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Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Os adesivos estruturais são amplamente utilizados na indústria civil, aeroespacial, automotiva, e outras aplicações de engenharia, devido à sua capacidade de unir materiais com propriedades distintas e proporcionar uma distribuição uniforme de tensões. No entanto, o desempenho desses adesivos pode ser severamente afetado em ambientes de alta temperatura, que pode afetar significativamente as propriedades mecânicas dos adesivos. Este trabalho tem como objetivo principal investigar o comportamento de adesivos estruturais, tolueno diisocianato (TDI) e do metileno difenil isocianato (MDI) quando expostos a altas temperaturas, aquecendo da temperatura ambiente até a degradação do adesivo. Foi realizado uma análise térmica utilizando um Analisador termomecânico - TMA 7100, por meio de testes de compressão e flexão, aplicando uma carga constante de valor mínimo a fim de apenas estar em contato com a amostra e registrar seu deslocamento, e uma variação de temperatura desde a temperatura ambiente até 400ºC. Análise mecânica dinâmica (DMA) foi realizada no mesmo equipamento com teste de compressão, alterando as condições de teste. A carga aplicada tem uma função senoidal com amplitude de 75mN, primeiro com as mesmas condições de aquecimento e posteriormente mantendo a temperatura constante em 100 e 200ºC durante o processo. Cada teste foi realizado em triplicata, para os dois tipos de adesivos. Os resultados obtidos através do TMA com os valores de transição vítrea (𝑇𝑔) e temperatura de penetração (𝑇𝑝), em torno de 278ºC para o MDI e de 220ºC para o TDI, indicaram uma melhor resistência a altas temperaturas para o adesivo de MDI. Os resultados do DMA, por meio do módulo de elasticidade a 100ºC de 9,56 MPa para MDI e 0,98 MPa para TDI e, para 200ºC, 8,54 e 2,94 MPa para o MDI e TDI respectivamente. Esses valores indicam que o MDI é um material mais rígido em comparação ao TDI. Structural adhesives are widely used in civil, aerospace, automotive, and other engineering applications due to their ability to bond materials with distinct properties and provide evenly stress distribution. However, the performance of these adhesives can be severely affected in high temperature environments, which can significantly affect the adhesives' mechanical properties. The main purpose of this work is to investigate the behavior of structural adhesives, toluene diisocyanate (TDI) and methylene diphenyl isocyanate (MDI) when exposed to high temperatures, heating from room temperature to adhesive degradation. A thermal analysis was performed using a Thermomechanical analysis - TMA 7100, by means of compression and bending tests, applying a constant load of minimum value in order to only be in contact with the sample and register its displacement, and a temperature variation from room temperature up to 400ºC. Dynamic mechanical analysis (DMA) was performed in the same equipment with compression test, changing the test conditions. The applied load has a sine function with amplitude of 75mN, first with same of heating conditions and posteriorly keep a constant temperature of 100 and 200ºC during process. Each test was performed in triplicate for both adhesive types. The results obtained through TMA with the glass transition point (𝑇𝑔) and penetration temperature (𝑇𝑝) values, around 278ºC to MDI and 220ºC to TDI, indicated better high temperature resistance for the MDI adhesive. The DMA results, through modulus of elasticity at 100ºC of 9,56 MPa for MDI and 0,98 MPa for TDI, at 200ºC, 8,54 and 2,94 MPa for MDI and TDI respectively. These values indicate that MDI is a stiffer material compared to TDI.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) O concreto é um material amplamente empregado nas construções civis e, por esse motivo, sua deterioração pode causar danos econômicos e ambientais. A corrosão do concreto pode ocorrer de diversas formas: por estresses mecânicos, mudanças climáticas, variações de temperatura e ataques químicos, como a transposição de sais para dentro dos poros do concreto. Além de acelerar a degradação da armação de aço, esse último processo pode concentrar os sais em alguns pontos, os quais se cristalizam, aumentando a pressão interna nos poros e causado trincas e fissuras, tornando toda a estrutura mais suscetível a outros agentes de deterioração. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é analisar numericamente o transporte acoplado de calor, umidade e sal no meio poroso do concreto. Inicialmente, as equações governantes de transporte foram modeladas e então discretizadas utilizando o Método dos Volumes Finitos. Para a solução do sistema de equações algébricas foi utilizado o Algoritmo MTDMA, do inglês, Multi-TriDiagonal Matrix Algorithm, que permite a resolução simultânea das 3 equações governantes. O modelo proposto foi verificado por meio de comparações feitas a partir de outro estudo disponível na literatura. Outras simulações foram executadas para analisar a influência da umidade e da temperatura no transporte de sal. A partir dos resultados obtidos pode-se observar a importância do processo de imbibição e secagem para o transporte de sal, bem como a influência do gradiente de temperatura nessa análise. Concrete is a material widely applied in civil construction and for this reason its deterioration can cause economic and environmental damage. The corrosion of concrete can occur in several ways: due to mechanical stresses, climatic changes, temperature changes and chemical attacks such as the transposition of salts into concrete pores. In addition to accelerating the degradation of the steel frame, this last process can concentrate the salts in some points, which crystallize, increasing the internal pressure in the pores and causing fissures and cracks, making the whole structure more susceptible to other agents of deterioration. Thus, the objective of this work is to analyze numerically the coupled transport of moisture, heat and salt in the porous medium of concrete. Initially, the governing equations were modeled and then discretized using the finite volume method. For the solution of the system of algebraic equations was used the Multi Tri-Diagonal Matrix Algorithm (MTDMA), which allows the simultaneous resolution of the 3 governing equations. The proposed model was verified through comparisons with a model available in literature. Other simulations were performed to analyze the influence of humidity and temperature on the transport of salt. From the results obtained, it is possible to observe the importance of the imbibition and drying process for the transport of salt, as well as the influence of temperature in this analysis.

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.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A industrialização e o crescimento exponencial da população são diariamente acompanhados por impactos significativos no meio ambiente, bem estar e saúde humana. Atuando como grandes contribuintes, os poluentes emitidos por veículos automotores estão presentes na atmosfera, se dispersando e agindo como vilões invisíveis. Neste contexto, o estudo da dispersão dos poluentes atmosféricos auxilia na criação de soluções que possam melhorar qualidade de vida da população. No Brasil, pesquisas relacionadas ao tema ainda são poucas, e dados de monitoramento da qualidade do ar não são registrados com frequência. Visando ampliar o entendimento da dispersão de poluentes atmosféricos em Ponta Grossa, cidade que ocupa quinto lugar em números de automóveis no Paraná, esta pesquisa se apresenta como pioneiro no estudo da dispersão do monóxido de carbono (CO), em uma microrregião urbana no centro da cidade, além de contemplar uma projeção de cenário futuro considerando a troca da frota de ônibus atual para elétricos. No local simulado há uma grande circulação de pedestres e uma estação de monitoramento da qualidade do ar. A vazão mássica de CO nas vias simuladas foi calculada baseada em fatores de emissões da literatura e na contagem manual do fluxo de veículos no local. As simulações foram realizadas utilizando uma ferramenta de fluidodinâmica computacional (CFD), o software comercial ANSYS/FluentTM 19.1. Com os resultados, foi possível obter visualizações das condições fluidodinâmicas no local, demonstrando possíveis acúmulos de poluentes devido a recirculações e características do vento na região. Os resultados de concentração do CO apresentam valores em torno de 15 ppm, considerando uma altura de 1,5 m em relação ao solo, superiores ao valor de 9 ppm, considerado limite de acordo