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Orientador: Antonio Carlos Luz Lisboa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os reatores de leito fluidizado são uma das mais importantes tecnologias atuais para processos heterogêneos gás-sólido, tanto catalíticos como não catalíticos. As aplicações industriais mais importantes incluem o craqueamento catalítico na indústria petroquímica, a combustão e/ou gaseificação de carvão, biomassa e resíduos sólidos. Estes são importantes processos para a geração de energia, produção de combustíveis e gás de síntese. Um dos tipos de reatores de leito fluidizado mais relevante é o reator de fluxo ascendente conhecido como riser. Este reator consiste de uma coluna tubular na qual o sólido e o gás escoam co-correntes de forma ascendente. Em comparação com outras tecnologias, o reator riser tem uma importante desvantagem: uma distribuição de tempos de residência variada no reator que reduz a conversão e a seletividade. Recentemente cresceu o interesse por outro tipo de reator gás-sólido circulante que possui melhor desempenho que o reator riser. Neste tipo de reator, conhecido como downer, por oposição ao riser, o escoamento co-corrente gás-sólido ocorre de forma descendente, o que lhe outorga características fluidodinâmicas que se assemelham mais ao escoamento tipo pistão e permitem um melhor controle da conversão, da seletividade e da desativação. O objetivo deste trabalho é estudar a simulação de reatores gás-sólido tipo downer, incorporando modelos fluidodinâmicos com modelos de engenharia das reações químicas e catalíticas. Desenvolve-se, de forma geral, a modelagem dos diferentes fenômenos fluidodinâmicos, físico-químicos e catalíticos que ocorrem no reator e são propostos algoritmos de solução para diferentes situações. Posteriormente, aplica-se o modelo proposto do reator downer ao estudo de um caso industrial: o craqueamento catalítico. Os resultados mostram um enfoque geral aplicável para a modelagem e simulação de sistemas de reações gás-sólido em fluxo descendente. As simulações do processo industrial de craqueamento catalítico revelam que o reator tipo downer apresenta características de desempenho que o fazem superior ao reator tipo riser convencional. Abstract: The fluidized bed reactor is one of the most important technologies for gas-solid heterogeneous operations, considering catalytic or non catalytic processes. The most important industrial applications include catalytic cracking, coal combustion and biomass combustion. The most relevant fluidized bed reactor is the ascendant flow reactor, which is known as riser. The riser reactor consist of a tubular column in which the solid and the gas flow cocurrently upward. The riser reactor has as main disadvantage a wide residence time distribution, which reduce the conversion and the selectivity. Recently, it has grown the interest in a new type of gas-solid circulating reactor with a better performance than the riser which is known as downer. In this reactor the gas and the solid flow cocurrently downward, creating hydrodynamic features comparable to a plug flow reactor and allowing a better control over the conversion, the selectivity and the deactivation. This work regarded it had been studied the simulation of the gas-solid downer reactor, including hydrodynamic models and models from the chemical reaction engineering. It was developed in a general way the modelling of the hydrodynamic, physical chemical and catalytic phenomena occurring in the reactor. Algorithms were proposed to solve of different simulation cases. The proposed model of the downer reactor was used in the studying of one industrial case: the catalytic cracking. The results show a general approach which is applicable for modelling and simulation of gas-solid reactive system with descendent flow. The simulations of the catalytic cracking show that the downer reactor has features that make it perform better than the conventional riser reactor. Mestrado Engenharia de Processos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Arai Augusta Bernardez Pecora Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo deste trabalho é avaliar as emissões de óxidos de nitrogênio (NO + NO2) durante a combustão de carvão mineral com adição de calcário dolomítico como adsorvente em leito fluidizado circulante (LFC). As variáveis de influência estudadas foram o excesso de ar, que variou entre 18 e 32 %, e a relação molar cálcio enxofre (Ca/S) que variou entre 0 e 2. A quantificação das emissões de NOx foi realizada em condições de regime estacionário através da técnica de detecção por infravermelho não dispersivo (NDIR). Perfis de temperatura e pressão foram medidos durante a realização dos experimentos. A combustão foi mantida a uma temperatura média do riser de 840 ºC e velocidade superficial do gás próxima de 9 m.s-1. Utilizou-se um Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para o planejamento dos experimentos mediante determinação das variáveis de influência e seus limites de operação. Um total de treze experimentos foram realizados, sendo onze deles relativos ao planejamento experimental. A influência do parâmetro relação molar Ca/S foi mais significativa quando comparada à influência do excesso de ar. O aumento da razão Ca/S provocou acréscimo nas emissões de NOx, enquanto a redução do excesso de ar provocou a diminuição das emissões. Os resultados obtidos nesta pesquisa apontam para uma região de otimização, buscando-se a minimização das emissões de NOx que pode ser alcançada pela utilização de valores baixos de excesso de ar (18 %) e relação Ca/S de 0,6, uma vez que para relações maiores, a emissão de SO2 foi praticamente nula, destacando o elevado poder de remoção do enxofre por este calcário. Abstract: This work reports an experimental study concerning NOx emissions from brazilian coal combustion with limestone addition in circulating fluidized bed as a function of operational parameters excess air (18 to 32 %) and Ca/S molar ratio (0 to 2). The NOx concentration was achieved at steady state operation through a non-dispersive infrared (NDIR) detection technique. Profiles of temperature and pressure were measured. Bed temperature around 840 ºC and superficial gas velocity around 9 m.s-1 were conditions maintained at the experiments. Central Composite Rotational Design has been used for planning the experiments according to the knowledge of influence variables on combustion process and its operational limits. A total of thirteen experiments were carried out. The influence of Ca/S molar ratio on NOx emissions was greater than air excess influence. Increasing Ca/S molar ratio it was observed tha NOx emissions also rise, meanwhile decreasing air excess factor leds a reduction on NOx emissions. Results pointed to a optimizing area, seeking to minimize NOx concentrations that can be achieved with low air excess (18 %) and Ca/S molar ratio of 0.6, since for larger ratios, the SOx emissions was insignificant, highlighting the limestone's high efficiency to sulfur capture. Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Radiadores automotivos são trocadores de calor utilizados em sistemas de arrefecimento dos motores de combustão interna de veículos de pequeno e de grande porte. Dependendo da maneira como acontece o transporte da energia térmica para o ambiente, os radiadores podem influenciar a eficiência do motor, alterando a composição de gases do efeito estufa e outros poluentes atmosféricos, bem como a economia no consumo de combustível. Dados experimentais do rendimento térmico de radiadores automotivos, principalmente daqueles instalados em veículos pesados, são pouco relatados na literatura. Nesse contexto, o presente estudo projeta, instala e avalia experimentalmente uma bancada estacionária para a análise do desempenho térmico de um radiador de caminhão, utilizando água a temperaturas de entrada variáveis para ser arrefecida com diferentes velocidades da corrente de ar atmosférico. Os resultados do desempenho térmico do radiador testado na bancada estacionária concebida foram confrontados com simulações realizadas a partir de modelo matemático disponível na literatura e com dados experimentais reportados por outros pesquisadores, obtendo-se resultados satisfatórios. A pesquisa contribui no aprofundamento do conhecimento relacionado à caracterização operacional de radiadores modernos, especificamente, daqueles que possuem aletas com venezianas simétricas, uma configuração que reduz o peso, aumenta a troca térmica com o ambiente e diminui a perda de pressão durante o escoamento do ar. Automotive radiators are heat exchangers used in cooling systems of internal combustion engines of large and small vehicles. Depending on which way the transport of the thermal energy to the radiator´s surrounding occurs, the engine’s efficiency, the exhaust gas emission and the fuel consumption could be influenced. Experimental data of automotive radiator performance, mainly of those installed in heavy duty vehicles, are poorly reported in the literature. In this context, the present work brings the design, assembly and experimental assessment of a stationary bench system to study the thermal performance of a truck´s radiator that uses water heated up to different temperatures to be cooled by using room air crossing at several velocities. Results related to the thermal performance of the radiator were in agreement with simulations obtained from a mathematical model available in the literature as well as with experimental data previously reported by other authors. The experimental apparatus here assembled and tested looks for to contribute in knowing further about the operation of modern radiators that have fins with symmetrical louvers in their configuration, increasing the heat exchange with surroundings and decreasing both the weight and the pressure drop during the passage of the cooling air flow.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A produção industrial de combustíveis a partir de fontes orgânicas pode seguir por diferentes rotas térmicas como a hidrogenação, gaseificação e pirólise. A pirólise é amplamente utilizada na indústria, como na carbonização de biomassas, na conversão do petróleo e do carvão mineral. Na pirólise, a matéria prima sofre um conjunto de reações químicas que são induzidas termicamente na ausência parcial ou total de oxigênio. A pirólise poderia ser uma rota viável para a redução de impactos ambientais devido a descartes de polímeros. No entanto, a grande variedade polimérica e a presença de elementos de adição e de cargas de reforços trazem desafios ao controle de processo. Este trabalho estudou os efeitos de parâmetros térmicos sobre a pirólise de resíduos do tipo Polietileno/Alumínio metálico (PE/Al). Parâmetros cinéticos foram avaliados em função da taxa de aquecimento entre 10 e 40 °C.min-1 e de possível efeito catalítico da carga metálica sobre a taxa de conversão do polímero. Um modelo cinético isoconversional foi aplicado sobre os resultados de Termogravimetria (TG) e de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC). Parâmetros cinéticos da conversão térmica do compósito PE/Al foram avaliados de forma comparativa com filmes de polietileno (PE) sem alumínio, extraído quimicamente do material. Pela Termogravimetria (TG) determinou-se que a conversão da massa de ambas as amostras, com e sem alumínio, ocorreu em uma única etapa de volatilização e que o seu máximo era diretamente proporcional à taxa de aquecimento. O produto da pirólise do PE/Al apresentou somente o material inerte enquanto o material orgânico se volatizou (cerca de 92,5% da massa inicial), fração destinada para fins energéticos. Foram determinadas as energias de ativação das diferentes amostras pelo método isoconversional de Starink, em que se obteve (153,8±13,3) e (76,8±3,6) kJ.mol-1 para o PE e PE/Al, respectivamente. A redução do valor da energia de ativação para o PE/Al, comparado ao PE, demonstrou neste presente trabalho a influência catalítica da presença do alumínio metálico na pirólise dessa classe de materiais. Industrial production of fuels from organic sources may follow different thermal routes such as hydrogenation, gasification and pyrolysis. Pyrolysis is widely used in industry, such as carbonization of biomass, conversion of petroleum and coal. In pyrolysis, the raw material undergoes a set of chemical reactions that are thermally induced in the partial or total absence of oxygen. Pyrolysis could be a viable route for reducing environmental impacts from polymer waste. However, the wide polymeric variety and the presence of fillers and reinforcement loads pose challenges to process control. This work studied the effects of thermal parameters on the pyrolysis of polyethylene/metallic aluminum (PE / Al) residues. Kinetic parameters were evaluated as a function of the heating rate between 10 and 40 ° C.min-1 and the possible catalytic effect of the metal charge on the polymer conversion rate. An isoconversional kinetic model was applied to the results of Thermogravimetry (TG) and Differential Exploratory Calorimetry (DSC). Thermal conversion kinetic parameters of the PE/Al composite were compared comparatively with non-aluminum polyethylene (PE) films chemically extracted from the material. Thermogravimetry (TG) determined that the mass conversion of both samples, with and without aluminum, occurred in a single volatilization step and that its maximum was directly proportional to the heating rate. The PE / Al pyrolysis product presented only the inert material while the organic material became volatile (about 92,5% of the initial mass), a fraction intended for energy purposes. The activation energies of the different samples were determined by the Starink isoconversional method, which obtained (153.8 ± 13.3) and (76.8 ± 3.6) kJ.mol-1 for PE and PE/Al, respectively. The reduction of the activation energy value for PE / Al, compared to PE, demonstrated in the present work the catalytic influence of the presence of metallic aluminum in the pyrolysis of this class of materials.

