O aumento do custo e da demanda de energia, juntamente com a escassez de recursos não renováveis e o crescente apelo para a sustentabilidade dos processos, incentiva o desenvolvimento de equipamentos e sistemas mais eficientes mediante a otimização e o controle dos recursos energéticos disponíveis. A proposta deste trabalho consiste em estabelecer uma abordagem termodinâmica para o controle e a otimização de processos visando o aumento da eficiência na operação dos mesmos. Para tanto, foi desenvolvido um problema de controle ótimo formulado com base no critério de eficiência termodinâmica de acordo com a 2ª Lei, com o objetivo de otimizar a transição entre estados com respeito a taxa de geração de entropia do sistema, mantendo as variáveis controladas como restrições de desigualdade dependentes do tempo. A estratégia proposta, chamada COBET (controle baseado na eficiência termodinâmica), foi aplicada a uma coluna de destilação binária para controlar a pureza do destilado e do produto de fundo, manipulando a razão de refluxo e a taxa de transferência de calor do refervedor. O COBET apresentou ajuste simples, tempo computacional razoável e desempenho de controle aceitável, quando comparado com controladores convencionais. Foi proposta uma estratégia alternativa, de modo a aprimorar o COBET, chamada R-COBET, que consiste no uso de restrições adicionais que garantem que as variáveis de controle permaneçam entre o estado inicial e final. O R-COBET obteve um desempenho aceitável, menor integral do erro quadrático das variáveis de controle e maior lucro, quando comparado ao COBET. A fim de demonstrar a aplicabilidade da metodologia proposta a outras funções objetivo, uma função empírica de eficiência baseada na 1ª Lei da Termodinâmica foi determinada e utilizada no problema de controle ótimo, sujeito às mesmas restrições consideradas no controlador R-COBET. Também se aplicou a metodologia proposta a um reator CSTR com o intuito de controlar a temperatura e a concentração do produto, considerando-se o controlador na forma R-COBET, e obteve-se um desempenho similar ao do estudo da coluna de destilação. Com estas análises, concluiu-se que a metodologia proposta pode ser aplicada com sucesso a problemas de controle ótimo com estados final e inicial definidos. / The increasing demand of energy and its rising costs, in addition to the non-renewable resources depletion and to the growing interest in the sustainability in industrial processes, stimulate the development of equipment and systems that are more efficient through the control and optimization of available energy resources. The purpose of this work is to establish a thermodynamic approach to process control and optimization, in order to improve operational efficiency. To this end, it is developed in this work an optimal control problem formulated on the basis of a thermodynamic efficiency criterion, as dictated by the 2nd Law. The principle is to optimize the transition between states with respect to thermodynamic efficiency – regarded as the square of entropy generation rate – while maintaining the controlled variables as time dependent inequality constraints. The proposed strategy, called here TEBC (Thermodynamic Efficiency Based Control) was applied to a binary distillation column in order to control distillate and bottom product purities within specifications while manipulating the reflux ratio and reboiler heat transfer rate. When compared to other controllers, TEBC presented practical tuning, reasonable computational time and acceptable control performance. An alternative strategy was also proposed in order to improve TEBC, called R-TEBC, which considers additional constraints to ensure that control variables remain between the initial and final states. The R-TEBC achieved acceptable performance, smaller integral squared error in the control variables and larger profit, when compared to TEBC. In order to demonstrate the applicability of the proposed methodology to other objective functions, an empirical efficiency function was proposed for the distillation column example and used in the optimal control problem, in the form of a R-TEBC controller. Moreover, an exothermic CSTR reactor with product concentration and reactor temperature as controlled variables was also studied, using additional constraints (R-TEBC), and the results was similar to those obtained in the distillation column. With this analysis, it was concluded that the proposed methodology can be applied to optimal control problems of this kind with fixed initial and final states.

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.

Este trabalho divide-se em três partes. Na primeira parte fazemos uma breve descrição de cadeias de Markov a tempo discreto e tempo contínuo. Na segunda parte, seguindo o artigo [5], introduzimos o formalismo termodinâmico no espaço de Bernoulli com símbolos dados em um espaço métrico compacto, generalizando a teoria usual onde o espaço de estados é finito. Após, seguindo o artigo [1], introduziremos uma versão do Operador de Ruelle para cadeias de Markov a tempo contínuo. Ainda, a partir de uma função V que funcionará como uma perturbação, definiremos um operador de Ruelle modificado e, para este operador, mostraremos a existência de uma auto-função e uma auto-medida. / This work is divided in three parts. In the first one, we give a brief description of Markov chains in both discrete time and continuous time. In the second one, following the article [5], we introduce the thermodynamic formalism in the Bernoulli space with symbols in a compact metric space, generalizing the usual theory, where the space of states is finite. Then, following the article [1], we will introduce a version of Ruelle Opemtor for Markov chains in continuous time. Also, using a V function, which will be seen as a perturbation, we will define a modified Ruelle operator and, for this operator, we will show the existence of a eigenfunction and a eigenmeasure.

