sprayer tank. The evaluation included physical and chemical properties of spray solutions (viscosity, density, surface tension and electric conductivity), droplets spectra and drift risk potential measured in wind tunnel. The experiment was set up with 33 treatments (solutions) obtained from 18 adjuvants used in different concentrations with 3 replications, including pure water as a standard. For wind tunnel tests and droplet spectra analysis it was used a Teejet XR8003 flat fan nozzles at 200 kPa (medium droplets) and all solutions were mixed up with a food color dye (Blue FDC) at 0,6% m v-1 for spectrophotometry analysis of drift deposits on the wind tunnel. The results showed that the addition of adjuvants changed physical and chemical properties of spray solutions in different magnitudes according to the product concentration. The organosilicon surfactants (Silwet 0.1% e 0.2% and BreakThru 0,1%) had the lowest values for surface tension, while the drift retardant based polymers (Define 0,06% e 0,12%) had the highest values for viscosity and density. There was high correlation between the Volume Median Diameter (VMD) and percentage of droplets smaller... (Completo abstract click electronic access below) / Doutor

Dados experimentais de algumas propriedades de componentes do biodiesel nÃo podem ser obtidos experimentalmente ou sÃo escassos. Com isso, a utilizaÃÃo de mÃtodos preditivos torna-se fundamental para o cÃlculo de propriedades fÃsicas e termodinÃmicas de Ãsteres que compÃem o biodiesel. Neste trabalho, foram avaliados mÃtodos para o cÃlculo de propriedades crÃticas e do fator acÃntrico atravÃs do cÃlculo da densidade utilizando a equaÃÃo de Rackett-Soave. MÃtodos para o cÃlculo da temperatura normal de fusÃo e temperatura normal de ebuliÃÃo tambÃm foram avaliados. Os mÃtodos avaliados para a temperatura normal de fusÃo nÃo apresentaram bons resultados, com isso correlaÃÃes para esta propriedade foram propostas. TrÃs versÃes do mÃtodo GCVOL foram avaliadas, juntamente com a equaÃÃo de Rackett-Soave, para o cÃlculo da densidade de biodiesel. As quatro equaÃÃes apresentaram-se satisfatÃrias. PorÃm, a equaÃÃo de Rackett-Soave foi a Ãnica que apresentou comportamento fisicamente consistente para a densidade a altas temperaturas. A partir disso, a equaÃÃo de Rackett-Soave foi estendida para altas pressÃes. Dois modelos baseados no princÃpio dos estados correspondentes (Carmo1F e Carmo2F) foram propostos para a prediÃÃo de viscosidade de Ãsteres e biodiesel. O modelo de Ceriani tambÃm foi avaliado. Os modelos Carmo1F e Carmo2F apresentaram bons resultados para a viscosidade de biodiesel. No entanto, para Ãsteres o modelo de Carmo1F nÃo apresentou bons resultado e por isso nÃo deve ser utilizado para esse tipo de composto. O modelo de Carmo2F apresentou bons resultados apenas para Ãsteres saturados. O modelo de Ceriani apresentou bons resultados para Ãsteres, mas resultados piores que os modelos de Carmo1F e Carmo2F foram encontrados para biodiesel. AlÃm disso, quatro mÃtodos de contribuiÃÃo de grupos para o coeficiente de atividade foram avaliados para sistemas de equilÃbrio lÃquido-lÃquido contendo biodiesel + glicerol + Ãlcool (metanol ou etanol). Os mÃtodos que apresentaram as melhores prediÃÃes foram o UNIFAC-Dortmund e ASOG. Por isso, eles sÃo os mÃtodos indicados para a simulaÃÃo de equilÃbrio lÃquido-lÃquido de sistemas contendo biodiesel. / Experimental data for some properties of biodiesel components cannot be obtained or are scarce. Therefore predictive methods are fundamental tools for calculating physical and thermodynamic properties of esters in biodiesel. In this work, methods for critical properties and acentric factor were evaluated by the Rackett-Soave for density calculations. Methods for freezing temperature and boiling temperature have also been evaluated. Freezing temperature methods did not present good results. Therefore correlations were proposed for this property. Three versions of GCVOL method and the Rackett-Soave equation were evaluated for biodiesel density predictions. These four models presented satisfactory results. However, Rackett-Soave equation was the only that presented a physically consistent behavior for the density at high temperatures. Thereat, Rackett-Soave equation was extended to high pressures. Two models based on corresponding states principle (Carmo1F and Carmo2F) were proposed for viscosity predictions of esters and biodiesel. The Cerianiâs model was evaluated too. Carmo1F and Carmo2F models obtained good results for biodiesel viscosity. However, the Carmo1F model did not present good results for esters and, for this reason, this model should not be used for these components. The Carmo2F model presented good predictions for saturated esters viscosity. The Cerianiâs model presented good results for ester, but in comparison to Carmo1F and Carmo2F models, worse results have been obtained for biodiesel. Furthermore, four group contributions methods for activity coefficient were evaluated for liquid-liquid equilibrium systems composed of biodiesel + glycerol + alcohol (methanol or ethanol). The models that have output the best predictions were the UNIFAC-Dortmund and ASOG models. As such, these two models are recommended to simulated liquid-liquid equilibrium of biodiesel containing systems.