A caracterização da fluidodinâmica no interior de sistemas de leito fluidizado circulante (LFC), seja para a melhoria no rendimento dos processos atuais, ou para o desenvolvimento de novas aplicações, tem siso objeto de estudo de pesquisadores. Em especial, esforços têm sido dedicados ao estudo dos dispositivos de reciclagem dos sólidos utilizados nestes sistemas, devido à sua forte influência sobre a intensidade do trânsito das partículas e na distribuição do inventário do leito ao longo do circuito de fluidização. Assim, tendo em vista a necessidade de aprofundar o conhecimento operacional destes dispositivos, analisou-se no presente estudo o efeito promovido pelo modo de aeração de uma válvula loop-seal do tipo U sobre o comportamento de variáveis operacionais de uma unidade de LFC. Para isso, testes experimentais na temperatura ambiente foram realizados em um equipamento de LFC construído em escala de laboratório, utilizando aeração vertical nos modos mono e bicâmara na base da válvula de reciclagem dos sólidos. Fixando-se a velocidade de fluidização no riser e o tamanho médio das partículas do leito (areia quartzosa), verificou-se a influência dos modos de aeração acima escritos sobre o perfil de pressão estática, a distribuição do inventário de leito e a taxa de circulação dos sólidos transportados pelo circuito de fluidização em função do modo e da taxa de injeção de ar aplicada nas câmeras de alimentação e de reciclagem da válvula loop-seal. O tratamento dos dados incluiu uma análise de variância (ANOVA), a fim de verificar a significância dos efeitos ocasionados pelos modos de aeração utilizados na válvula loop-seal nas condições experimentais testadas. Sob operação nos diferentes modos de aeração analisados, os resultados indicaram taxas crescentes de circulação dos sólidos na faixa de 15 kg/m².s a 46 kg/m2.s, quando o número de fluidização na válvula loop-seal variou de 1,4 a 2,5. Observou-se que o modo de aeração não afetou o valor médio do GS ao nível de confiança de 95%. No entanto, foram identificadas diferenças significativas na queda de pressão nos componentes riser, standpipe/câmara de alimentação e câmara de reciclagem em relação ao modo de aeração usado. Nesse sentido, com o aumento da taxa de aeração, os dois primeiros componentes acima descritos experimentaram um aumento na queda de pressão, enquanto que, no terceiro, houve uma diminuição devido ao acréscimo na porosidade do leito no local. O ciclone não sofreu variação significativa na queda de pressão em qualquer modo e taxa de aeração, sugerindo a não dependência deste em relação à taxa de circulação de sólidos promovida no sistema de LFC. The study of the hydrodynamics behavior inside CFB units either to improve the performance of current processes or to develop new applications still deserves the attention of researchers. In particular, efforts have been devoted to the study of solids recycling devices because of their strong influence on the intensity of the particle circulation, the pressure drop and the distribution of the bed inventory along the fluidization loop. The present study aimed to analyze the effect promoted by the aeration mode of an U-type loop-seal valve on the hydrodynamics behavior of a CFB system. For this, experimental runs under room temperature conditions were performed in a bench-scale CFB unit using vertical chamber aeration in mono and dual modes at the base of the solids recycling valve. By keeping constant both the superficial fluidization velocity at the riser and the bed mass loaded with particles of quartz sand, the study analyzes the influence of the aeration modes applied on the loop-seal valve on the static pressure profile, the bed inventory distribution and the solids circulation rate as a function of the air injection rate used in the supply and/or the recycle chamber. An analysis of variance (ANOVA) is also included in order to verify the significance of the effects caused by the aeration modes used in the loopseal valve under the experimental conditions tested. Under operation in the different aeration modes analyzed, the results indicated increasing solids flow rates in the range of 15 kg/m².s to 46 kg/m2 .s, when the fluidization number in the loop-seal valve ranged from 1.4 to 2.5. It was observed that the aeration mode did not affect the mean GS value at the 95% confidence level. However, significant differences were observed in the pressure drop in the riser, standpipe/supply chamber and recycle chamber components compared to the aeration mode used. In this sense, with the increase of the aeration rate, the first two components described above experienced an increase in the pressure drop, while in the third one there was a decrease due to the increase in the porosity of the bed in the place. The cyclone did not undergo significant variation in the pressure drop in any mode and aeration rate, suggesting the non-dependence of this in relation to the rate of solids circulation promoted in the LFC system.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A tecnologia de leito fluidizado circulante (LFC) encontra-se em contínua expansão no mundo, sendo utilizada com reconhecido sucesso na produção de energia térmica e elétrica, na indústria petroquímica e de mineração. O estudo das características fluidodinâmicas do escoamento multifásico desenvolvido no interior de um sistema de LFC, principalmente por intermédio de ferramentas de fluidodinâmica computacional, tem se mostrado um meio eficaz para identificar potenciais melhorias relacionadas ao projeto de componentes e estabelecer as condições operacionais mais adequadas em aplicações específicas. Mesmo sendo foco de muitas pesquisas, percebe-se a existência de lacunas na modelagem integrada dos sistemas de LFC, isto é, com todos os seus componentes interligados em operação simultânea. Neste sentido, não há claridade na descrição do regime friccional das partículas, na avaliação das interações entre a fase sólida e as paredes, e na análise dos efeitos produzidos por escolhas nas condições de contorno das válvulas de recirculação do tipo loop-seal, usualmente simplificadas na literatura. Assim, visando contribuir para a compreensão do escoamento gás-partícula em unidades de LFC, este trabalho investiga, via método dos volumes finitos e por intermédio do programa computacional ANSYS® Fluent® v. 18.0, a influência da modelagem matemática, e da escolha de condições de contorno e operacionais, sobre a fluidodinâmica de um sistema de LFC com todos os seus componentes. Os principais resultados obtidos mostraram que o modelo de regime friccional de Johnson e Jackson, de 1987, associado ao valor de fração volumétrica crítica de sólidos igual a 0,61, representou melhor o comportamento fluidodinâmico do circuito, quando comparado com o modelo de Schaeffer, de 1987, especialmente na válvula loop-seal, onde o leito de partículas é muito denso. Dos modelos de arrasto testados, o de Syamlal-O’Brien, de 1989, parametrizado para condições de mínima fluidização, foi o que reproduziu de forma mais coerente o fenômeno do arrasto; todavia, vale-se ressaltar que todos os modelos testados superestimaram a interação entre as fases. O coeficiente de especularidade mais próximo de 0 gerou melhores resultados do que o usualmente empregado em simulações de sistemas integrados de LFC, sendo esse 0,6. Adicionalmente, os modelos se mostraram sensíveis às mudanças nas condições de contorno testadas. Por fim, percebeu-se que a metodologia de investigação adotada, que consistiu não só da verificação dos resultados do ponto de vista quantitativo, mas também qualitativo, foi imprescindível para a identificação das configurações computacionais que representassem de forma mais coerente a física do problema do escoamento gás-sólido no interior dos sistemas de LFC. Circulating fluidized beds (CFBs) are systems widely spread worldwide, and successfully applied in thermal and power generation, petrochemical and mining industries. The study of the multiphase flow hydrodynamics in CFB units, mainly by using computational fluid dynamics tools, has been recognized as an effective way to identify improvements in their components as well as in the operating conditions of either current processes or new applications. Although many works have already been published on such systems, some gaps about modeling them as an integrated equipment still remain. In this sense, there is not clarity about describing the friction regime for the particles, the assessment of interactions between the solid phase and walls, and the analysis on the effects produced by choosing particular boundary conditions in the loop-seal valve, which are usually simplified in the literature. So, in order to contribute for understanding better the behavior of the gas-solid flow in CFB systems, this research applies the finite volume method by means the ANSYS® Fluent® v. 18.0 software to analyze the influence of the mathematical modeling, as well as the choice of boundary and operational conditions on the hydrodynamics of an integrated bench-scale CFB system. The results showed that the Johnson and Jackson friction regime model applied along with a critical solid volume fraction of 0,61 led to better description of the gas-solid flow inside the CFB loop when compared to that obtained with the Schaeffer model, especially in the loop-seal region, where the bed of particles is denser. In regard of the drag models here tested, the Syamlal-O'Brien model parameterized for conditions of minimum fluidization came out the more coherent results for describing the drag phenomenon; however, it is worth to point out that all models overestimated the interaction between the gas and solid phases. On the other hand, simulations carried out using specularity coefficient closer to 0 brought better results than those employing the value of 0.6, which is usually considered for integrated CFB systems. Additionally, the models were sensitive to changes in the boundary conditions imposed on the loop-seal valve. Finally, it was noticed that the methodology here adopted, which was based not only on a quantitative analysis but also on a qualitative one contributed to identify computational modeling configurations that got to describe in a more coherent way the physics of the gas-solid flow inside of CFB systems.

Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Nanofluidos, que são suspensões de nanopartículas em fluido-base, têm sido considerados potenciais líquidos de arrefecimento, devido à sua condutividade térmica em alguns casos superior à de líquidos convencionais. Este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho do nanofluido de ouro como líquido de arrefecimento, em um trocador de calor de casco e tubo helicoidal (TCCTH), utilizando-se água como fluido quente. Realizaram-se testes de transferência de calor com água e com nanofluido de ouro, em diferentes condições do sistema, visando-se conhecer, a partir de planejamentos fatoriais multiníveis, os efeitos da fração volumétrica das nanopartículas, da vazão dos fluidos envolvidos e da temperatura de entrada do fluido quente, na efetividade do TCCTH. O nanofluido de ouro foi produzido pelo método de Turkevich modificado, e os resultados da caracterização foram nanopartículas esféricas com diâmetro médio de (14±2) nm. Foram feitas duas diluições do nanofluido concentrado, cujas frações volumétricas de nanopartículas de ouro no nanofluido diluído foram 1,63x10-5% (Nanofluido A) e 6,53x10-5% (Nanofluido B). Os testes de transferência de calor foram realizados às vazões de 20, 30 e 40 L/h para ambos fluidos (quente e frio), e temperaturas de entrada do fluido quente de 40, 50 e 60°C. A máxima efetividade foi observada para o Nanofluido A, à menor vazão e à maior temperatura de entrada do fluido quente. A respeito da comparação dos resultados obtidos a partir dos diâmetros hidráulicos (Dhid) referentes às proposições de modelos da literatura com os resultados experimentais, verificou-se que o Dhid proposto por Salimpour (2009) apresentou resultados que mais se aproximaram dos valores experimentais, seguido por Incropera et al. (2011), e por último por Jamshidi et al. (2013). Nanofluids, which are suspensions of nanoparticles in base-fluid, have been considered potential cooling liquids, due to their thermal conductivity in some cases superior to that of conventional liquids. The goal of this work was to assess the performance of gold nanofluid as a cooling liquid in a shell and helically coiled tube heat exchanger (TCCTH) using water as hot fluid. Heat transfer tests were carried out using water and gold nanofluid under different conditions of the system, aiming to know, from a multilevel factorial experimental design, the effects of the volumetric fraction of the nanoparticles, the flow of the fluids involved and the temperature of the hot fluid, on the effectiveness of TCCTH. The gold nanofluid was produced by the modified Turkevich method, and the results of the characterization were spherical nanoparticles with mean diameter of (14±2) nm. Two dilutions of the concentrated nanofluid were made, whose volumetric fractions of gold nanoparticles in the diluted nanofluid were 1.63x10-5% (Nanofluid A) and 6.53x10-5% (Nanofluid B). Heat transfer tests were performed at 20, 30 and 40 L/h for both fluids (hot and cold), and hot fluid inlet temperatures of 40, 50 and 60 ° C. The maximum effectiveness was observed for Nanofluid A, at the lower flow rate and at the higher hot fluid inlet temperature. With regard to the comparison of the results obtained from the hydraulic diameters (Dhid) referring to the propositions of models from literature with the experimental results, it was verified that the Dhid proposed by Salimpour (2009) presented results that more approached the experimental values, followed by Incropera et al. (2011), and finally by Jamshidi et al. (2013).

A necessidade global de redução do consumo de energia, frente aos problemas econômicos e impactos ambientais em sua geração é responsável por estimular diversas pesquisas com o intuito de melhorar a eficiência energética em edificações. Entre as estratégias utilizadas para aumentar esta eficiência, destaca-se a aplicação de isolantes térmicos no envoltório das edificações. Deste modo, visando contribuir com a melhoria da relação custo x benefício, este estudo tem como objetivo fornecer uma ferramenta de otimização para a escolha do melhor isolante térmico para ser aplicado no telhado de uma edificação industrial do tipo galpão. Além do conforto térmico e custos levados em consideração na escolha, algumas propriedades higrotérmicas também são analisadas, na obtenção do melhor tipo do isolante. Para o uso da técnica de otimização, realizaram-se várias simulações termo-energéticas do ambiente utilizando-se o software DOMUS®. Neste caso, aplicaram-se 4 tipos de materiais isolantes (poliuretano, poliestireno expandido, lã de rocha e lã de vidro), combinando 10 espessuras diferentes de 0,5 cm a 5 cm, com a finalidade de obter diferentes índices de conforto térmico (PPD - Predicted Percentage of Dissatisfied) e carga térmica. Posteriormente, realizou-se o ranqueamento do melhor isolante, a partir dos pesos atribuídos aos parâmetros na função objetiva, utilizando a técnica do algoritmo genético (AG) aplicada à seleção multicritérios, sendo esta implementada no software MATLAB®. Os resultados de otimização mostraram que o isolante de poliuretano (PU), aplicado com uma espessura de 1 cm, é a melhor opção de instalação no telhado, considerando-se os parâmetros funcionais da edificação, atividade metabólica do ocupante, índice de vestimenta e condições de contorno em que impacta no índice de conforto térmico. Levando-se em conta a norma NBR 15220 que estabelece um coeficiente global de 2 W/m²K para as coberturas com isolamento, a lã de rocha com 2 cm mostrou-se como a melhor escolha. Deste modo, observou-se que a seleção ótima do isolante térmico pode variar em acordo com a função objetiva aplicada e a metodologia para análise de tomada de decisão. Além disso, a utilização do DOMUS® combinado com algoritmos de otimização mostrou-se uma ferramenta assertiva na seleção de materiais, promovendo a redução de custos e aumento de eficiência energética em edificações. The global necessity of energy consumption reduction, in front of the economic and environment impacts issues due the electricity energy generation is responsible to motivate researches to improving the energy efficiency of buildings. Among the strategies used to improve this energy efficiency, stands out the application of optimized thermal insulation on buildings walls. Thus, in order to contribute to the improvement of the cost x benefit relation, this study aims to provide an optimization tooling for insulation selection choice applied on industrial shed building roof. Beyond the thermal comfort and high cost considered on selection process, some hygrothermic properties also has been analysed to obtain the best insulation layer option. To implement this optimization technique, a several thermo-energetic simulations of the environment were performed using the DOMUS® software applying 4 types of insulation material (Polyurethane, Expanded Polystyrene, Rockwool and Glass Wool) combining 10 thickness ranging from 0.5 cm to 5 cm, with purpose of obtaining different thermal comfort indexes (PPD - Predicted Percentage of Dissatisfied) and thermal load. Posteriorly, was executed the best insulation ranking from the weights assigned to the parameters in the objective function, using the technique of the genetic algorithm (AG) applied to the multicriteria selection, being implemented in MATLAB® software. The optimization results showed that the polyurethane (PU) insulation, applied with a thickness of 1 cm, is the best installation option on the roof, considering the building functional parameters, occupant metabolic activity, clothes index and contour conditions in which it affects the thermal comfort index. Taking into account the NBR 15220 standard that establishes a global coefficient of 2 W / m²K for the insulated roof, the Rock Wool with 2 cm thickness proved to be the best choice of insulation layer material. In this way, it was observed that the optimum selection of the thermal insulation could vary according to the objective function applied and the methodology for decision-making analysis. In addition, the use of DOMUS® combined with optimization algorithms proved to be an assertive tool in the selection of materials, promoting cost reduction and increased energy efficiency in buildings.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Tubos de calor são dispositivos passivos de transferência de calor conhecidos como supercondutores de calor, devido à utilização do calor latente de vaporização de um fluido de trabalho em um ciclo bifásico fechado. O tubo de calor é essencialmente constituído por três componentes: um invólucro, um fluido de trabalho e uma estrutura capilar. A estrutura capilar é responsável pelo bombeamento capilar do fluido de trabalho no interior do tubo de calor. No presente trabalho foi realizada uma avaliação experimental do desempenho térmico de estruturas capilares a partir de pó de cobre sinterizado em tubos de calor. Devido às suas características geométricas, os tubos de calor podem ser utilizados no arrefecimento de processadores de equipamentos eletroeletrônicos, inclusive os de aplicação espacial. Uma modelagem baseada nos limites operacionais (capilar, de arrasto, viscoso, sônico e de ebulição) foi proposta para os tubos de calor sinterizados e implementada no programa Engineering Equation SolverTM (EESTM). Os tubos de calor foram fabricados a partir de tubos de cobre com diâmetro externo de 9,45 mm, diâmetro interno de 7,75 mm e comprimento total de 200 mm. Três estruturas capilares de pó de cobre sinterizado com diferentes espessuras (Tipo #1, Tipo #2 e Tipo #3) foram fabricadas pelo processo de sinterização. O fluido de trabalho utilizado foi água destilada e cada tubo de calor foi testado com diversas razões de preenchimento. O condensador foi resfriado por convecção forçada de ar e o evaporador foi aquecido utilizando um resistor elétrico em fita e isolado do ambiente externo por um isolamento térmico aeronáutico. Os tubos de calor foram testados experimentalmente para inclinações de operação iguais a 0°, + 45°, + 90°, – 45° e – 90°, sob cargas térmicas compreendidas entre 5 W e 45 W. O pó metálico foi caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectrometria de Fluorescência de Raios-X por Dispersão de Energia (ED-XRF) e Granulometria por Difração a Laser. A estrutura capilar sinterizada foi caracterizada em relação a porosidade, permeabilidade, raio crítico e condutividade térmica. Os resultados experimentais de desempenho térmico dos tubos de calor sinterizados mostraram que o pó de cobre e o procedimento de sinterização utilizados foram adequados para aplicação em tubos de calor de cobre, uma vez que os tubos de calor funcionaram satisfatoriamente. O tubo de calor do Tipo #3 com uma razão de preenchimento de 100% do volume do evaporador apresentou o melhor desempenho, ou seja, a menor resistência térmica e menor temperatura de operação. Além disso, os tubos de calor sinterizados se mostraram mais eficientes em condições adversas de trabalho quando comparados com outros dispositivos passivos de transferência de calor (barra sólida, termossifão, tubo de calor com tela metálica e tubo de calor com ranhuras). Heat pipes are heat transfer passive devices known as heat superconductors, due to the use of the latent heat of vaporization of a working fluid in a closed two-phase loop. The heat pipe is essentially composed of three components: an involucre, a working fluid, and a capillary structure. The wick is responsible for capillary pumping of the working fluid inside the heat pipe. In the present work was carried out an experimental evaluation of the thermal performance of copper sintered capillary structures in heat pipes. Due to their geometrical characteristics, the heat pipes can be used in the cooling of processors of electronic equipment, including spatial application. A model based on the operational limits (capillary, trailing, viscous, sonic, and boiling limits) was proposed for the sintered heat pipes and implemented in Engineering Equation SolverTM (EESTM) software. The heat pipes were fabricated from copper tubes with an outside diameter of 9.45 mm, an inner diameter of 7.75 mm and a total length of 200 mm. Three capillary structures of sintered copper powder with different thicknesses (Type #1, Type #2 and Type #3) were manufactured by the sintering process. The working fluid used was distilled water and each heat pipe was tested for several filling ratios. The condenser was cooled by forced convection of air and the evaporator was heated by a tape electric resistor and isolated from the external environment by an aeronautical thermal insulation. The heat pipes were tested experimentally for operating inclinations equal to 0°, + 45°, + 90°, – 45° e – 90°, under thermal loads between 5 W and 45 W. The metallic powder was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-rayFluorescence Spectrometry (ED-XRF), and Laser Diffraction Granulometry. The sintered capillary structure was characterized in relation to porosity, permeability, critical radius, and thermal conductivity. The experimental results of the thermal performance of the sintered heat pipes showed that the copper powder and the sintering procedure used were suitable for application in copper heat pipes, since the heat pipes worked satisfactorily. The heat pipe Type #3 with a filling ratio of 100% of the evaporator volume presented the best performance, that is, the lower thermal resistance and lower operating temperature. In addition, sintered heat pipes have proven to be more efficient under adverse working conditions compared to other heat transfer passive devices (solid bar, thermosyphon, heat pipe with a screen wire and heat pipe with grooves).