Nowadays, many electrical appliances are used daily. The refrigerator is one of them. Consequently, by affecting the energy used by the refrigerator, a huge amount of energy, greenhouse gases (GHG) emissions and money can be saved. It is what this thesis tries to do by applying a concept: using the cold from outside. Indeed, this report exposes the process to answer the following question: How much energy, GHG emissions and money can be saved by using the cold from outside on the refrigerating appliances? To do so, measurements have been done on a refrigerator placed in a climate chamber. The experiment procedure is inspired by the Swedish standard of energy consumption testing in order to have the most relevant results as possible. The results of the measures were then used to create a mathematical modelling. And finally, by applying the modelling at different climate of the world represented by chosen cities, calculations were made to estimate the energy, GHG emissions and money savings which can be done thanks to this concept.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:36:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 04245.pdf: 2667747 bytes, checksum: 0d0a973c2b8011a3f767e65572ac2262 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:45:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07017.pdf: 4719502 bytes, checksum: 28a724854a3b5a54707b7678f9280cb2 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:47:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:10:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07968.pdf: 6619312 bytes, checksum: eb2580302affd3cba9bfe5fd6bcf62ef (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP / FAPESP:00/03079-7

Submitted by Arilson José de Oliveira Júnior null (arilsonjr@outlook.com) on 2016-09-23T17:30:32Z No. of bitstreams: 1 dissertação-v.16_final.pdf: 5639185 bytes, checksum: 41dab40b84e40ca63b845dee1590104f (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-09-27T18:21:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveirajunior_ajo_me_bot.pdf: 5639185 bytes, checksum: 41dab40b84e40ca63b845dee1590104f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-27T18:21:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveirajunior_ajo_me_bot.pdf: 5639185 bytes, checksum: 41dab40b84e40ca63b845dee1590104f (MD5) Previous issue date: 2016-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nos países de clima tropical, como o Brasil, um dos maiores desafios para produção animal e trabalho humano são os fatores ambientais, como altas temperaturas e umidades dentro de ambientes, assim como as tipologias das instalações, muitas vezes limitantes para o desempenho produtivo. O conforto térmico e a ambiência são áreas de estudo que tem por objetivo conceder o bem-estar para indivíduos, sejam eles animais ou seres humanos. Nos dias atuais grande parte das análises de conforto térmico no meio agrícola, ressaltando às em ambientes de produção animal, utilizam índices que possibilitam a avaliação do nível de estresse térmico de um determinado local por meio de variáveis climatológicas, como o Índice de Temperatura e Umidade – ITU, Índice de Temperatura de Globo Negro e Umidade – ITGU e Índice de Temperatura Equivalente – ITEq. Semelhantemente, em locais de trabalho humano há um limite de tolerância para exposição ao calor que deve ser monitorado mediante o chamado Índice de Bulbo Úmido Termômetro de Globo – IBUTG. Para a resolução desses índices, não há atualmente um sistema computacional específico, de hardware e software, que forneça, em tempo real, a condição térmica de um ambiente. Deste modo, o presente trabalho teve por objetivo desenvolver um sistema computacional capaz de avaliar, em tempo real, o conforto térmico de instalações de produção animal e de ambientes de trabalho humano. O sistema foi desenvolvido baseado na criação de um dispositivo portátil para coleta e transmissão das variáveis climatológicas de temperatura do ar, temperatura de globo negro e umidade relativa do ar, e do desenvolvimento de um aplicativo para smartphones e tablets Android. O dispositivo portátil foi desenvolvido utilizando um microcontrolador padrão Arduino, juntamente com sensores de temperatura e umidade relativa do ar. Para o desenvolvimento do aplicativo para dispositivos móveis, foi utilizado a linguagem de programação orientada a objetos Java no ambiente de desenvolvimento integrado Android Studio. O aplicativo para dispositivos móveis e o dispositivo portátil foram aplicados em diferentes ambientes e apresentaram correta medição de variáveis climatológicas e cálculo dos índices de conforto térmico. O dispositivo portátil demonstrou ser um produto funcional na transmissão de dados para dispositivos móveis. / In tropical weather countries, such as Brazil, one of the greatest challenges for animal production and human work environments are environmental factors, among them high temperature and humidity inside of the environments, as well as the type of facilities which are limiting for productive performance. The thermal comfort and the ambience are study areas that aims the well-being of individuals, whether they are animals or