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Estudo numérico de unidades de armazenamento de energia térmica com materiais de mudança de fase para a termorregulação de painéis fotovoltaicos

Palavras-chave: Armazenamento de energia,Energia fotovoltaica

O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento, validação e exploração de um modelo numérico, baseado no método da capacidade calorífica equivalente, para simular a transferência de calor com mudança de fase sólido-líquido em cavidades de secção retangular preenchidas com materiais de mudança de fase (PCMs) microencapsulados. Para efeitos de validação e calibração, consideram-se os resultados experimentais publicados por Soares et al. [1,2]. Pretende-se também avaliar numericamente a influência da incorporação de uma unidade de armazenamento de energia (UAE) com PCMs na termorregulação de um painel fotovoltaico (PV). O objetivo é melhorar a eficiência do sistema na conversão de energia solar em energia elétrica. Usando um modelo bidimensional em regime transiente, foi simulado o aquecimento e o arrefecimento do PCM microecapsulado Micronal - Micronal DS 5001 X. Assumiu-se um modelo puramente difusivo, onde a condução é o único mecanismo de transferência de calor, associado à mudança de fase. No sentido de avaliar o efeito da incorporação de alhetas metálicas no domínio do PCM, foram consideradas UAE com 1, 5 e 15 cavidades, tendo-se calculado o tempo de fusão/solidificação e a energia armazenada/restituída pelo PCM para cada caso de estudo. Relativamente às fases de aquecimento, verificou-se que o tempo de fusão do PCM é semelhante para as unidades de 1 e 5 cavidades. Na fase de arrefecimento, constatou-se que o tempo de solidificação diminui de forma progressiva à medida que o número de cavidades da UAE aumenta. Os resultados numéricos obtidos mostraram estar de acordo com os resultados medidos experimentalmente [1,2]. Comparando a evolução da temperatura das células PV num sistema PV convencional e num sistema PV/PCM (com PCMs), observou-se o efeito termorregulador desejado no sistema com a UAE durante as horas de maior radiação solar. Para um dia típico de Verão em Coimbra, verificou-se que a espessura ideal da cavidade retangular da UAE colocada na parte posterior do PV/PCM é de 3 cm.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
A moagem e a produção de derivados de grafite a partir de elétrodos, para aplicações em engenharia mecânica

Palavras-chave: Grafeno,Moinho de Bolas,Exfoliação mecânica,Elétrodos de Grafite,Economia Circular,Compósitos,Graphene,Ball Milling,Mechanical Exfoliation,Graphite Electrodes,Circular Economy,Composites

O presente estudo tem como base o conceito de economia circular. O principal objetivo é o desenvolvimento de técnicas de exfoliação para transformação de elétrodos de grafite em derivados de grafite ou grafeno, que sejam possíveis de ser industrializados. Foram estudados vários processos exfoliativos, com principal atenção na exfoliação com recurso a moinho de bolas. Neste foram testadas várias hipóteses de modo a obter um resultado o mais próximo possível do grafeno. Os materiais foram caracterizados através de diferentes técnicas. As mais relevantes são a espetroscopia de Raman e microscopia eletrónica de transmissão. A exfoliação com recurso a moinho de bolas em meio líquido na presença de dióxido de carbono foi a técnica que produziu melhores resultados, sendo possível a visualização de grafeno multicamada nas imagens de microscopia eletrónica de transmissão. A matéria-prima obtida terá como destino o reforço de compósitos poliméricos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Medição da tensão superficial em escoamento desenvolvido numa conduta de secção variável

Palavras-chave: Tensão superficial,Medição,Condutas,Escoamento

O trabalho desenvolvido teve como objetivo a medição da tensão superficial (tensão parietal), com recurso ao tubo de Preston, num escoamento desenvolvido no interior duma conduta de secção retangular variável. Uma vez realizadas medições da tensão superficial e da diferença de pressão média na sonda de Irwin, foi possível calibrar estas sondas, em condições de gradientes de pressão nulo e diferente de zero. Para a medição da tensão superficial, através do tubo de Preston, recorreu-se à curva de calibração de Patel, sendo que a única equação utilizada dessa curva foi aquela cujos valores do parâmetro x* variam entre 2,9 e 5,6 e os valores do parâmetro y* variam entre 1,5 e 3,5. Foram estudados três casos: (i) gradiente de pressão nulo, (ii) gradiente de pressão favorável e (iii) gradiente de pressão desfavorável. Para os casos em que os gradientes de pressão não eram nulos, foram estudadas, para cada caso, três configurações diferentes. Para cada um dos casos testados, a tensão superficial é calculada para diversos caudais, concluindo-se que, para o mesmo caso, a tensão superficial aumenta com o caudal. Na presença de gradientes de pressão favoráveis o valor da tensão superficial também é superior ao registado em gradientes de pressão desfavoráveis.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Estudo de sustentabilidade energética e ambiental de um edifício residencial de arquitetura não convencional: earthship