com os padrões da qualidade do ar nacionais. Na projeção do cenário futuro, com a substituição de todos os ônibus convencionais que circulam no local para ônibus elétricos, foi obtida uma redução de até 8,5% nas emissões de CO, o que implica na possível melhoria da qualidade do ar respirado pela população local. Industrialization and the exponential population growth are daily accompanied by significant impacts on the environment, well-being and human health. Acting as major contributors, pollutants emitted by motor vehicles are present in the atmosphere, dispersing and acting as invisible villains. In this context, the study of air pollutants dispersion helps to create solutions that can improve the population’ life quality. In Brazil, there are still few researches related to the subject, and air quality monitoring data are not frequently obtained. Aiming to broaden the understanding of atmospheric pollutants dispersion at Ponta Grossa, city that occupies 5th place in car numbers at Paraná state, this research presents itself as a pioneer in the study of carbon monoxide (CO) at an urban micro region downtown. Also contemplating a projection of future scenario considering the exchange of current buses fleet to electric ones. At the simulated site there is a large circulation of pedestrians and an air quality monitoring station. The CO mass flow in the simulated routes was calculated based on literature emission factors and the manual counting of the vehicles flow in the site. The simulations were performed using a computational fluid dynamics (CFD) tool, commercial software ANSYS/FluentTM19.1. With the results, it was possible to obtain visualizations of the fluid dynamics conditions in the place, demonstrating possible pollutants accumulations due to recirculation region and wind characteristics. The results of CO concentration are around 15 ppm, considering 1.5 m of heightin relation to the ground level, above 9 ppm, considered the limit according to the national air quality standards. In the future scenario projection, with the change of all conventional buses that circulate in the place to electric buses, a reduction of up to 8.5% in CO emissions was obtained, which reflects in the improvement of the air quality to the local population.

Uma forma de reduzir o consumo de energia em edificações, devido à utilização de equipamentos de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC, do inglês heat, ventilation and air conditioning), consiste na utilização do solo como trocador de calor. Em consequência da sua alta capacidade térmica, o solo pode trabalhar como um reservatório térmico, aquecendo ou resfriando o ar do ambiente interno das edificações, dependendo das condições climáticas. Deste modo, verificou-se o desempenho térmico deste tipo de trocador de calor numericamente por meio da dinâmica dos fluidos computacional (CFD, do inglês Computational Fluid Dynamics). Neste trabalho, analisou-se primeiramente os efeitos da velocidade do ar, do diâmetro da tubulação e das propriedades térmicas do solo na troca térmica entre o solo e o ar. Na sequência, investigou-se a configuração geométrica da tubulação em relação a sua distribuição dentro do solo (serpentina com uma, duas ou quatro voltas), a fim de otimizar a área de instalação. A partir dos resultados, observou-se que os melhores desempenhos foram obtidos para o trocador de calor com uma tubulação de diâmetro de 10 cm, operando a uma velocidade do ar de 2,5 m/s e utilizando o solo saturado (maior condutividade térmica). Uma distância entre os tubos a partir das linhas de centro de 0,5 m mostrou-se a mais adequada para a estruturação das serpentinas. Simulações em regime transiente também foram realizadas (considerando um período de 1 ano), utilizando-se de funções senóidais para descrever tanto o comportamento da temperatura externa do ar, quanto da radiação solar. Nowadays the soil has been used widely as a heat exchanger, in order to reduce energy consumption in buildings caused by heating, ventilation and air conditioning (HVAC) equipment. Due to high thermal capacity, the soil can be used as a thermal reservoir, heating or cooling the indoor air of the buildings, depending on the weather conditions. In this way, the thermal performance of this type of heat exchanger was verified numerically by computational fluid dynamics (CFD). In this work, the effects of air velocity, pipe diameter and soil thermal properties on the thermal exchange between soil and air were first analyzed. Then, the geometric configuration of the pipe was investigated in relation to its distribution inside the soil (serpentine with one, two or four turns), in order to optimize the installation area. From the results, it was observed that the best performances were obtained for the heat exchanger with a tube with 10 cm of diameter, operating with an air velocity of 2.5 m/s and using saturated soil (higher thermal conductivity). A distance between the tubes from the center lines of 0.5 m was the most suitable for the design of the serpentines. Transient simulations were also performed (considering a period of 1 year), using sinusoidal functions to describe the behavior of external air temperature and solar radiation.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Um parâmetro fundamental no projeto de sistemas de condutas de fluidos é a perda de energia causada pelo atrito viscoso, a qual é quantificada pelo fator de atrito. Em escoamentos turbulentos a expressão padrão utilizada para quan- tificar essa perda de energia é a correlação empírica introduzida por Colebrook (1939), que deve ser calculada iterativamente. Como alternativa, várias correla- ções explícitas já foram propostas e podem reduzir o tempo computacional em simulações de grandes sistemas de condutas. Neste contexto, este trabalho per- mitiu avaliar a precisão de 43 correlações explícitas e também a complexidade ou eficiência computacional, tanto das correlações explícitas quanto dos méto- dos de cálculo da correlação de Colebrook. Foram calculados os erros relativos e os coeficientes de determinação das correlações explícitas em relação à corre- lação de Colebrook e, através das funções tic e toc no programa de computador GNU Octave, foram medidos seus tempos computacionais. O método mais ve- loz de cálculo da correlação de Colebrook consome aproximadamente o dobro do tempo computacional da correlação explícita mais lenta. As correlações ex- plícitas com o melhor equilíbrio entre precisão e velocidade são: a correlação de Serghides (1984) (Equações (44), (45), (46) e (47)), que apresenta erros máximo de 0.00314% e médio de 0.00055%; a correlação de Shacham (1980) (Equa- ções (34) e (35)), com erro máximo de 0.01740% e erro médio de 0.00206%; a correlação de Brkic ́ e Praks (2019) (Equações (88), (90), (91) e (92)) que possui erro máximo de 0.12447% e erro médio de 0.05500%; e a correlação de Fang, Xu e Zhou (2011) (Equação (69)), que apresenta erros de até 0.49149% e erro médio de 0.16294%. A fundamental parameter in the design of pipe system is the energy loss due to viscous friction, which is quantified by the friction factor. For turbulent flow, the standard formula is the empirical correlation introduce by Colebrook (1939), which must be computed iteratively. Alternatively, many explicit correlations were proposed and may reduce the computational time in large pipe systems simu- lations. In this context, this work allowed to evaluate the accuracy of 43 explicit correlations and also the computational complexity or efficience of both explicit correlations and iterative computations of Colebrook’s correlation. It was calcula- ted the relative errors and coefficients of determination of the explicit correlations against correlation by Colebrook and, using the tic and toc functions in GNU Oc- tave software, the computational times were measured. It was discovered that the fastest method of calculation of Colebrook’s correlation spend twice the com- putational time of the slowest explicit correlation. The explicit correlations with the best balance between accuracy and computational time are: correlation by Serghides (1984) (Equations (44), (45), (46) and (47)), with causes maximum er- ror of 0.00314% and average error of 0.00055%; correlation by Shacham (1980) (Equations (34) and (35)), which has maximum error of 0.01740% and average er- ror of 0.00206%; correlation by Brkic ́ e Praks (2019) (Equations (88), (90), (91) e (92)), which causes maximum error of 0.12447% and average error of 0.05500%; and correlation by Fang, Xu e Zhou (2011) (Equation (69)), which has errors up to 0.49149% and average error of 0.16294%.

Equipamentos eletroeletrônicos precisam dissipar calor durante o seu funcionamento para que as temperaturas alcançadas sejam mantidas dentro dos limites de operação. Altas temperaturas de operação podem danificar os equipamentos por meio de difusão nos materiais, descolagem de partes ou tensões térmicas. Para evitar estes danos, dissipadores de calor devem ser utilizados, para manter as temperaturas em níveis seguros e aceitáveis. Os mais comumente utilizados são os dissipadores de calor aletados, chamados também apenas de aletas. Estas superfícies estendidas podem ser utilizadas tanto em convecção natural, como também em convecção forçada. Neste contexto, visando analisar a transferência de calor em componentes periféricos de computadores como placas mãe e placas de vídeo, são realizadas simulações numéricas e testes experimentais de transferência de calor em um modelo aproximado destes componentes, através do uso de dissipadores de calor aletados em convecção forçada, promovida pelo uso de um ventilador comercial que também se encontra na biblioteca do software ANSYS/IcepakTM. Isto fornece uma condição de simulação mais realística, fornecendo dados confiáveis para comparações entre a simulação numérica e o teste experimental realizado em bancada. Os resultados obtidos da análise experimental foram comparados com os resultados das simulações numéricas e apresentaram uma concordância satisfatória. O método numérico foi utilizado para estudos de otimização geométrica do dissipador de calor, que apresentou a melhor configuração do conjunto de aletas para cada faixa de escoamento. Electronic equipment must dissipate heat during its operation so that the temperatures reached are kept within the operation limits. High operating temperatures can damage the equipment through diffusion in materials, part take-off or thermal stress. To avoid these damages, heat sinks should be used, to keep temperatures at safe and acceptable levels. The most commonly used are finned heat sinks. These extended surfaces can be used both in natural convection as well as in forced convection, which promotes the removal of higher rates of heat. In this context, in order to analyze the heat transfer in peripheral components of computer such as motherboards and video cards, this work performs numerical simulations and experimental tests of heat transfer in an approximate model of these components, through the use of finned heat sinks in forced convection, promoted by the use of a commercial fan that is also in the IcepakTM library. This provides a very realistic simulation condition, providing reliable data for comparisons between the numerical simulation and the experimental bench test. The results obtained from the experimental analysis were compared with the results of the numerical simulations and showed a satisfactory agreement. The numerical method was used for geometric optimization studies of the heatsink, which presented the best configuration of the set of fins for each flow range.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Os coletores solares assistidos por termossifões, ou também chamados de coletores solares à vácuo, são alternativas viáveis para a utilização de aquecimento de água e atuam diretamente sobre uma parcela significativa do consumo de energia. Eles são mais eficientes, operam em temperaturas superiores e podem ser mais compactos em comparação aos coletores solares convencionais. Nesta Dissertação de Mestrado são apresentados a concepção e os testes experimentais de três diferentes configurações de termossifões aplicáveis em coletores solares, denominados de Termossifões do Tipo #1, Tipo #2 e Tipo #3, sendo o melhor entre os três tipos analisado em bancada experimental na forma de um protótipo de coletor solar assistido por sete termossifões para aplicação em aquecimento de água doméstica. Primeiramente, foi feita a análise teórica a partir dos limites operacionais dos termossifões, que indicam a máxima quantidade de energia na forma de calor que o dispositivo transfere sob certas condições de operação. Para essa determinação foi elaborado um código computacional utilizando o software Engineering Equation SolverTM (EESTM). A partir desta análise e de testes experimentais preliminares, identificou-se que o Termossifão do Tipo #3 foi o que demonstrou os melhores resultados de resistência térmica e temperatura de operação nas diferentes vazões e inclinações analisadas. No protótipo de coletor solar assistido por termossifões, os sete termossifões tiveram comportamentos muito próximos ao encontrado com o Termossifão do Tipo #3 analisado individualmente, comprovando que esse é o comportamento característico dessa configuração. Na análise de eficiência, o protótipo de coletor solar obteve valores entre 60% e 90%, resultados maiores que de um coletor solar convencional, que é de 30%. Após este estudo, foi possível então, identificar que a utilização de termossifões em coletores solares é uma alternativa altamente viável para a economia de energia aplicada ao aquecimento de água doméstico. Solar collectors assisted by thermosyphons or also called vacuum solar collectors, are viable alternatives for the use of water heating and act directly on a significant portion of the energy consumption. They are more efficient, operate at higher temperatures, and can be more compact compared to conventional solar collectors. In this Master's Dissertation are presented the design and the experimental tests of three different configurations of thermosyphons applicable in solar collectors, denominated thermosyphons of the Type # 1, Type # 2, and Type # 3. Also, the best configuration is analyzed in an experimental bench in the form of a prototype of solar collector assisted by seven thermosyphons for application in domestic water heating. Firstly, the theoretical analysis was made from the operational limits of the thermosyphons, which indicate the maximum amount of energy in the heat form that the device transfers under certain operating conditions. For this determination, a computational code was elaborated using Engineering Equation Solver (EESTM) software. From this analysis and preliminary experimental tests, it was identified that the thermosyphon of the Type # 3 was the one that demonstrated the best results of thermal resistance and operating temperature in the different flow rates and inclinations analyzed. In the prototype of the solar collector assisted by thermosyphons, the seven thermosyphons had behaviors very close to that verified in the thermosyphon Type # 3 analyzed individually, proving that this is the characteristic behavior of this configuration. In the efficiency analysis, the prototype of the solar collector obtained values between 60% and 90%, results greater than that of a conventional solar collector, which is 30%. After this study, it was possible to identify that the use of thermosyphons in solar collectors is a highly feasible alternative for the energy saving applied to domestic water heating.

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.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná O presente trabalho enquadra-se no contexto da recuperação do património histórico de um antigo moinho movido à roda de água horizontal e do contributo para torná-lo – hoje em dia um museu de divulgação da ciência (A Casa da Seda) – uma casa-modelo autossustentável baseada em fontes renováveis. Desenvolveu-se uma unidade em laboratório, inserida numa plataforma para testes pico-hidroelétricos, à cota do museu (3,5 m) e um protótipo de roda de água horizontal ao diâmetro dado pela largura da galeria que abrigá-la-á (1,2 m). Verificou e validou-se a eficiência do protótipo, aproximadamente 24% conforme ao alcançado pelas rodas clássicas. A análise decorreu de estimativas a partir da análise experimental do caudal volúmico, à entrada da roda, e da potência elétrica, à saída do gerador conectado a reóstatos (ajuste manual do ponto ideal de operação). Numa primeira e adicional análise, o gerador também foi ligado à rede através de microinversores fotovoltaicos convencionais. Validou-se o ponto ideal funcionamento da roda para máxima eficiência (velocidade periférica da roda à metade da velocidade dos jatos), entretanto, sem extrair a máxima potência do gerador. Ao fim deste projeto estabelece-se uma unidade para testes de turbinas hidráulicas de ação – bem como da versão definitiva da roda a ser instalada na Casa da Seda. Sugerem-se futuras abordagens avaliando-se jatos de menor diâmetro, conexões à rede que extraiam maior potência e um sistema ajustável de multiplicação da velocidade da roda para o gerador elétrico. This work is established in the restoration of the historical heritage of an old mill based on a horizontal waterwheel and the contribution to make it – nowadays a museum for the dissemination of science (The Silk House) – a self-sustainable model house based on renewable sources. A laboratory unit, of a platform for pico-hydroelectric testing, at the museum's head (3,5 m), and a horizontal waterwheel prototype, at the diameter given by the width of the gallery that will house it (1,2 m), were built. The efficiency of the prototype was verified and validated, approximately 24% according to that achieved by the classical wheels. The analysis was based on estimates from the experimental analysis of the volume flow, the wheel input, and the electric power, on the generator connected to rheostats (manual adjustment for the ideal operating point). In a first and additional analysis, the generator was also connected to the grid by conventional photovoltaic micro inverters. The ideal wheel operating point has been validated for maximum efficiency (peripheral wheel speed at half jet speed), however, without extracting maximum generator power. At the end of this project is established a unit for testing hydraulic action turbines – as well as the definitive version of the wheel to be installed at the Silk House. Future approaches are suggested by evaluating smaller diameter jets, connections that extract more power and an adjustable wheel speed multiplication system for the generator.

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.