Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor João Bernardo Lares Moreira de Campos

Este trabalho tem por objetivo estimar as emissões atmosféricas da Usina Termoelétrica Jacui I, a qual está sendo construída em Eldorado Sul-RS e que deverá entrar em operação em 1992. / This work aims at foreseing atmospheric emissions from an hypothetical thermoeletric power plant, Jacui I, which is assumed to begin activities by 1992.

Uma das principais preocupações dos pesquisadores na otimização do par combustível motor é a de encontrar a velocidade de propagação da chama em motores de combustão interna, sendo de importância fundamental para esta definição o avanço de ignição, a relação de compressão, e a relação ar/combustível. Sabendo-se que, quanto maior a velocidade de propagação, menor deverá ser o trabalho negativo necessário para comprimir a mistura antes do ponto morto superior, e conseqüentemente maior deverá ser a eficiência do ciclo, foram ensaiados 5 relações ar/combustível e 3 relações de compressão, para 5 diferentes combustíveis de composição química conhecida. Para o combustível gás natural veicular realizou-se a análise de emissões dos resíduos de combustão, cujos resultados demonstram variações significativas entre as medidas de tempo, a ignição do combustível e a máxima variação de pressão na câmara de combustão, em um motor CFR (Cooperative Fuel Research). As medidas do tempo de combustão foram realizadas utilizando-se combustíveis líquidos oxigenados como o metil terc butil éter (MTBE), terc amil etil éter (TAEE) e a gasolina comum, e não oxigenados como o isooctano e como combustível gasoso o GNV (gás natural veicular), em função da relação de compressão e razão de mistura ar + combustível. Os resultados obtidos indicaram que os combustíveis de cadeias ramificadas e combustíveis oxigenados apresentam menores velocidades de propagação da chama na câmara de combustão. Verificou-se um acréscimo na velocidade de combustão entre os diversos combustíveis ensaiados, que mostrou-se diretamente proporcional à relação de compressão. Comprovou-se a existência de uma variação da velocidade de combustão devido as variações da relação ar + combustível, onde esta passa por um valor máximo próximo a lambda 0,9 para os combustíveis líquidos e 1 para o gás natural veicular, tendo seu valor reduzido para relações de mistura ar + combustível diferentes destes valores até tornar-se instável. / Essential considerations from researcher that works on the motor-fuel optimization problem, is find out the best flame speed from internal combustion engines. To establish this propagation speed is essential to know: the ignition advancement, the compression link, and the air/fuel relation. As higher as the ignition speed, lower is the need of a negative work to compress the mixture before the top dead center, and than the best cyclic efficiency point. Five relations air/fuel, at three different compression rate where tested, for five different fuel types, with a known chemical composition. For the vehicle natural gas, the combustion residue remaining for the emission was also analyzed, and the results are presented on this paper. The analytical results allow us to demonstrate deep variations between the time table, the fuel ignition and the maximum pressure variation inside the internal combustion chamber on a CFR engine (Cooperative Fuel Research). The combustion time table data were acquired on a high oxygen liquid metil terc butil éter (MTBE) and terc amil etil éter (TAEE) fuels, on a normal gasoline, on no oxygen isooctano fuel, and on a vehicle fuel gas as GNV (natural gas), as a function of the relation in between the compression and the air/fuel mixture proportion. The lab results expressed that the branched of chains and high oxygen fuel have lower speed flame propagation inside the combustion chambers. A speed up on the combustion fuel tested could be appraised, and shows that have a strait and direct proportional connection with the compression rate. We could confirm a speed variation on the combustion connected with the air + fuel relation, giving evidences that the high values are near the lambda 0.9 value for the liquid fuels and near 1.0 for the natural gas, that have a reduction on the values for different air + fuel relations till an instable point.