Palavras-chave: Eficiência energética,Habitação colectiva,Desempenho térmico de edifícios

Este trabalho descreve a investigação e análise de desempenho energético de uma arquitetura não convencional, com origem e desenvolvida nos EUA há cerca de 40 anos, conhecida como Earthship, um conceito onde se reivindica que não é necessário recorrer a sistemas ativos de aquecimento e arrefecimento. Com este estudo pretende verificar-se a viabilidade de sustentabilidade e eficiência energética e ambiental de um edifício residencial e apurar se, com este tipo de construção, é possível garantir o conforto térmico, respeitando, para o coeficiente de transmissão térmica, U, os requisitos da legislação em vigor em Portugal. Nesta dissertação foi elaborado um modelo de cálculo de resistências térmicas e coeficiente de transmissão térmica de elementos construtivos não homogéneos para verificação perante a legislação. Recorreu-se a um software de simulação dinâmica de edifícios, o Energy Plus, de forma a ser realizada uma previsão do comportamento térmico da habitação para o clima de Arganil. Foi criado um modelo de estudo que segue os princípios e características desta tecnologia de construção, onde foram analisados os contributos para uma melhor eficiência energética, as características de design, os detalhes e os pormenores construtivos. O modelo criado para o cálculo de resistências térmicas dos elementos não homogéneos mostra que uma parede com garrafas tem um coeficiente de transmissão térmica inferior a uma parede com latas e que ambas, com isolamento pelo exterior, respeitam os valores de referência, para o U, da legislação, para paredes exteriores. As simulações energéticas apresentam algum sobreaquecimento no verão, apesar de durante o período de ocupação, nos quartos, se verificarem temperaturas de conforto térmico e no inverno haver necessidade de recorrer a um sistema de aquecimento. Em dias de meia estação, enquanto que em setembro as temperaturas estão dentro dos parâmetros de conforto, em março há necessidade de aquecimento nos quartos, nos períodos noturnos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Monitorização de indicadores de desempenho de produção: um caso de estudo na indústria alimentar

Palavras-chave: Indústria alimentar,Produtividade,Gestão da produção

O propósito desta dissertação é apresentar os conhecimentos adquiridos numa indústria alimentar que utiliza a metodologia OEE para medir e melhorar a sua eficiência produtiva. Nesta dissertação demonstram-se os benefícios e os múltiplos pareceres que da análise advêm. Também se realça a importância da monitorização desta ferramenta. Para se retirarem julgamentos corretos sobre a eficiência produtiva, é necessário interpretar os resultados tendo em conta as particularidades dos indicadores e certas informações em paralelo.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Análise e melhoria dos processos de gestão de lamas de depuração de efluentes líquidos

Palavras-chave: Gestão de lamas,Lamas residuais,Valorização de resíduos

Este trabalho de dissertação foi integrado num estágio curricular efetuado na Bioenergias, uma empresa de gestão de lamas de depuração de efluentes líquidos. O principal objetivo deste estudo foi a análise do modelo de gestão de lamas implementado na Bioenergias, procurando encontrar pontos de melhoria. É apresentado o enquadramento técnico-legal do processo de gestão de lamas e descrito o modelo de gestão adotado pela Bioenergias. Cerca de 81% (w/w) das lamas recebidas pela empresa são valorizadas diretamente na agricultura. Deste modo, é necessário que as caraterísticas das lamas e dos solos de explorações agrícolas sejam conhecidas, bem como as culturas a desenvolver para calcular as quantidades a aplicar por unidade de área. As restantes lamas (cerca de 19%) são encaminhadas para compostagem numa empresa externa. De modo a avaliar a influência dos processos de tratamento na ETAR nas caraterísticas das lamas de depuração, procedeu-se à avaliação de diferentes amostras recolhidas em diversos pontos do processo (ETAR do Choupal). Os resultados mostraram um aumento de 18% de sólidos totais e uma redução 16% do teor de sólidos voláteis após a digestão anaeróbia e estabilização das lamas, bem como uma diminuição da fitotoxicidade, revelando a importância do processo de estabilização para a valorização agrícola. Quantificou-se ainda o potencial energético de lamas de uma indústria de reciclagem de plástico (LRP), determinando o poder calorífico superior (PCS). O valor obtido foi 8464 kJ/kg para a amostra tal qual. Quando fracionada, a fração fina apresentou 5551 kJ/kg e fração grosseira 12157 kJ/kg. Desta forma, pode ter interesse para a Bioenergias considerar a possibilidade de fracionamento das LRP, dado que a fração grosseira tem maior PCS. Globalmente, foi possível concluir que o modelo de gestão da Bioenergias é adequado à sua atividade, mas que pode ser melhorado, designadamente com a instalação de um sistema de secagem de lamas, a instalação de uma unidade de compostagem e a implementação de um método expedito de cálculo da quantidade de lamas a aplicar num solo específico.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Análise das condições higrotérmicas em espaços da Biblioteca Geral da Universidade de Coimbra