humans. It is possible to define thermal comfort as the pleasant thermal sensation of the body, in which are not necessary physiological efforts to keep the body in thermal balance. Nowadays, several analysis of thermal comfort in the agriculture environment, mainly at environments of animal production, apply indexes to make it possible the evaluation of thermal stress level of a specific place through the climatological variables, for instance, the Temperature and Humidity Index – THI, Black Globe-Humidity Index – BGHI and Heat Load Index – HLI. In the same way, at places of human work, there is a tolerance limit for heat exposition that should be monitored by the known Wet-bulb Globe Temperature Index – WBGT index. Currently, for resolution of these indexes, there is not a specific computational system (hardware and software) that provides the thermal comfort of an environment in real time. Therefore, the present work aimed to develop a computational system with features to evaluate in real time the thermal comfort of facilities of animal production and human work. The system was developed based on the creation of a mobile device to collect and transmit weather variables from the air temperature, black globe temperature and relative air humidity, and also the development of an app for smartphones and tablets. The mobile device was developed using the Arduino microcontroller, along with sensors of air temperature and relative humidity. For the development of the app it was used the Java oriented object program language, with the Android integrated development environment. The app for mobile devices and the portable device were applied in different environments and both presented a correctly measurement of climatological variables and the calculating of thermal comfort indexes. The portable device proved to be a functional product in data transmission for mobile devices.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2772098 bytes, checksum: 3c1518599ff53c3339b74cffefd4da7a (MD5) Previous issue date: 2010-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work were synthesized, characterized and studied experimentally and theoretically, the compounds of general formula [MX3 (L)], where M = Sb or Bi, X = Cl, Br, L = 2,2'-bipyridine (Bpy), 1,10-phenanthroline (Phen). The synthesized compounds were characterized by elemental analysis (C, H, N, Cl and Br), thermal analysis (TG / DTA) and absorption spectroscopy in the infrared region. The results of elemental analysis suggest a stoichiometry of 1:1 salt / ligand in agreement with the stoichiometry suggested by thermogravimetric analysis. The infrared data of the ligands when compared with those of the adducts indicate a strengthening of the CC bonds, CN the aromatic ring with the coordination.The Thermochemical parameters were obtained experimentally by solution calorimetry. The enthalpy of reaction, acid-Lewis base, determined by calorimetry indicate the strongest basic character of Phen compared to metals. Enthalpies of metal-nitrogen bond follows the order of bonding strength: [BiBr3(Phen)] > [SbCl3(Phen)] > [BiBr3(Bpy)] > [SbCl3(Bpy)]. The theoretical studies were aimed to the structural properties and thermochemistry in the gas phase, through the semi-empirical PM3 method. The results of the calculations predict a geometry type distorted square pyramidal for all the adducts studied, indicating the strong influence of the lone pair of electrons of metals over distance of bond metal-nitrogen. Dipole moments are calculated in the range 10-14D, suggesting a large polar character of the compounds studied. / Nesse trabalho foram sintetizados, caracterizados e estudados experimentalmente e teoricamente, os compostos de formula geral [MX3(L)], onde M = Sb ou Bi; X= Cl, Br; L= 2,2 -bipiridina (Bpy) , 1,10-fenantrolina (Phen). Os compostos sintetizados foram caracterizados por análise elementar (C,H,N,Cl e Br), análise térmica (TG/DTA) e espectroscopia de absorção na região do infravermelho. Os resultados da analise elementar sugerem uma estequiometria de 1:1 sal/ligante em concordância com a estequiometria sugerida pela análise termogravimétrica. Os dados de infravermelho dos ligantes quando comparados com os do adutos indicam um fortalecimento das ligações CC,CN do anel aromático com a coordenação. Os parâmetros termoquímicos foram obtidos experimentalmente por calorimetria em solução. As entalpias de reação, ácido-base de Lewis, determinadas por calorimetria indicam o maior caráter básico da Phen frente aos metais estudados. Das entalpias de ligação metal-nitrogênio segue a ordem de força de ligação: [BiBr3(Phen)] > [SbCl3(Phen)] > [BiBr3(Bpy)] ] > [SbCl3(Bpy)]. Os estudos teóricos foram realizados visando as propriedades estruturais e termoquímicas em fase gasosa, através do método sem-empírico PM3. Os resultados dos cálculos predizem uma geometria do tipo pirâmide de base quadrada distorcida para todos os adutos estudados, indicando a forte influência do par de elétrons isolado dos metais sobre as distâncias de ligação metal-nitrogênio. Os momentos de dipolo calculados estão na faixa 10-14D, sugerindo um elevado caráter polar dos compostos estudados.