O presente trabalho constitui o projeto e a construção de um motor de combustão interna de êmbolo rotativo, idealizado pela empresa M.I.T. (Miranda Inovações Tecnológicas), no qual buscou-se, por analise teórica e comparação com outras máquinas identificar as reais possibilidades das inovações sugeridas, tanto no aspecto funcional quanto no construtivo. A investigação visou descrever e explicar o embasamento teórico sobre o qual foi pensado o motor, as diversas inovações propostas e as peculiaridades construtivas em relação ao que é atualmente produzido. Dentre as novidades pode-se destacar a configuração escolhido para o motor, o formato das câmaras de combustão e, principalmente, o sistema de vedação proposto. Este último usa a chamada vedação por labirinto (tipo de vedação que se vale da perda de pressão que ocorre em um fluído após sucessivas expansões e compressões), no local do sistema tradicional (que veda através do contato físico entre os elementos de selagem e os componentes do motor). Para que fosse possível operacionalizar, ainda que teoricamente, este tipo de vedação, praticamente todo o estudo do motor concentrou-se sobre este ponto. O projeto e a construção de dois protótipos do motor expõem as dificuldades envolvidas na produção de uma máquina com as características propostas, mesmo quando são desconsideradas diversas variáveis (como custo de produção e peso final), e visa-se apenas criar as condições necessárias para que o motor possa ser confeccionado com a máxima confiabilidade possível em relação as soluções estudadas para conseguir demonstrar, quando testado, a sua real potencialidade. As alternativas propostas pelo motor MIT parecem bastante promissoras porém, por tratar-se de uma máquina que apresenta diversos inovações, estudos mais aprofundados deverão ser feitos para melhor entender aspectos fundamentais de seu funcionamento. Entretanto a questão mais importante, e que diferencia este motor, é o sistema de vedação das câmaras de trabalho, portanto compreender a influência do formato e dimensão do labirinto, da distância deste da parede da câmara de trabalho, da velocidade do êmbolo e outros fatores que afetem o seu desempenho pode ser essencial para viabiliza-lo tecnicamente. / The present work describes the project and construction of rotary piston internal combustion engine, designed by MIT ( “Miranda Inovações Tecnológicas”) company, with the purpose of, through theoretical analysis and the comparison with other machines, identifying the real possibilities of the suggested innovations, considering both functional and constructive aspects. The investigation aimed at describing and explaining the theoretical basis on which the engine was idealized, the various innovations proposed and the constructive peculiarities in relation with what is being nowadays produced. Among the novelties, special attention can be given to the configuration that was chosen for the engine, the format of the combustion chambers and, mainly, the proposed sealing system. The latter uses the so-called labyrinth sealing (kind of sealing that uses the loss of pressure that occurs in a fluid after the gas successively compressing and expanding) in the place of the traditional system (which seals through physical contact between the sealing elements and the engine components). In order to make this kind of sealing operational, even if theoretically, nearly all the study of the engine was focused on this point. The project and construction of two engine prototypes reports the difficulties involved in the production of a machine with the characteristics proposed, even when many variables are not considered (such as cost of production and final weight) and it is aimed only at creating the necessary conditions to build the engine with the most possible reliability with regards to the solutions studied so that, when it is tested, its real potentiality can be demonstrated. The alternative proposed by the MIT engine seems to be very promising but, due to the fact that it is a machine presenting several innovations, it should be more thoroughly studied so there can be a better understanding of essential aspects of its functioning. However, the most important point and which differentiates this engine is the system of sealing the work chambers. As a consequence, understanding the influence of the format and dimension of the labyrinth, of the distance between the labyrinth and the work chamber wall, of the piston speed and other factors which can affect the performance of the engine may be essential to make it technically feasible.