Palavras-chave: Condições higrotérmicas,Condições climáticas exteriores,Temperatura (T),Humidade relativa (HR),Conservação

Esta tese foi realizada no decorrer de um protocolo criado entre a ADAI (Associacao para o Desenvolvimento da Aerodinamica Industrial) e a Biblioteca da Universidade de Coimbra, com o objectivo de analisar as condicoes de temperatura e humidade verificadas em cinco espacos do edificio da Biblioteca Geral da Universidade de Coimbra: a Sala de Sao Pedro, o Deposito de Manuscritos, o Exterior e o Interior da Casa Forte e a Sala de Leitura. Para analisar estes parametros recorreu-se a medicoes atraves de um sensor higrotermico, a pesagem de jornais e a formulas matematicas, que com a observacao das condicoes de cada local foi possivel fazer uma avaliacao global das condicoes do edificio. Com esta analise avaliou-se o desempenho que o edificio apresenta para a preservacao de acervos bibliograficos. A principal conclusao e que o edificio apresenta algumas variacoes interiores de Temperatura e Humidade Relativa que correlacionam-se directamente com as condicoes climaticas exteriores, provocando valores extremos e flutuacoes elevadas desses parametros. Isto justifica-se devido as condicoes da estrutura do edificio. No entanto, com algumas medidas de melhoramento sera possivel minimizar esse efeito.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Caracterização do Ambiente Interior na Casa-Forte da Biblioteca Geral da Universidade de Coimbra

Palavras-chave: Condições higrotérmicas,Conservação,Humidade relativa,Preservação,Temperatura,Hygrothermal conditions,Conservation,Relative humidity,Preservation,Temperature

Esta dissertação foi realizada no âmbito de um protocolo criado entre a Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial (ADAI) e a Biblioteca Geral da Universidade de Coimbra (BGUC), com o objectivo de analisar as condições higrotérmicas existentes na Casa-Forte da BGUC. A conservação dos acervos bibliográficos no interior da Casa-Forte, devido ao seu valor histórico, tem preocupado os responsáveis pela BGUC. A sua constante deterioração e instabilidade incentivaram a realização de um estudo aos parâmetros ambientais deste local, tais como humidade relativa e temperatura, pois sabe-se que esses parâmetros são os principais responsáveis pela deterioração dos arquivos em papel, propiciando também o desenvolvimento de microrganismos e o surgimento de insectos e até roedores. Nos últimos anos têm existido alguns estudos para determinar os principais factores de degradação do papel e para definir quais as condições óptimas para a sua preservação. Quanto à temperatura e humidade relativa existe alguma concordância entre a gama de valores favoráveis à conservação dos acervos. Sendo assim, os níveis de temperatura devem situar-se entre os 18 e os 22 ºC e a humidade relativa entre 50 a 60%. Após a conclusão do estudo realizado, verificou-se que as condições no interior da Casa-Forte não são boas para a preservação uma vez que foram detectados valores altos de humidade relativa durante o período de observação, quando comparados com os valores tidos como referência. Quanto à temperatura, esta apresenta um comportamento térmico razoável tanto com o equipamento AVAC ligado como desligado.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Estudo de Micro-Turbinas de vapor do tipo scroll