O aumento do custo e da demanda de energia, juntamente com a escassez de recursos não renováveis e o crescente apelo para a sustentabilidade dos processos, incentiva o desenvolvimento de equipamentos e sistemas mais eficientes mediante a otimização e o controle dos recursos energéticos disponíveis. A proposta deste trabalho consiste em estabelecer uma abordagem termodinâmica para o controle e a otimização de processos visando o aumento da eficiência na operação dos mesmos. Para tanto, foi desenvolvido um problema de controle ótimo formulado com base no critério de eficiência termodinâmica de acordo com a 2ª Lei, com o objetivo de otimizar a transição entre estados com respeito a taxa de geração de entropia do sistema, mantendo as variáveis controladas como restrições de desigualdade dependentes do tempo. A estratégia proposta, chamada COBET (controle baseado na eficiência termodinâmica), foi aplicada a uma coluna de destilação binária para controlar a pureza do destilado e do produto de fundo, manipulando a razão de refluxo e a taxa de transferência de calor do refervedor. O COBET apresentou ajuste simples, tempo computacional razoável e desempenho de controle aceitável, quando comparado com controladores convencionais. Foi proposta uma estratégia alternativa, de modo a aprimorar o COBET, chamada R-COBET, que consiste no uso de restrições adicionais que garantem que as variáveis de controle permaneçam entre o estado inicial e final. O R-COBET obteve um desempenho aceitável, menor integral do erro quadrático das variáveis de controle e maior lucro, quando comparado ao COBET. A fim de demonstrar a aplicabilidade da metodologia proposta a outras funções objetivo, uma função empírica de eficiência baseada na 1ª Lei da Termodinâmica foi determinada e utilizada no problema de controle ótimo, sujeito às mesmas restrições consideradas no controlador R-COBET. Também se aplicou a metodologia proposta a um reator CSTR com o intuito de controlar a temperatura e a concentração do produto, considerando-se o controlador na forma R-COBET, e obteve-se um desempenho similar ao do estudo da coluna de destilação. Com estas análises, concluiu-se que a metodologia proposta pode ser aplicada com sucesso a problemas de controle ótimo com estados final e inicial definidos. / The increasing demand of energy and its rising costs, in addition to the non-renewable resources depletion and to the growing interest in the sustainability in industrial processes, stimulate the development of equipment and systems that are more efficient through the control and optimization of available energy resources. The purpose of this work is to establish a thermodynamic approach to process control and optimization, in order to improve operational efficiency. To this end, it is developed in this work an optimal control problem formulated on the basis of a thermodynamic efficiency criterion, as dictated by the 2nd Law. The principle is to optimize the transition between states with respect to thermodynamic efficiency – regarded as the square of entropy generation rate – while maintaining the controlled variables as time dependent inequality constraints. The proposed strategy, called here TEBC (Thermodynamic Efficiency Based Control) was applied to a binary distillation column in order to control distillate and bottom product purities within specifications while manipulating the reflux ratio and reboiler heat transfer rate. When compared to other controllers, TEBC presented practical tuning, reasonable computational time and acceptable control performance. An alternative strategy was also proposed in order to improve TEBC, called R-TEBC, which considers additional constraints to ensure that control variables remain between the initial and final states. The R-TEBC achieved acceptable performance, smaller integral squared error in the control variables and larger profit, when compared to TEBC. In order to demonstrate the applicability of the proposed methodology to other objective functions, an empirical efficiency function was proposed for the distillation column example and used in the optimal control problem, in the form of a R-TEBC controller. Moreover, an exothermic CSTR reactor with product concentration and reactor temperature as controlled variables was also studied, using additional constraints (R-TEBC), and the results was similar to those obtained in the distillation column. With this analysis, it was concluded that the proposed methodology can be applied to optimal control problems of this kind with fixed initial and final states.