As ferramentas de simulação numérica têm evoluído consideravelmente nos últimos vinte anos e aproximam-se cada vez mais do dia a dia das soluções de Engenharia, fornecendo diversas funcionalidades que o Engenheiro pode implementar para a previsão de fenômenos, antes exclusivamente compreendidos experimentalmente. Mesmo sendo muito úteis e razoavelmente compreensíveis para os usuários, estas ferramentas não compreendem toda a gama de adaptações necessárias para resolver casos específicos, e podem trazer prejuízos à compreensão do problema e até uma solução errônea do caso em questão. O objetivo do presente trabalho é utilizar uma ferramenta comercial de simulação numérica para a solução de dois casos de escoamentos reativos. Visa também discutir criticamente a solução obtida e apresentar uma maneira de aplicar os conhecimentos adquiridos na simulação de uma câmara de combustão real. O primeiro estudo de caso é uma câmara cilíndrica experimentada e apresentada em 1994 por Garreton e Simonin. Trata-se de um caso semelhante a fornalhas de aquecimento d’água e em processos com caldeiras fumotubulares. O queimador é de jatos concêntricos utilizando gás natural e ar atmosférico como reagentes. Uma análise das soluções obtidas com diferentes modelos de turbulência é realizada e discutida para uma segunda abordagem, onde a influência das condições de contorno do domínio e dos modelos de radiação são abordadas. O segundo estudo de caso é a câmara de combustão experimentada por Meier, 2000. A geometria e condições do caso assemelham-se a de combustores de turbinas a gás, incineradores e fornos industriais. O caso apresenta um escoamento muito turbulento e instável, de gás natural e ar atmosférico. Uma discussão sobre a metodologia de solução deste problema é feita para explorar os pontos comuns a soluções de combustores industriais, como por exemplo, o de um forno secador de minério rotativo. Os diferentes resultados numéricos obtidos nos dois casos mostram que todos os modelos geram resultados pelo menos qualitativamente coerentes, mas apresentam erros numéricos razoáveis. A partir da discussão dos resultados apresenta-se uma proposta de modelagem para um caso prático envolvendo uma geometria mais complexa, e apontam-se os pontos de risco para análise dos resultados. / Numerical simulation tools have reasonably evolved in the last twenty years and are getting increasingly closer to routine Engineering solutions, providing features that the Engineer can use to predict phenomena that were previously only experimentally understood. Despite being useful and easy-to-understand, these tools do not include all adaptations required to solve specific cases, leading to misunderstanding of the problem and even to wrong solutions. The present study aimed at using a commercial CFD code for the solution of two reacting flow cases, critically discussing the solutions and presenting an application of acquired the knowledge in simulations of real combustion chambers. The first case study was a cylindrical chamber, tested and presented in 1994 by Garreton and Simonin, which is similar to water-heating boilers and parallel tube furnaces. The burner uses concentric jets, with natural gas and atmospheric air as reactants. An analysis of the obtained solutions applying different turbulence models was carried out, and the solutions were discussed in a second approach on boundary conditions and radiation transfer models. The second case study was the combustion chamber tested by Meier, 2000. Its geometry and boundary conditions are similar to those of gas turbine combustors, incinerators, and industrial furnaces. The chamber presents a strongly turbulent and unstable flow of natural gas and atmospheric air. The methodology to solve this problem was discussed, considering issues also found in solutions for industrial burners, such as those used in mineral rotatory dryers. The different numerical results obtained in both cases show that all models provide at least qualitatively coherent results, but present numerical errors. Based on the discussion of the results, a proposal for modeling a practical case involving a much more complex geometry is presented, and risk issues for further result analysis are pointed out.

Este trabalho tem por objetivo estimar as emissões atmosféricas da Usina Termoelétrica Jacui I, a qual está sendo construída em Eldorado Sul-RS e que deverá entrar em operação em 1992. / This work aims at foreseing atmospheric emissions from an hypothetical thermoeletric power plant, Jacui I, which is assumed to begin activities by 1992.

Neste trabalho, objetivou-se produzir catalisadores a partir de fibras cerâmicas de óxido de cério (céria) usando o método de electrospinning e o estudo da influência de diferentes morfologias dos produtos formados na reação de combustão catalítica do metano. No processo experimental, foi preparada uma solução com os precursores nitrato de cério hexahidratado e acetato de cobre em álcool etílico e uma solução de PVB – polivinilbutiral na concentração 10% em álcool etílico. Para a produção das fibras, variaram-se parâmetros tais como distância de 100mm e 130mm entre os eletrodos e diâmetro externo dos capilares de 1,0 e 1,2mm, com a intenção de variar a morfologia das fibras obtidas. A voltagem do equipamento foi ajustada em 13,5kV e vazão da solução fixada em 0,8ml/h. As fibras foram calcinadas a 600°C com taxa de aquecimento de 1,4°C/min., por 15 minutos.A caracterização das fibras foi feita por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (ATG) e determinação da área superficial utilizando o método Brunauer-Emmet-Teller (BET). Antes do tratamento térmico, as fibras possuíam diâmetros entre 0,29 a 0,63μm. Após esse tratamento, observou-se uma redução de aproximadamente 40% no diâmetro da fibra. A área superficial específica das fibras após o tratamento térmico variou entre 14,0 a 34,5 m2/g. Os ensaios catalíticos mostraram que as fibras possuem atividade catalítica, reduzindo a emissão de CO e NOx. / This study aimed to produce catalysts from cerium oxide fibers using the electrospinning method and evaluate the influence of different morphologies of the obtained products in the catalytic activity during the combustion of methane. In the experimental procedure, a solution was prepared using as precursors cerium nitrate hexahydrate, copper acetate, ethanol and a solution of polyvinylbutyral (10 wt% in ethanol). With the intention of varying the morphology of the fibers two parameters of the electrospinning process was changed: the distance between the electrodes (100 and 130mm) and the capillary diameter (1.0 an 1.2 mm). During the electrospinning process the voltage was set to 13.5 kV and the solution flow rate was set to 0.8 mL/h. The obtained fibers were heat treated at 600 °C with a heating rate of 1.4 °C/min for 15 minutes. Fiber characterization was performed using scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA) and the specific surface area was determinate using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. Before the heat treatment the fibers had diameters between 0.29 to 0.63 μm. After the treatment, there was an approximately 40% reduction in fiber diameter. The specific surface area of the fibers after heat treatment ranged from 14.0 to 34.5 m2/g. The catalytic tests showed that the fibers have good catalytic activity, reducing the emission of CO and NOx during the combustion of methane.