Palavras-chave: Turbina scroll,Velocidade de rotação,Eficiência energética

Esta dissertação é dedicada ao estudo de turbinas scroll para um projecto de I&D de uma  caldeira doméstica a gás de micro-cogeração baseada no ciclo de Rankine.   Começa-se por evidenciar os tipos de turbinas scroll que existem e os seus princípios de  funcionamento. Prossegue-se com o estudo da geometria das volutas.   No capítulo da Cinemática foi estudado, sob duas perspectivas diferentes, o trajecto de  uma massa de vapor através da turbina scroll. Como complemento, apresenta-se uma  figura que explica o ciclo de trabalho de forma esclarecedora e enriquecida relativamente à  bibliografia. Descrevem-se, ainda, os principais mecanismos de fugas de vapor das várias  câmaras, que afectam significativamente a eficiência energética da turbina.   A dinâmica da turbina é alvo de um estudo mais complexo, no capítulo correspondente,  envolvendo um modelo físico-matemático desenvolvido e validado para uma turbina  comercial particular, por Wang et al. (2011a,b).   Por fim, com o objectivo de definir e analisar as grandezas e curvas características e de  propor a definição de vários rendimentos para a turbina, recorreu-se a experiências  realizadas por Wang et al. (2011b).

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Análise da influência da inércia térmica no desempenho energético dos edifícios de serviços

Palavras-chave: Inércia Térmica,Eficiência Termica em Edificios

Uma parte significativa dos custos associados ao funcionamento de um edifício de serviços deve-se aos gastos de energia com a climatização. Assim sendo, a necessidade da sua redução torna-se importante no sentido da poupança de energia e claro está, na  poupança monetária.   De entre as várias características construtivas de um edifício com influência no seu consumo de energia para climatização destacam-se a sua “arquitectura solar passiva”, a  área, propriedades, orientação solar e sombreamentos dos envidraçados, a área e o  coeficiente de transferência superficial das soluções construtivas e a inércia térmica do  edifício. Este trabalho tem como objectivo caracterizar o comportamento energético de um  edifício de serviços quando sujeito a diferentes tipos de construção em termos de inércia  térmica, tentando assim verificar se existe um nível de inércia mais adequado para cada  tipo de uso do edifício.   Para execução deste estudo foram considerados dois edifícios de serviços com  utilizações muito distintas, um com ocupação permanente (um lar de idosos) e outro com  ocupação intermitente (um supermercado). Para cada edifício, através da alteração das  soluções construtivas, foram implementadas três classes de inércia (forte, média e fraca).  Foi ainda estudada a influência da existência ou não de arrefecimento gratuito (freecooling) e de recuperação do calor contido no ar de rejeição. Para a realização destetrabalho recorreu-se ao software de simulação do comportamento energético de edifícios EnergyPlus.   A análise de resultados foi efectuada com base nos consumos anuais de energia  para climatização e nas suas componentes para aquecimento e para arrefecimento.  Considerou-se que cada edifício poderia ter inércia térmica forte, média ou fraca e que em  todos estes casos poderia existir ou não freecooling ou recuperação de calor do ar de  rejeição ou ambos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Veículo Eléctrico de Duas Rodas de Elevado Desempenho

Palavras-chave: Veículo eléctrico,Energeticamente eficiente,Urbanização crescente,Poluição,Veículo eléctrico de duas rodas,Congestionamento

Com esta dissertação pretende-se provar que o veículo eléctrico de duas rodas constitui a via energeticamente mais eficiente para o transporte de pessoas.   As mudanças climáticas, a escalada do preço do petróleo e as crises sucessivas da indústria automóvel e da economia, colocaram uma pressão significativa sobre o sector de  transportes actuais. A urbanização crescente em muitas regiões, a autonomia e eficiência  crescentes dos veículos eléctricos, levaram ao acelerar da penetração deste meio de  transporte em contexto urbano. Problemas de poluição e congestionamento decorrentes do  intenso tráfego urbano deram lugar a uma maior atenção ao veículo eléctrico, mais propriamente ao de duas rodas.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Shot Peening Control Process