Submitted by Eunice Novais (enovais@uepg.br) on 2018-06-28T18:19:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-28T18:19:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) Previous issue date: 2018-04-05 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O processo de dessalinização por ultrafiltração e osmose reversa tem como resíduo um concentrado salino. A caracterização deste rejeito e seu destino são objetos de estudos em pesquisas paralelas ao presente trabalho, o qual se integra à hipótese de polimento, tratamento, melhoria de qualidade e aproveitamento do rejeito com o emprego em Sistemas de Alagados Construídos – SAC – e posterior aplicação em irrigação. O SAC compreende um tanque de 100 litros, de conformação circular no qual se estabelece uma zona de raízes. Esta zona está sujeita à circulação do concentrado salino formando-se um circuito hidráulico de contato e transferência de massa. O entendimento do escoamento nesta região de transferência de massa, sua avaliação hidráulica e diagnóstico hidrodinâmico do tanque que foi utilizado são os objetos de estudo do presente trabalho que abrangeu a obtenção de dados de concentração de um traçador salino em tanque similar ao SAC, seu processamento computacional e sistematização para as avaliações requeridas. Foram obtidos dados de sinais elétricos a partir de eletrodos instalados no tanque de circulação e por meio da correlação sinal – condutividade – concentração foram definidos os meios de base para alimentação do processamento computacional que permitiu os resultados deste trabalho. Pôde-se averiguar diversas características nas configurações de escoamento testadas, entre elas o tempo de detenção real, ocorrências de curtos-circuitos, deposição densimétrica e a verificação da continuidade pela detecção de massa propagada. Com a hipótese da transferência de massa em função exponencial natural foram obtidas equações da concentração média para os diferentes níveis do tanque em função do tempo. Pode-se perceber nos gráficos obtidos no presente trabalho, a deposição densimétrica de traçador no fundo do tanque em todas as configurações testadas. Estes resultados são decorrentes de diferentes formas de operação hidráulica do SAC e permitiram concluir sobre os aspectos hidráulicos a serem considerados nas formas de operação, bem como nas interferências a serem implantadas na zona de raízes e na própria metodologia empregada neste sistema de averiguação de características hidráulicas e de transporte de massa. Desalination process by ultra filtration and reverse osmosis generates a saline concentrate residue. In order to investigate a possible treatment for this residue and further use for irrigation, a parallel study is being conducted using wetlands. The wetland is built in a 100 L circular shaped tank, in which is established a root zone. The concentrate circulates in this zone creating a hydraulic circuit and a mass transfer zone. The investigation of the flow in this region, the wetland hydraulic evaluation and the hydrodynamic diagnosis of the tank that will be used are the objects of study in this dissertation. This research was conducted using a similar tank to the one that will be used for constructing the wetland. Data from a saline tracer that was released during the flow on this tank were taken in order to a computational processing and further diagnose. Data were obtained from electrical signals from electrodes installed in the circulation tank and using the signal conductivity-concentration correlation, the tools were defined for feeding the computational processing that allowed the results of this work. It was possible to verify the diverse flow characteristics on the flow configurations tested, such as the real detention time, the detection of short-circuit zones, densimetric deposition and the verification of the continuity by the propagated mass. It can be seen in the images obtained in the present work, the densimetric deposition of tracer on the bottom of the tank in all tested configurations. The results allowed to conclude on several aspects to be considered in the forms of operation, as well as in the interferences to be implanted in the zone of roots and in the own methodology used in this system of investigation of hydraulic characteristics and of mass transport. Key words: Hydrodynamic evaluation, Diffusion, Convection, Brine, Wetlands.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Esta dissertação consiste no projeto e constru¸c˜ao de um sistema de gaseifica¸c˜ao de baixo custo, robusto e funcional. O sistema é composto por um gaseificador downdraft de 19,2 kWt , uma unidade de arrefecimento e outra de filtragem, que foram dimensionados para abastecer com syngas dois modelos de motores de combust˜ao interna a 4 tempos: o motor RCX-210 de 6,5 C V da motobomba MRX-50 e o motor da motocicleta Honda CG- 125 Titan de 12,5 C V . São apresentados dois modelos de permutadores, o de carcaça e tubos a ser utilizado no motor da motobomba, que utiliza a a´gua bombeada para arrefecer o syngas e outro a ser utilizado no motor da motocicleta, que consiste num tubo alhetado que arrefece por convec¸c˜ao natural. O filtro ´e de geometria simples e utiliza serragem de madeira, material de baixo custo, como meio filtrante. O gaseificador projetado utiliza biomassa (blocos ou pellets de madeira) como combust´ıvel para operar os motores, sendo um recurso de elevada disponibilidade e neutro em termos de C O2 (em caso de exploração sustentável) e gases poluentes tais como óxido de enxofre (SOx) e o´xido de azoto (N Ox). O sistema é off-grid e poderá beneficiar pessoas que moram em comunidades remotas, zonas rurais ou profissionais que trabalham com madeira, pois utiliza um combustível de elevada disponibilidade e de baixo custo, possibilitando ser utilizado em regiões onde é de difícil acesso redes elétricas e combustíveis fósseis. O projeto teve como objetivo ser de simples construção, de modo que as pessoas consigam construí-lo sem grandes dificuldades. O modelo proposto compõe-se em maior parte por chapas e tubos de aço (comum e galvanizado), não contendo equipamentos sensíveis e materiais de baixa disponibilidade. Fez-se uma campanha de financiamento coletivo (Crowdfunding ) para a compra dos materiais necessários na construção do primeiro protótipo funcional demonstrativo do sistema. O site da campanha é: www.ppl.pt/biomassa. Recebeu-se 1.479,00 e em doações, atingindo 123 % do valor objetivo da campanha (1.200,00 e). Um total de 43 desenhos técnicos compõe o projeto mecânico do sistema (gaseificador, permutador gás-água, permutador gás-ar e filtro). Todos os 3 sistemas foram construídos. O gaseificador foi testado no final do trabalho produzindo syngas conforme esperado.

Leitos fluidizados borbulhantes (LFBs) são bem conhecidos como sistemas eficientes para transferência de energia térmica em diversas aplicações industriais. Embora muitos trabalhos reportados na literatura tenham já relatado características do rendimento térmico de trocadores de calor gás-sólido em regime de LFB, evidencia-se pouca informação sobre o projeto destes sistemas voltados à sua avaliação experimental a partir do uso de técnicas de flutuações de pressão para o monitoramento do regime fluidodinâmico. Tendo em vista esta lacuna, o presente trabalho apresenta o procedimento para o dimensionamento de um trocador de calor tipo jaqueta inserido em uma coluna de leito fluidizado borbulhante construída em escala de laboratório, bem como a análise da avaliação experimental do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede do dispositivo durante o aquecimento de água. Como garantia da operação do sistema em regime de fluidização borbulhante, incluindo ainda a exploração de condições próximas à da mínima fluidização das partículas, aplica-se o método da frequência central gaussiana como ferramenta para a detecção da desfluidização a partir de medições de flutuações de pressão. Os dados experimentais foram analisados assumindo fluxo de calor uniforme (solução de segundo tipo) ou temperatura uniforme (solução de terceiro tipo) na parede interna da jaqueta d’água. Inicialmente, testes envolvendo vazões mássicas do líquido na faixa de 1,83 ± 0,01 kg/h a 4,46 ± 0,02 kg/h, foram realizados com velocidade de fluidização na razão uo/umf igual a 4. Posteriormente, testes experimentais na vazão mássica fixa de água de 3,62 ± 0,01 kg/h, foram realizados com partículas de diâmetro médio de Sauter de 194 µm e 359 µm e com ar de fluidização alimentado em razões uo/umf de 0,5 a 4,0. Em todos os ensaios deste estudo, o regime de escoamento da água na região anular do trocador de calor foi caracterizado como laminar e termicamente em desenvolvimento. Os resultados apontaram uma variação no coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de 169,93 ± 7,52 W/m²K a 353,28 ± 29,78 W/m²K para solução de segundo tipo, e de 191,54 ± 8,55 W/m²K a 468,43 ± 39,27 W/m²K para solução de terceiro tipo, ao utilizar temperaturas do leito de 50 ºC e 70 ºC. A análise dos dados obtidos confirma que o uso das partículas mais finas e temperaturas maiores do leito promovem o incremento no valor do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede. Adicionalmente, os resultados verificaram a presença de um valor máximo do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de uo/umf analisada. Bubbling fluidized beds (BFBs) are well known as efficient systems for thermal energy transfer in several industrial applications. Although many works have already pointed out the performance features of gas-solid BFB heat exchangers, more data about the design and operation of these devices are needed when using pressure fluctuation techniques for the hydrodynamics control. Considering this gap, the procedure for the design of a jacket-type heat exchanger placed in a bench scale bubbling fluidized bed column and the experimental assessment of its bed-to-wall heat transfer coefficient under several operating conditions are presented here. As a guarantee for operating the system under a bubbling fluidization regime, as well as in conditions close to the minimum fluidization, the central Gaussian frequency method is applied. By using this method, it is possible to identify the defluidization phenomenon from pressure fluctuations measurements. The experimental information was analyzed assuming uniform heat flux (solution of second type) or uniform temperature (solution of third type) in the inner wall of the water jacket. Initial tests were performed at fluidization velocity uo/umf ratio equal to 4, involving water mass flow rates in the range of 1.83 ± 0.01 kg/h to 4.46 ± 0.02 kg/h. Other experimental tests, this time involving water mass flow rate kept constant at 3.62 ± 0.01 kg/h, were carried out with particles of 194 and 359 μm in Sauter mean diameter and with fluidization air fed in uo/umf ratios changing from 0.5 to 4.0. In all tests of this study, the water flow regime in the annular region of the heat exchanger was identified as laminar and thermally developing. Results indicated that the bed-to-wall heat transfer coefficient varies in the range of 169.93 ± 7.52 W/m²K to 353.28 ± 29.78 W/m²K for the second type solution and from 191.54 ± 8.55 W/m²K to 468.43 ± 39.27 W/m²K for the third type solution, when using bed temperatures of 50 °C and 70 °C. The analysis of these results confirms that by using the finer particle or the higher bed temperature, the value of the bed-to-wall heat transfer coefficient tends to increase. In addition, results suggested that a maximum value of the bed-to-wall heat transfer coefficient can be obtained in the range of uo/umf ratio tested, which is in agree with previous works.

CNPq; Fundação Araucária O presente trabalho teve como objetivo realizar um estudo do comportamento fluidodinâmico e térmico do processo de secagem de suspensão diluída em leito fluidizado gás-sólido. Para avaliar a estabilidade de fluidização, a fim de evitar a condição do fenômeno de defluidização, foi utilizada a análise espectral Gaussiana. Durante o processo de secagem, foi analisada a umidade relativa do ar, a umidade absoluta, eficiência de secagem e a força de secagem. Em relação ao comportamento térmico, foi analisado o coeficiente volumétrico de transferência de calor, avaliando a influência das condições experimentais. Os ensaios experimentais foram realizados em escala laboratorial utilizando-se uma coluna de acrílico de 0,11 m de diâmetro interno e 1,0 m de altura. Como material inerte, foram utilizadas esferas de alumínio e esferas de vidro, ambas com diâmetro médio de 1,55 mm. Foi utilizada uma suspensão de carbonato de cálcio com concentração de 9 e 15%. A vazão de atomização da suspensão foi de 11,0; 13,0 e 15,0 mL/min. Os resultados mostraram que a transição dos regimes de fluidização durante o processo de secagem de suspensão não pôde ser nitidamente identificada pela análise espectral Gaussiana. Adicionalmente, a concentração de carbonato de cálcio apresentou pouca influência no tempo para atingir a região de defluidização. A vazão de atomização da solução influenciou na estabilidade fluidodinâmica do leito. Em relação ao tipo de material inerte, as partículas de alumínio apresentaram melhores condições no processo de secagem do ponto de vista da fluidodinâmica. O coeficiente volumétrico médio de transferência de calor obtido foi de 1,76 kW/m³.K, não variando com o tipo da partícula inerte utilizado. The objective of this study was to perform a study of the hydrodynamic and thermal behavior of the drying process of a dilute suspension in a gas-solid fluidized bed. To evaluate stability fluidization, in order to avoid the condition of the defluidization phenomenon, was utilized Gaussian spectral analysis, which is a technique based on pressure fluctuation measurements. During the drying process, was analyzed relative humidity, absolute humidity and a drying efficiency. In relation to the thermal behavior, the volumetric heat transfer coefficient was analyzed, evaluating the influence of experimental conditions. The experimental tests were carried out in laboratory scale using a Plexiglas column, with 0.11 m in inner diameter and 1.0 m in height. As inert material, aluminum beads and glass beads were used, both with mean diameter of 1.55 mm. It was used as suspension of calcium carbonate with a concentration of 9 and 15%. The atomization flow rates of the suspension were 11.0; 13.0 and 15.0 mL/min. The results showed that the transition of the fluidization regimes during the suspension drying process could not be clearly identified by Gaussian spectral analysis. Additionally, the solution concentration had little influence on the time to reach the defluidization region. The atomization flow of the solution influenced the fluid dynamic stability of the bed. As for the type of the inert material, the aluminum particles presented better conditions in the hydrodynamic of drying process. The average volumetric heat transfer coefficient was 1.76 kW/m³.K and it not changed with the type of inert particle used.

Capes; Fundação Araucária Este estudo consiste na avaliação do desempenho simulado de um sistema conjunto gaseificador-motor, como alternativa para a produção de potência mecânica e/ou eletricidade a partir do uso de combustíveis fósseis e renováveis. Para tal, escolheu-se um gaseificador de leito fluidizado circulante, operando com dois tipos de biomassa lignocelulósica característicos da região Sul do Brasil, além de carvão mineral e resíduos domésticos. O modelo de gaseificação selecionado baseou-se no método não-estequiométrico da minimização da energia livre de Gibbs, com modificações referentes a correlações semi-empíricas encontradas na literatura, para correção da composição encontrada de carbono não-convertido e metano na fase de pirólise. Com esse modelo, aplicado na faixa de razão de equivalência de 0,22 a 0,54, pôde-se obter a composição do gás combustível produzido no reator, bem como algumas das suas propriedades, como densidade e poder calorífico. Essas propriedades obtidas para o gás combustível puderam ser utilizadas na simulação da operação de um motor de ignição por centelha marca FIAT, com cilindrada de 2,0 L e cinco cilindros. Para o motor, optou-se por um modelo zero-dimensional não-adiabático de liberação finita de calor, de forma a avaliar seu desempenho em relação a potência, torque e consumo específico. Em posse desses parâmetros, também foi possível avaliar o rendimento global do sistema gaseificador-motor escolhido para cada tipo de combustível utilizado. A validação por comparação dos resultados obtidos a partir dos modelos adotados, quando realizada por separado no gaseificador e no motor de combustão interna, mostra que os dados experimentais da literatura se ajustam relativamente bem. A quantidade total de gás produzida pelo gaseificador abriu a possibilidade da operação simultânea com vários motores, obtendo-se uma potência máxima total ao freio de 103,3 kW para casca de arroz com o uso de 6 motores, 207,7 kW para serragem de pinus com o uso de 9 motores, 194,3 kW para carvão mineral com o uso de 8 motores, e 343,6 kW para lixo doméstico com o uso de 20 motores, sempre com os motores operando em paralelo. As curvas de torque e de consumo específico por motor seguiram a tendência esperada, obtendo-se o maior torque com o uso de carvão mineral e o menor consumo específico também com carvão. Dessa forma, obteve-se uma eficiência global máxima do sistema de potência de 14,0% para casca de arroz, 18,6% para serragem de pinus, 21,0% para carvão mineral, e 28,2% para lixo doméstico, resultados que se encontram dentro da faixa reportada em trabalhos prévios. In this study, the simulated performance of a combined gasifier-engine system operated with fossil and renewable fuels was carried out. A circulating fluidized bed gasifier fed with two kinds of very common lignocellulosic biomass available at Southern Brazil, as well as with coal and municipal solid waste were chosen to produce the fuel gas. The gasification model was based on the non-stoichiometric method of Gibbs free energy minimization, including modifications regarding semi-empirical correlations found in literature, in order to correct the gas yield calculated for non-converted carbon and methane from pyrolysis. By applying this model with equivalence ratio varying from 0.2 to 0.54, it was possible to obtain the composition of the fuel gas, as well as some of its properties, such as density and heating value. These properties were used to simulate the operation of a 2.0 L, 5-cylinder spark-ignited FIAT engine. For this engine, a zero-dimensional, non-adiabatic, finite heat release model was chosen in order to assess its performance regarding power, torque and specific fuel consumption. From these results, it was possible to evaluate the overall performance of the gasifier-engine power system for each kind of solid fuel used. The validation by comparison of the data obtained from the gasification model, as well as from the engine model, has shown good agreement with those available in previous works. The producer gas yield was always higher than the amount of gas consumed by a single engine, making it possible to obtain maximum brake power of 103.6 kW for rice husk with 6 engines, 207.7 kW for pine sawdust with 9 engines, 194.3 kW for coal with 8 engines, and 343,6 kW for municipal solid waste with 20 engines, always in parallel setup. The consumption and torque curves have shown the expected behaviour, with both best results being obtained for coal. Therefore, the maximum overall performance of the power system was 14.0% for rice husk, 18.6% for pine sawdust, 21.0% for coal, and 28.2% for municipal solid waste, which was in agreement with results from previous studies.

Leitos fluidizados borbulhantes (LFB) têm sido utilizados em muitas aplicações industriais, tendo destaque na conversão energética de combustíveis sólidos em reatores de combustão, gaseificação e pirólise rápida. Nos últimos anos, o estudo da fluidodinâmica de misturas areia-biomassa em reatores de LFB vem ganhando importância, devido à necessidade de identificar o surgimento de fenômenos indesejados no escoamento gás-sólido, tais como a defluidização súbita e a segregação de partículas promovida pela natureza polidispersa dos materiais do leito. Com o propósito de contribuir nesta direção, o presente trabalho estuda a fluidodinâmica de misturas areia-serragem em relação aos fenômenos anteriormente descritos e à intensidade do comportamento caótico do leito fluidizado sob várias condições operacionais. Medidas de flutuação de pressão do leito foram obtidas a fim de estudar a defluidização e a segregação de partículas com apoio da técnica de análise espectral Gaussiana, bem como, a presença de caos utilizando wavelet e o teste 0-1. O material do leito foi constituído por misturas de areia quartzosa e serragem de pinus em porcentagens mássicas de 2,5% e 5% de biomassa, nos inventários de leito de 0,5 e 1,0 kg. Os testes experimentais foram realizados numa coluna de acrílico de 0,11 m de diâmetro interno e 1,0 m de altura. Os valores de pressão estática do leito foram registrados utilizando um sistema de aquisição de dados composto de transdutores de pressão de resposta rápida e software LabVIEWTM versão 10.0. Os ensaios seguiram um planejamento fatorial 22 com três repetições, totalizando 12 experimentos com misturas areia-serragem. Com os resultados foram obtidas as curvas fluidodinâmica e de frequência central, ambas utilizadas para a identificação do estado de mínima fluidização do leito. Adicionalmente, foram elaboradas curvas de variação de concentração de biomassa em função da altura de camadas do leito para a avaliação da intensidade da segregação. Os resultados mostraram que, em todos os casos, a região de defluidização é atingida em uma velocidade superficial do gás próxima ao valor de 0,05 m/s. Em relação ao estudo de segregação, os resultados sugerem que esta tende a ser maior para leitos rasos do que para leitos profundos, não sendo claramente verificado o efeito da porcentagem de biomassa na mistura dentro da faixa testada. Uma análise estatística e gráfico de pareto foram utilizados para confirmar a significância das tendências observadas. Os dados de pressão na condição de mínima fluidização foram utilizados para determinar a presença de comportamento caótico das misturas testadas. Neste sentido, verificou-se que em todos os ensaios o comportamento foi caótico, apresentando na análise quantitativa, ou seja, teste 0-1, resultados do parâmetro K* superior a 0,9 e na análise qualitativa utilizando wavelet, regiões de energias distribuídas. Bubbling fluidized beds (LFB) have been used in many industrial applications, with emphasis on energy conversion of solid fuel combustion reactor, gasification and fast pyrolysis. In recent years, the study of fluid dynamics mixture of sand-biomass LFB reactors is gaining importance due to the need to identify the emergence of undesired phenomena in the gas-solid flow, such as sudden defluidization and segregation of particles promoted by the nature polydispersed of the bed material. In order to contribute in this direction, the present work studies the fluid mixtures sandsawing in relation to the previously described phenomena and chaotic behavior intensity of the fluidized bed under various operating conditions. Bed pressure fluctuation measurements were taken to study the defluidization and segregation of particles with the Gaussian spectral technique’s support as well as the presence of chaos using wavelet and 0-1 Test. The bed material consisted of quartz sand and mixtures of pine sawdust with mass percentages of 2.5% and 5% and the inventories of 0.5 and 1.0 kg. Experimental tests were performed in a Plexiglas column of internal diameter 0.11 m and 1.0 m of height. The static pressure values of the bed were recorded using a data acquisition system composed of fast response pressure transducers and software LabVIEWTM version 10.0. The tests followed a 22 factorial design with triplicate, totaling 12 experiments with mixtures sand-sawdust. Thus, with the results were obtained fluid dynamics and curves of central frequency, both used to identify the state of minimum fluidization of the bed. Additionally, the biomass concentration variation curves were prepared according to the layers height of the bed for evaluating the intensity of the segregation. The results showed that in all cases the defluidization region is reached in superficial gas velocity around of 0.05 m/s. Compared to the study of segregation, the results suggest that it tends to be higher for shallow bed than deep beds, not being clearly seen the effect of the percentage of biomass in the mixture within the range tested. A statistical analysis and Pareto chart were used to confirm the significance of the trends observed. The pressure data in the minimum fluidization condition were used to determine the chaotic behavior of the tested mixtures. Thus, the results showed that in all test, the behavior were chaotic, showing in the quantitative analysis, 0-1 test, results of the K* parameter above 0.9 and in the qualitative analysis using wavelet, presented distributed energy regions.

Escoamentos gás-sólido em sistemas de leito fluidizado circulante são muito comuns em processos industriais, sendo objeto de pesquisa nos últimos anos pela sua natureza altamente complexa. O estudo de parâmetros inerentes às características fluidodinâmicas deste escoamento, como por exemplo, do perfil de pressão estática na coluna de fluidização rápida, pode mostrar o caminho para a prevenção de situações não desejadas em processos desenvolvidos na indústria química e de petróleo, bem como na geração de energia elétrica. Apesar da existência de vários trabalhos realizados sobre o assunto, é frequente encontrar divergências nos resultados apontados pelos diversos autores. Assim, visando contribuir com o melhor entendimento do fenômeno de escoamento gás-sólido em regime de fluidização rápida, este estudo teve como objetivo simular o escoamento gás-sólido no interior de uma coluna riser de um sistema de leito fluidizado circulante a frio utilizando fluidodinâmica computacional, procurando determinar o perfil axial de pressão estática sob diferentes condições operacionais. Para tanto, o método dos volumes finitos, por meio do programa computacional comercial ANSYS-FLUENT™ v. 16.0, foi aplicado para a análise fluidodinâmica no interior do riser. Além do perfil de pressão, as simulações determinaram os campos de velocidade do sólido e do gás, bem como, a distribuição da concentração de sólidos, dentre outros parâmetros de interesse. Para a validação do modelo computacional, os resultados obtidos na simulação da queda de pressão axial ao longo da coluna riser foram comparados com dados experimentais obtidos em um sistema piloto que teve a sua geometria reproduzida nas simulações. Os resultados obtidos mostram concordância satisfatória entre os valores das simulações e os dados experimentais disponíveis. Gas-solid flows in circulating fluidized bed systems are very common in industrial processes, being a research subject in recent years because of its highly complex nature. The study of parameters related to the hydrodynamics characteristics of this flow, such as the static pressure profile along the column in fast fluidization, can show the way to prevent undesired situations found in processes of the chemical and petroleum industry, as well as in boilers for power generation. Despite the existence of several studies conducted on the subject, there are differences in the results pointed out by several authors. Thus, in order to contribute to a better understanding of the phenomenon of gas-solid flow in fast fluidization regime, this study aimed to model and simulate the gas-solid multiphase flow inside a riser of a circulating fluidized bed by using computational fluid dynamics, in order to determine the axial pressure profile under different operating conditions. Therefore, the finite volume method, through ANSYS-FLUENT™ v.16.0-commercial software was applied to analyze the hydrodynamics of the gas-solid flow inside the riser. In addition to the pressure profile, simulations determined the solid and gas velocity fields, and also the distribution of the solids holdup, among other parameters of interest. To validate the computational model, the results obtained from simulations of the axial pressure drop across the riser column were compared with experimental data obtained in a pilot system, which had its geometry reproduced in the simulations. The results obtained showed good agreement between the values of the simulations and those available from experimental data.

As propriedades de pellets de biomassa utilizados como combustíveis são essenciais para o desempenho em processos termoquímicos, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Estas propriedades podem afetar aspectos relacionados ao transporte, estocagem, manuseio, conversão de energia, emissões de gases no meio ambiente, bem como variáveis a serem controladas durante o processo de pelletização, influenciando diretamente o consumo de energia e os custos para a sua produção. Este trabalho apresenta um estudo realizado em uma indústria brasileira de produção de pellets de bagaço de cana-de-açúcar para determinação das principais propriedades do produto final e das variáveis do processo de produção. O objetivo deste trabalho é caracterizar, dentro do processo de pelletização, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas da matéria prima e do produto final, bem como conhecer os fluxos de massa, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo. Como primeira parte dos resultados, concluiu-se que as propriedades de pellets de bagaço de cana-de-açúcar analisadas, tais como diâmetro, comprimento, umidade, densidade, durabilidade, quantidade de finos, poder calorífico, elementos químicos e teor de cinzas, não estão em total conformidade com outros trabalhos científicos realizados e com normas internacionais de comercialização e de qualidade de pellets de biomassa. Em segundo lugar, pôde-se conhecer a taxa de consumo de matéria prima e de produção de pellets, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo de produção como secagem, moagem e pelletização. Por fim, foi encontrada uma função matemática em que o consumo de energia e os custos de produção crescem de maneira exponencial com a variação de umidade da matéria prima. Properties of pellets used as biomass fuels are essential to the performance of thermochemical processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. These properties can affect aspects related to transportation, storage, handling, power conversion, emissions into the environment as well as variables to be controlled during the pelletizing process, directly influencing the energy consumption and production cost. This paper presents a study in a Brazilian industry of sugarcane bagasse pellets in order to determine the main properties of pellets and process variables. The objective of this work is to characterize within the pelletizing process the main physical, chemical and mechanical properties on the raw material and final product, as well as knowing the mass flows, energy consumption and cost involved in each step of the process and its variations. As the first part of the results, it was conclude that the properties of the sugarcane bagasse pellets analyzed as diameter, length, moisture, density, durability, amount of fine, calorific value, chemical elements and ash content are not full compliance with other scientific work and international marketing standards and quality pellets biomass. Secondly, one can know the rate of material consumption and production of pellets, energy consumption and costs for each step of the production process as drying, grinding and pelletizing. Finally, a mathematical function in which the power consumption and production costs grow exponentially with the variation of moisture of the raw material entry was found.

CAPES O objetivo geral deste estudo foi avaliar o potencial de produ;áo energética de ligninas extraídas de subprodutos de diversas culturas agricolas brasileiras, dentre elas: bagaço de cana de açúcar, serragem de madeira, palha de milho, palha de trigo, folhas de capim elefante e casca de arroz. Para isto, foram realizadas caracterizações físico-químicas, dentre elas: análise elementar, análise imediata, determinação do poder calorífico superior, granulometria, e determinação da composição de holocelulose, lignina e extrativos das amostras. A pesquisa foi dividida em três etapas: amostragem e caracterização da matéria prima, processamento dos resultados obtidos e verificação do potencial das biomassas em relação ao rendimento de lignina e suas propriedades. Foi adotado um planejamento experimental fatorial 22 para o tratamento estatístico dos dados obtidos. De acordo com os resultados foi comprovado que, tanto a granulometria dos sólidos na faixa estudada, quanto os métodos de extração Klason e Willstatter não influenciaram no rendimento da extração de lignina, bem como no poder calorífico destas. O rendimento médio de extração de lignina para a serragem de madeira foi ligeiramente superior, como esperado. Adicionalmente, foi verificado que o poder calorífico das ligninas foram significativamente maiores do que das biomassas in natura correspondentes. Por outro lado, foi encontrado que o potencial de energia térmica das ligninas varia principalmente em função dos dados de produção da cultura agrícola e dos coeficientes de disponibilidade dos subprodutos. Dentre as estimativas de potencial de geração de energia térmica das biomassas testadas, destacam-se as ligninas do bagaço de cana e da palha de milho. Estudos ainda se fazem necessários para determinar o potencial das ligninas extraídas no ramo da indústria química através do conhecimento da composição. The aim of this study was to assess the energetic potential obtained from lignins extracted of several Brazilian biomasses, among them: sugar cane bagasse, sawdust, corn straw, wheat straw, elephant grass leaves and rice husk. To achieve this objective, physicochemical characterization, including: ultimate analysis, proximate analysis, superior calorific value determination, fraction size, and compositional determination of holocellulose, lignin and extractives of samples. The research was divided into three steps: sampling and characterization of the raw material, processing the results and verifying the potential of biomass over the yield of lignin and its properties. It was used a 22 factorial experimental design for the statistical treatment of the obtained data. According to the results, it was confirmed that both the particle size of the solids in the studied range, the extraction methods as Klason and Willstatter no influence on the extraction yield of lignin, as well as the calorific value of these. The average yield of extraction of wood sawdust lignin was slightly higher, as expected. Additionally, it was found that the calorific value of lignin were significantly higher than the corresponding biomass in natura. Moreover, it was found that the potential of thermal energy from the lignins varies mainly depending on the production data and the availability coefficients of crop to byproducts. Among the estimated potential to generate thermal energy from biomasses tested, highlight the lignin from sugar cane bagasse and corn straw. Further studies are needed to determine the potential of the lignins extracted in the field of chemical industry through the knowledge of its composition.

Uma adequada gestão das atividades de manutenção foca seus objetivos na confiabilidade e disponibilidade dos equipamentos, bem como na diminuição dos custos de reparo envolvidos. Visando contribuir neste sentido, o presente trabalho propõe um estudo de caso relacionado à análise de depreciação técnica e depreciação econômica dos equipamentos utilizados numa indústria de produção de papel imprensa. Especificamente, aplica-se a análise da curva de Weibull a uma base de dados de histórico de falhas ocorridas em motores elétricos existentes no processo produtivo e realiza-se, simultaneamente, uma análise de depreciação econômica desses equipamentos. O estudo envolveu a análise de 31 motores elétricos, classificados em 10 grupos de acordo com a potência de operação. A partir dos resultados obtidos para o coeficiente de forma correspondente a um período histórico de 20 anos de manutenção, bem como da análise de depreciação dos motores, foi possível verificar que mais de 50% dos motores analisados tiveram falhas do tipo mortalidade prematura e, o restante dos equipamentos, falhas do tipo fim de vida útil. Uma análise estatística de importância da correlação entre as variáveis de estudo indicou que, para o nível de confiança de 95%, a potência do motor elétrico não apresenta correlação significativa com o valor do fator de forma e nem com o número de manutenções corretivas realizadas. A única relação significativa foi encontrada entre o tamanho do motor e o custo das manutenções ou intervenções, como era esperado. O estudo realizado mostrou de uma maneira ágil e do ponto de vista da gestão da manutenção, uma análise técnica e econômica conjunta da vida útil de motores elétricos em relação à questão da sua depreciação e à escolha da melhor estratégia de manutenção a ser adotada. An efficient management of maintenance activities is normally focused on reliability and availability of equipments, as well as in reducing the costs involved. Aiming to contribute in this sense, the present study proposes a case of study related to the analysis of technical and economic depreciation of electrical motors used in processes of a newsprint industry. In particular, both the Weibull distribution and an economic depreciation analysis were applied to a historic data base containing electric motor failures. The study was carried out for 31 electric motors, which were classified into 10 groups of electric powers. From results obtained for the form factor in 20 years of maintenance and the depreciation analysis was verified that more than 50% of electric motors had premature failures, whereas the rest of equipments had failures of useful life. A statistical analysis of correlation among variables showed that the power of the electric motor had no significance correlation with both the form factor and the number of failure events at 95% of confidence level. However, a significance correlation was found between the power of the electric motor and the maintenance cost involved, as expected. The study showed a practical way of a combined technical and economical analysis applied to electric motors for choosing the better maintenance strategy.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um aplicativo para a execução de Sistemas Especialistas baseados em Lógica Fuzzy, a fim de auxiliar gestores no diagnóstico do funcionamento de equipamentos e na determinação do momento ótimo da intervenção ou manutenção dos mesmos. O estudo teve como motivação a necessidade de superar algumas características do Sistema Especialista DEMOI, desenvolvido e executado na ferramenta Logic Fuzzy Toolbox do ambiente Matlab™. Assim, uma ferramenta em linguagem JAVA e C foi elaborada visando a obtenção de uma melhora no tempo de processamento das informações e a integração direta entre Sistemas Especialistas de monitoramento e de planejamento próprias das operações de manutenção. No desenvolvimento deste trabalho foram consideradas as etapas correspondentes aos testes preliminares de operação do sistema especialista já existente, bem como a elaboração do aplicativo proposto. Os resultados das simulações, realizadas sobre um caso prático de análise de vibração de uma máquina rotativa, mostraram os benefícios do novo aplicativo, principalmente na redução considerável no tempo de retorno para diagnósticos envolvendo elevadas quantidades de variáveis e regras de inferências. Adicionalmente, com a introdução da ferramenta, foi propiciado um ambiente de integração entre Sistemas Especialistas de monitoramento e planejamento da manutenção, que poderá ser utilizado por gestores sem as limitações existentes em aplicativos ou recursos de softwares comerciais. In this study, a development of an application for the execution of Expert Systems based on the Fuzzy Logic is carried out in order to help managers on the diagnosis of the operation of equipments and on the determination of the best moment for doing intervention or maintenance. The research had as motivation the necessity to overcome some characteristics of the Expert System DEMOI, developed and executed in the tool Fuzzy Logic Toolbox of the environment Matlab™. So, a tool in language JAVA and C was developed aiming to get an improvement in the processing time of the informations and the integration between Expert Systems of monitoring and planning of maintenance operations. For developing this research were considered preliminary tests of operation of the Expert Systems linked to Matlab software, as well as the development steps of the proposed application. The results of the simulations, carried out on a practical case of analysis of vibration of a rotary machine, showed the benefits of the new application, principally when the processing time was evaluated. In this sense, a considerable reduction in time of return for diagnoses with elevated quantities of variables and inferences rules was possible by using the new tool. Additionally, with the introduction of the application was provided an environment of integration between Expert Systems of monitoring and planning of the maintenance, which can be used for managers without the limitations present in applications of commercial softwares.

Orientador: Araí Augusta Bernárdez Pécora Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O café é um importante produto na balança comercial brasileira e seu processamento gera a casca como um resíduo. O objetivo deste trabalho foi a caracterização física, termoquímica e fluidodinâmica da casca de café (coffea arábica, L) visando sua aplicação em processo de pirólise convencional em reator mecanicamente agitado e posterior caracterização das frações líquida e sólida geradas. O trabalho envolveu as seguintes etapas: (i) caracterização física e termoquímica da casca de café moída; (ii) ensaios fluidodinâmicos no leito contendo mistura binária casca de café-areia (5% de biomassa na mistura); (iii) ensaios de pirólise em reator mecanicamente agitado; e (iv) caracterização das frações sólida e líquida geradas no processo de pirólise. A etapa de caracterização das partículas envolveu a determinação da análise granulométrica, esfericidade, massas específicas, razão de Hausner, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, análises da composição das cinzas e análise do teor de hemicelulose, celulose e lignina. Os ensaios de pirólise foram realizados seguindo um planejamento experimental composto central rotacional com objetivo de avaliar a influência da taxa de aquecimento (8 a 22 °C/min) e do tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento (1,2 a 6,8 min) sobre o rendimento da fração líquida. O maior rendimento da fração líquida foi de 56,5 %, obtido em uma taxa de aquecimento de 22°C/min e tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento de 4 min. Na etapa de caracterização do carvão vegetal gerado foram determinadas as massas especificas, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, além da determinação da velocidade mínima de fluidização no leito contendo a mistura carvão-areia (5% de biomassa na mistura). A fração líquida foi submetida à análise de umidade, pH, poder calorífico e cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa. Os resultados dos ensaios fluidodinâmicos mostraram que a presença de 5% (em massa) de casca de café no leito provoca o aumento da velocidade de mínima fluidização em 45%. Foi verificado que a casca de café possui um grande potencial como fonte energética para aplicação em processos de pirólise em função das propriedades do carvão e do líquido gerado em temperaturas superiores a 300oC. A composição e teor de cinzas da casca de café também fazem do carvão uma boa opção como fertilizante em função dos nutrientes presentes. Em todas as frações líquidas geradas foram observados compostos com aplicações industriais, mostrando que o óleo obtido através da pirólise da casca de café possui potencial não só como combustível, mas também como fonte de componentes para a indústria química Abstract: Coffee is an important product in the Brazilian commercial balance and its processing generates husks as waste. In order to increase information available about coffee husks biomass and its energetic potential, this work presents an experimental study including: (i) physical and thermo-chemical characterization of grinded coffee husks; (ii) hydrodynamics tests to minimum fluidization velocity determination of the binary mixture coffee husks-sand (5% weight fraction of biomass); (iii) pyrolysis tests in a mechanically agitated bed; and (iv) characterization of pyrolysis solid and liquid products. The particle characterization step included the determination of particle size distribution, sphericity, densities, Hausner ratio, ultimate and proximate analysis, heating value, thermo-gravimetric analysis, thermo-differential analysis, ash composition, and hemicelluloses, cellulose and lignin content. The pyrolysis tests were carried out following a central composite rotate design of experiments in order to evaluate the heating rate (from 8 to 22oC/min) and the time between the heating stages (from 1.2 to 6.8min) on the bio oil yield. The bio-oil greatest yield was 56.5% that was obtained using a heating rate of 22oC/min and time between the heating stages of 4min. The bio-char characterization involved density, ultimate and proximate analyses, heating value, thermo-gravimetric analysis, differential thermal analyses and determination of the minimum fluidization velocity of the char-sand mixture (5% weight fraction of biomass). The liquid fraction was submitted to moisture, pH, heating value and gas chromatography (using a mass spectrometer) analysis. Results from hydrodynamics studies show that the presence of 5% biomass in the bed material increases the minimum fluidized bed velocity about 45%. Pyrolysis results show that coffee husks presents a good potential as feedstock to the process due to char and bio-oil (fractions obtained at temperatures higher than 300oC) properties. Additionally, results from ash characterization showed that the bio-char produced presents a good potential as fertilizer. High values chemical compounds were identified in the produced liquid fractions, showing that this product presents high potential, not only as a fuel, but also as a source of chemical compounds to the chemical industry Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Esta dissertação teve como propósito desenvolver uma metodologia alternativa para determinar a criticidade de equipamentos industriais nas empresas, a fim de contribuir na orientação dos gestores envolvidos nas atividades dos sistemas de planejamento e controle da manutenção (PCM). A metodologia proposta consistiu na adequação de modelos e procedimentos já existentes na literatura, bem como na consideração de novos critérios de avaliação da criticidade, visando o seu cálculo de forma quantitativa e qualitativa com menores desvios em relação às informações coletadas em campo. O novo procedimento foi aplicado e testado em duas empresas nacionais, uma de mineração e outra de alimentos, obtendo-se resultados mais ajustados à realidade das empresas sob estudo quando comparado com os apresentados a partir das metodologias previamente existentes. Especificamente, o modelo proposto apresentou maior concordância com os critérios já utilizados na empresa do setor alimentício. Finalmente, visando futuras melhoras, o novo procedimento foi submetido a análise para o levantamento das suas demandas práticas e vulnerabilidades. This work aimed to develop an alternative methodology to determine the criticality of equipments in factories, in order to contribute in guiding managers involved in the activities of planning and control systems maintenance (PCM). The methodology consisted in considering modifications of existing models and procedures found in the literature, as well as consideration of new criteria for assessing criticality, aiming its calculation of quantitative and qualitative minor deviations from the information collected. The new procedure was applied and tested in two Brazilian companies, one dedicated to mining and other to foods activities, getting more results adjusted to the reality of companies under study when compared with those presented from the previously existing methods. Regarding the authors analyzed the model presented greater concordance with the criteria already used in the business of the food industry. Finally, aiming at further improvements, the new procedure was analyzed to compile their practical demands and vulnerabilities.

A adequada gestão de recursos materiais e humanos relacionados à lubrificação em ambiente industrial é de fundamental importância para a saúde financeira das organizações, uma vez que esta propicia ganho de disponibilidade de máquina e aumento de vida útil dos equipamentos. Com o permanente desenvolvimento e crescimento do sistema produtivo intensifica-se a necessidade pela implantação de procedimentos de lubrificação eficientes, o que torna praticamente inviável a gestão das informações de forma manual e promove o espaço aos sistemas automatizados como apoio no gerenciamento. O objetivo deste trabalho foca-se ao desenvolvimento e aplicação de um sistema informatizado voltado a facilitar as montagens de planos preventivos de lubrificação de maneira ágil e apropriada. Assim, o sistema informatizado envolve procedimentos para o preenchimento dos campos do programa com as informações relacionadas à localização de máquinas e equipamentos, a identificação de lubrificantes e do centro de serviço para alocação de mão de obra. Este mesmo sistema automatizado se comporta como um instrumento gerencial organizado das informações e dos recursos envolvidos nos roteiros dos planos, que facilita a administração da lubrificação como manutenção preventiva no complexo industrial onde for aplicado. O sistema disponibiliza também um módulo para o monitoramento das datas a serem emitidas e a execução dos planos preventivos criados, a fim de acompanhar a correção de atrasos e/ou possíveis avarias. A metodologia de gestão de lubrificação implantada nesta ferramenta considera-se de utilidade para a execução eficiente relacionada às tarefas de manutenção nas empresas, sendo simultaneamente, de estrutura e operacionalidade simplificada. O sistema informatizado proposto foi aplicado ao caso de uma empresa do setor siderúrgico, dando oportunidade para a identificação dos pontos fortes e deficientes da ferramenta. Proper management of human and material resources related to lubrication in industrial environment is of fundamental importance to the financial health of organizations, since it provides gain of machine availability and increased equipment life. With the constant development and growth of the production system, the need for the implementation of efficient procedures for lubrication intensifies, making it virtually impossible to manage the information manually and making room for automated systems as support to their management. This study focuses on the development and implementation of a computerized system, to facilitate the assembly of preventive plans of lubrication in an agile way and appropriately. Thus, the computerized system involves procedures for filling the fields of the program with information regarding the location of machinery and equipment, identification of lubricants and service center for allocation of manpower. Such automated system behaves as an organized management tool of information and resources involved in the designs of the plans, which facilitates the administration of lubrication and preventive maintenance in the industrial complex where it is applied. The system also provides a module for monitoring the dates to be issued and the implementation of preventive plans created in order to monitor the correction of delays and / or possible damage. The lubrication management methodology implemented in this tool is considered useful for the efficient execution of maintenance tasks related to the companies, while being of simple structure and operation. The proposed computerized system was applied to a company in the steel sector, allowing for the identification of strengths and deficiencies of the tool.

Esta dissertação está toda estruturada sob o diagnóstico dos processos de produção praticados pelos fabricantes de móveis de aço e sistemas de armazenagem de Ponta Grossa - PR e sua aderência às técnicas de produção enxuta proposta pela literatura. Além disso, este estudo também possibilitou melhor compreensão do que é praticado no dia-a-dia nestas empresas. O processo de pesquisa foi composto por três fases distintas. A primeira fase buscou o referencial bibliográfico que permitiu trazer à tona os conceitos usuais dos sistemas de gestão convencional juntamente com as teorias que norteiam o processo enxuto de produção. A segunda fase procurou por meio de questionários, verificar o quanto os gestores conheciam de suas empresas e o nível de conhecimento que possuíam em relação às técnicas de produção enxuta. A última fase focou a observação in loco dos processos utilizados visando conhecer melhor a realidade de cada empresa além de coletar subsídios para comparação com as respostas obtidas de seus gestores. Recentemente houveram estudos direcionados a estas empresas, no entanto estes estudos focavam a análise da competitividade e o sistema de governança adotado por este aglomerado de empresas, mas em nenhum dos casos os estudos foram direcionados ao aprofundamento dos sistemas de processos de produção adotados. Os dados coletados somados às observações propiciaram a verificação da carência de metodologias que lhes proporcione melhor domínio sobre o que ocorre em chão de fábrica. Diante deste fato, as técnicas enxutas de produção colocam-se como alternativa aos processos de produção existentes, propiciando além da visão holística oriunda da filosofia enxuta, a rentabilidade, a qualidade e a satisfação de todos os envolvidos no processo de produção e gestão das empresas pesquisadas. This dissertation is structured on the whole reality of management practices applied to existing production processes versus the concepts from the Toyota production system, now called lean production systems. The comparison made it possible to measure the degree of maturity in their current management systems and better understanding of what is practiced in day-to-day these companies. The bibliographic references sought to bring out the usual concepts of management with conventional theories that guide the process of lean production. Based on this depth, there is a need to contrast the information gathered during interviews with the existing reality on the factory floor that did not produced noises coming from ignorance or misunderstanding of the issues discussed. The survey was composed of three distinct phases. The first phase sought to allowing the bibliographic references to tease out the usual concepts of management with conventional theories that guide the process of lean production. The second phase sought through questionnaires, check how much managers know their companies and the level of knowledge they possessed concerning the techniques of lean production. The last phase focused onsite observation of the processes used in order to better understand the reality of each company as well as collecting subsidies for comparison with the responses from their managers. Recently there have been studies directed to these companies, however these studies focused on analyzing the competitiveness and governance system adopted by this cluster of companies, but in no case studies have been directed to strengthening the production systems processes adopted. The data collected have brought together the observations beyond graduation of maturity in its management processes of production, the spot verification of the sector has a shortage of methodologies that gives them better control over what happens on the factory floor. Faced with this shortage, the system of lean production comes as an alternative to the sector of production processes, using a holistic view proposed by the lean philosophy, translating all efforts on profitability, quality and satisfaction to all involved in the production process and its management systems.

A questão ambiental vem ocupando espaço cada vez maior no cenário nacional, crescente aumento no rigor das legislações torna essa temática foco de grande atenção. Nesse ínterim, a indústria da fundição surge como grande recicladora, por utilizar material reciclado como matéria-prima em seus processos, mas ao mesmo tempo apresenta baixo desempenho ambiental, por ser grande consumidora de recursos minerais e também pelos resíduos que gera. Dentre os resíduos gerados, o de areia de fundição se destaca, constituindo-se num dos maiores problemas no tocante ao gerenciamento de resíduos da indústria de fundição. Além do embasamento sobre fundição, a abordagem deste trabalho envolveu aspectos da legislação ambiental, elaboração de normas específicas para as areias de fundição através da ABNT CB-59, conceitos e sistemas de gerenciamento ambiental (ISSO 14001, Ecologia Industrial e Produção mais limpa), buscando analisar o gerenciamento das areias a verde de fundição no Estado do Paraná com vistas ao estabelecimento de futuras estratégias para o setor. Para atingir esse objetivo realizou-se um levantamento do setor de fundição em todo o Paraná e identificaram-se as empresas utilizadoras de areias à verde de fundição; diagnosticou-se, com base na Produção mais limpa, a atual situação do gerenciamento desses materiais e projetou-se um cenário futuro da utilização da técnica de moldagem por areias a verde. O estudo mostrou que as práticas de gerenciamento das areias a verde englobaram os três níveis de ação da Produção mais limpa, que o uso desse material continua sendo interessante para as fundições sob o aspecto econômico e que dificilmente será substituído totalmente. Como principais metas das fundidoras foram apontadas a expansão da capacidade produtiva e a melhoria na qualidade dos produtos. Foram identificadas as dificuldades enfrentadas e evidenciados pontos em que há necessidade de investimentos e melhorias envolvendo o nível organizacional e tecnológico das empresas pesquisadas. O estudo também revelou dados conflitantes entre a geração total de areias descartadas de fundição informada pelas empresas e a geração estimada com base nos dados de entrada, deixando dúvidas quanto ao destino de grande parcela desse material. Portanto, a abordagem e os resultados obtidos na pesquisa evidenciaram sua relevância para o setor de fundição no Estado do Paraná, contribuindo para um melhor conhecimento sobre o gerenciamento das areias a verde e dando subsídios ao estabelecimento de futuras estratégias. The environmental issue has been occupying more space on the national scene. The increasing stringency of the laws makes this thematic focus of great attention. In this context, the foundry appears as a great recycler to use recycled material as raw material in their processes, but at the same time has a low environmental performance because it is a huge consumer of mineral resources and also because of the waste it generates. Among this waste, the foundry sand waste is one of the biggest problems concerning the management of waste from the foundry industry. Beyond the theoretical base on foundry, the approach of this study involved aspects of environmental legislation, development of standards specific to the foundry sand through the ABNT CB-59, concepts and environmental management systems (ISO 14001, Industrial Ecology and Cleaner Poduction) searching to analyze the foundry green sand management in the state of Paraná, with a view to establishing future strategies for the sector. To achieve this goal we carried out a survey of the foundry sector across the Parana and identified the companies using the foundry green sand, was diagnosed on the basis of Cleaner Production, the current situation of management of these materials and projected a future scenario of using the technique of molding sand green. The study showed that the management practices of the green sands encompassed three levels of action of Cleaner Production, the use of this material is still interesting to the foundries under the economic aspect and it probably won't be completely replaced. The main goals of the foundries are the expansion of productive capacity and improving product quality. Difficulties have been identified and highlighted the points where there is need for investment and improvements involving organizational and technological levels of companies surveyed. The study also revealed conflicting data between the total generation of discarded foundry sands informed by companies and the estimative based on the input data, leaving it unclear as to the fate of a large part of this material. Therefore, the approach and results of survey showed its relevance to the foundry industry in the State of Paraná, contributing to a better understanding of the green sand management and giving subsidies to the establishment of future strategies.

Orientadores: Milton Mori, Waldir Pedro Martignoni Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Ciclones são equipamentos amplamente utilizados em indústrias como separadores gássólido. Apesar deste equipamento possuir princípios de funcionamento simples, estudos já demonstraram que o escoamento vorticial confinado inerente aos separadores ciclônicos é, na realidade, muito complexo. O recente avanço em métodos numéricos e poder computacional tornou possível o uso de ferramentas avançadas como a fluidodinâmica computacional (CFD), técnica que propõe a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através de métodos numéricos. Sua aplicação a ciclones não deixou sombra de dúvida da complexidade da fluidodinâmica envolvida, mas mesmo com dificuldades abriu caminho para muitos avanços na área. O presente estudo busca somar à vasta literatura ao discutir a variação de alguns parâmetros específicos para a simulação de ciclones. O primeiro parâmetro foi a condição de contorno de saída de sólidos. Foram estudadas algumas configurações que incluem a saída direta, com dip, leg com caixa coletora e parede. Estas variações provaram ser de enorme influência em toda a fluidodinâmica do sistema. Em seguida é feito um estudo da influência do modelo de turbulência nos campos de escoamento. São aplicados os modelos k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) e Large Eddy Simulation (LES). Os dois primeiros se mostraram inadequados, o SSG-RSM mostrou-se adequado e o LES promissor, porém limitado pela malha esparsa utilizada. Por fim, variou-se a abordagem de modelagem da fase sólida, primeiramente utilizando um modelo Euleriano-Euleriano (E-E) que levava em consideração apenas um diâmetro para a fase sólida e depois um modelo E-E3, com três fases sólidas de diâmetros diferentes sendo simuladas simultaneamente. Através destes modelos foram obtidas curvas de eficiência de coleta fracional e global. Ambos os modelos representaram bem os dados experimentais, mas o E-E3 mostrou superioridade, principalmente no que diz respeito ao tempo total de processamento e escalabilidade da simulação. As geometrias e malhas numéricas foram construídas no pacote ICEM CFD, e os casos resolvidos utilizando o software comercial ANSYS CFX, rodando em paralelo em um cluster de alta performance. Dados experimentais da literatura foram utilizados para validação. Abstract: Cyclones are widely used in industries as gas-solid separators. Although this equipment features simple operational principles, studies have shown that the confined vorticial flow found in cyclonic separators is, in fact, very complex. Recent advances in numerical methods and computational power have made possible the use of advanced tools such as computational fluid dynamics (CFD), a technique that proposes the solution of the equations of conservation of mass, momentum and energy through numerical methods. Applied to cyclones, CFD has left no doubt on the complexity of the fluid dynamics involved, but much progress has been done in this area. The present study seeks to add to this vast literature with the discussion of the variation of a few specific parameters to cyclone simulation. The first chosen parameter was the boundary condition for the outlet of solids. A few configurations were studied, including a direct outlet, dipleg, dust hopper and wall. These variations proved to be of enormous influence to the fluid dynamics of the system. As a second study, four turbulence models were compared: k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The first two proved to be inadequate, SSG-RSM performed the best and LES showed promise, but it suffered the limitations of a coarse mesh. The last studied parameter was the modeling approach to the solids phase, first by utilizing an Eulerian-Eulerian (E-E) model that considered a single diameter for the solid phase and second an E-E3 model, with three solid phases of different diameters being simulated simultaneously. Through these methods the fractional and overall collection efficiency curves were obtained. Both approaches reproduced the experimental data well, but E-E3 was more accurate, also presenting a reduced overall computational time and better scalability. The geometries and numerical meshes were built using the code ICEM CFD, and the cases solved using commercial software ANSYS CFX, running in parallel mode in a high performance computing cluster. Experimental data available in the literature was used as validation. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química