AQUINO, J. F. S. Estudo do comportamento de vidros em função da temperatura para uso como substrato em aplicações fotovoltaicas e estudo teórico de um pirolisador. 2014. 103 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-03-05T11:58:37Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_jfsaquino.pdf: 2028404 bytes, checksum: a761431ab024d6fcaeff88903cf0981e (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-03-24T11:24:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_jfsaquino.pdf: 2028404 bytes, checksum: a761431ab024d6fcaeff88903cf0981e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-24T11:24:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_jfsaquino.pdf: 2028404 bytes, checksum: a761431ab024d6fcaeff88903cf0981e (MD5) Previous issue date: 2014-08-26 / The use of a glass substrate for use in photovoltaic system is very common, however, the substrates are subjected to high temperatures as in the case of obtaining glass covered with SnO2 (tin dioxide), where the operating temperature reaches values close to 600 ° C. Thus, a study of the glass expansion behavior with different thicknesses under temperature of 600 ° C was conducted in order to observe the influence of the same glass used as substrates, and thus, prevent possible defects cracks and broken glass inside the oven. Besides the study associated with the glass, a theoretical design of a pyrolyzer with these characteristics has been designed for obtaining layers of SnO2 on the glass, adding innovations such as the use of natural gas burning in porous media as heat source and the use of a pyrolyzer to replace the resistive furnaces. / O uso de substrato de vidro para ser utilizado em sistema fotovoltaico é muito comum, no entanto, os substratos são submetidos a elevadas temperaturas como no caso de obtenção de vidro recoberto com SnO2 (dióxido de estanho), onde a temperatura de operação atinge valores próximos a 600ºC. Desta forma, um estudo do comportamento da dilatação do vidro em diferentes espessuras e sob a temperatura de 600ºC foi realizado com o objetivo de observar a influência dos mesmos nos vidros utilizados como substratos e, assim, prevenir os possíveis defeitos de trinca e quebra de vidro dentro do forno. Além do estudo associado ao vidro, um projeto teórico de um pirolisador com essas características foi idealizado para a obtenção das camadas de SnO2 sobre o vidro, agregando inovações como o uso de gás natural queimando em meio poroso como fonte de calor e o uso de um pirolisador para substituir os fornos resistivos.

Submitted by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-06-08T18:52:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Vanessa Pereira HOMOLOGAR.pdf: 2308655 bytes, checksum: 49d6d9607bdf33eb64733ffa46465cfb (MD5) / Approved for entry into archive by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-06-20T18:32:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação Vanessa Pereira HOMOLOGAR.pdf: 2308655 bytes, checksum: 49d6d9607bdf33eb64733ffa46465cfb (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-20T18:32:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação Vanessa Pereira HOMOLOGAR.pdf: 2308655 bytes, checksum: 49d6d9607bdf33eb64733ffa46465cfb (MD5) / Catalisadores do tipo perovskita, LaMnO3, foram sintetizados pelos métodos citrato e coprecipitação. Parte destes materiais foi suportado em γ-alumina ou impregnados por via úmida com Pd e/ou Sn na concentração de 1% em massa. Os catalisadores foram avaliados na reação de combustão total do metano, tendo a sua atividade medida através de reação superficial termoprogramada (TPSR). Como padrão de comparação, sintetizou-se também uma amostra de referência de PdO/γ-Al2O3. As amostras foram caracterizadas por análise termogravimétrica (ATG), difração de raios X (DRX) e tiveram a sua área superficial medida por BET. As amostras contendo paládio foram ainda analisadas na reação de oxidação a temperatura programada (TPO) de modo a determinar a estabilidade das fases PdO presentes nestes materiais. Todas as amostras se apresentaram ativas para a reação de combustão do metano, sendo os materiais oriundos da rota citrato superiores aos materiais coprecipitados. A adição de paládio, mesmo em baixa concentração, mostrou-se positiva para a atividade catalítica, ao contrário do estanho, que resultou numa redução na conversão de metano final para estes materiais