Palavras-chave: Grenalhagem,Tensões residuais,Difracção de raios X

O trabalho que se apresenta nesta tese foi realizado âmbito do comportamento  mecânico de materiais e superfícies, nomeadamente na determinação de tensões  residuais induzidas por tratamentos mecânicos superficiais, como é o caso da  grenalhagem de pré-tensão.   O objectivo principal do trabalho realizado foi a análise estatística dos  resultados das medições obtidas com a técnica de difração de raios-X em dentes de  engrenagens tratadas por grenalhagem para aferir da homogeneidade do tratamento  em toda a engrenagem. Assim, no futuro, será possível diminuir o trabalho de  medida necessário à análise das tensões residuais introduzidas na superfície dos  dentados, tratados por este tipo de tratamento mecânico de superfícies. Estes  tratamentos são usualmente usados pelos fabricantes de forma a aumentar a  resistência à fadiga superficial dos dentes das engrenagens e, por essa via, aumentar  o seu desempenho e tempo de vida.   Para cumprir o objectivo do trabalho, foram retirados dentes de rodas dentadas  de posições distintas e as tensões residuais foram medidas por difracção de raios-X,  tanto à superfície, como em profundidade.   Além disso, a microestrutura do material foi analisada em pontos equivalentes  e a dureza foi medida de forma a avaliar-se a profundidade afectada pelo tratamento  de grenalhagem.   Os resultados obtidos foram tratados estatisticamente através de quatro  processos distintos e os resultados parecem indicar que futuramente se poderá reduzir  significativamente o tempo e os custos de medida.   Este trabalho foi realizado no laboratório de análise de tensões residuais da  Universidade de Kassel no âmbito de um trabalho para a indústria. No presente caso,  as engrenagens analisadas foram fabricadas pela Ford e o objectivo do trabalho  encomendado foi verificar a qualidade final dos tratamentos superficiais realizados.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Caracterização experimental e computacional da zona de recirculação no rasto de uma colina sujeita à erosão por acção do vento

Palavras-chave: colina,tensão tangencial,zona de recirculação

Apresenta-se um estudo da caracterização experimental e computacional do  escoamento na zona de recirculação no rasto de uma colina sujeita à erosão por acção  do vento. O trabalho refere-se à realização de ensaios laboratoriais efectuados em túnel  aerodinâmico, e a simulação numérica executada com o programa de modelação  computacional CFX.  Os modelos das colinas estudadas são descritos por uma equação sinusoidal,  tendo-se realizado ensaios para o caso de uma colina isolada ou disposta em tandem  com uma segunda similar para diferentes velocidades do escoamento não perturbado,  8.3 e 9.1 m/s. Para a interacção entre colinas estudaram-se várias distâncias entre estas,  0e H, sendo H a altura da colina.  As colinas foram equipadas com sondas de medição da tensão tangencial, a  partir das quais foi possível obter a distribuição deste parâmetro, ao longo da sua  superfície.   Com a colocação de fios de lã ao longo da colina e a jusante desta estuda-se  a topologia do escoamento. Estes ensaios permitiram a medir a localização do ponto de  separação e recolamento do escoamento. Mediante a utilização de uma sonda de sete  furos foi possível estudar a estrutura da zona de recirculação e o perfil de velocidade em  torno da colina.   Para a simulação numérica foram feitos testes de independência de malha, e o estudo da sensibilidade de vários parâmetros que influenciam o escoamento em torno da colina. Uma vez realizadas as simulações comparam-se os resultados obtidos com os dados experimentais.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Avaliação pelo método dos elementos finitos das cargas críticas de "Bending-Buckling".

Palavras-chave: Flambagem em Flexão,Materiais Compósitos,Elementos Finitos

Na última década, a utilização de materiais compósitos na indústria aeroespacial  tem aumentado consideravelmente. A sua aplicação deixou de ser unicamente em  componentes secundários, tais como superfícies de controlo de voo, e passou a ser na construção da estrutura do avião.   O conhecimento das cargas críticas é essencial no projecto estrutural dos  componentes, como por exemplo de uma aeronave, nomeadamente, na previsão da  intensidade dos ventos laterais que a asa pode suportar sem entrar em rotura.   O Bending Buckling, ou seja, flambagem em flexão, ocorre quando a deformação atinge um nível crítico e a estrutura fica instável fazendo com que surjam deslocamentos fora do plano de solicitação que, inclusivamente, são superiores aos  deslocamentos verificados no plano.   Nesta sequência, e dado o facto de ainda não se encontrar disponível na  literatura referências significativas do efeito conjunto Bending-Buckling em materiais  compósitos, surge esta dissertação com o objectivo de determinar o valor da carga  crítica para a qual ocorre esse efeito, através do software VABS e DYMORE, pela  análise de elementos finitos.   Neste caso em concreto, serão analisados laminados compósitos com diferentes  orientações, de matriz orgânica, nomeadamente matriz termoendurecível em epóxido, reforçada com fibras contínuas de vidro-E.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias