Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEM

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Otimização estrutural evolucionária em estruturas de absorção de energia
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-03-25) Andrade, Fábio Morais de; Magalhães, Cristina Almeida; http://lattes.cnpq.br/3127609568989733; http://lattes.cnpq.br/0867095683761215; Magalhães, Cristina Almeida; Magalhães Júnior, Pedro Américo Almeida; Mottin, Artur Caron
A utilização de materiais de alto desempenho se tornou importante em diversos campos da engenharia, como na indústria automotiva e aeroespacial, devido aos recursos materiais limitados, impacto ambiental e competição tecnológica. De outro lado, sabe-se que a otimização topológica estrutural é uma ferramenta de desenvolvimento de estruturas com ampla aplicação industrial. Dentre os vários métodos de otimização topológica existentes, a otimização estrutural evolucionária tem se destacado pela sua versatilidade, podendo ser utilizada em diversos tipos de problemas de engenharia. Na tentativa de combinar esses campos, este trabalho consiste no estudo do método de otimização evolucionária BESO (Bidirectional Evolutionary Structural Optimization) soft-kill e hard-kill full design e estimativa inicial de design aplicado a sistemas estáticos lineares e não lineares sob critério de rigidez e tensão e em estruturas de absorção de energia através de um algoritmo em Python suportado pelo software de elementos finitos Abaqus®. Para os sistemas lineares e não lineares, o método BESO foi comparado ao método SIMP e foi verificado os mesmos resultados para estruturas 2D contidas na literatura, assim como as técnicas BESO soft-kill e hard-kill full design e estimativa inicial de design, sendo as estruturas otimizadas não linearmente, mais rígidas que as otimizadas linearmente. Já para as estruturas 3D lineares e não lineares, o método BESO hard-kill de estimativa inicial de design se provou o mais eficiente, tanto em termos computacionais, quanto em conseguir uma solução ótima melhor que os demais métodos. Foi verificado também que o critério de tensão é equivalente ao critério de rigidez. Para as estruturas de absorção de energia, o método foi comparado ao trabalho de Fosberg e Nilsson (2007) em que foi obtido a mesma topologia pela otimização da parte frontal inferior de proteção de caminhão. Observou-se que o material da estrutura não interfere diretamente na topologia final, embora altere-se os valores de força máxima e energia de absorção. Porém, foi observado que o tipo de carregamento, diferentes condições de contorno e proporções de comprimento e altura maiores tem influência direta na topologia final, assim como nos valores de força máxima e energia de absorção, sendo necessário a definição desses parâmetros de projeto para obtenção de uma solução ótima que atenda às necessidades de projeto.
Análise do desempenho energético de condicionadores de ar tipo split fixo e inverter em habitações de interesse social
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-03-29) Silva, Wesley Cecilio; Oliveira, Raquel Diniz; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; http://lattes.cnpq.br/5446350175411464; http://lattes.cnpq.br/0005625273834609; http://lattes.cnpq.br/2001381701028078; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes; Pedrini, Aldomar
O presente trabalho teve por objetivo analisar o desempenho de condicionadores de ar do tipo Split inverter em relação a equipamentos do tipo Split convencional, considerando um cenário hipotético para uma edificação residencial de interesse social (HlS), em clima quente e úmido. Selecionou-se, como referência, uma edificação existente localizada na cidade de Jacarepaguá, Rio de Janeiro. Simulações termo energéticas, utilizando o programa ©EnergyPlus e o aplicativo, ©OpenStudio foram empregadas para a obtenção de resultados, um modelo de referência da edificação real selecionada foi elaborado a partir dos procedimentos estabelecidos no método de simulação do Regulamento técnico da qualidade para o nível de eficiência energética (RTQ-R, 2012). Por meio do método consideraram-se também padrões de uso e ocupação. Como resultado, obteve-se o modelo virtual da edificação e, concomitantemente, foram inseridos dados dos componentes construtivos, do padrão de uso e ocupação, das cargas energéticas do sistema de iluminação artificial, dos equipamentos elétricos, do condicionamento de ar e respectivas curvas de desempenho, conforme disponibilizado por fornecedores, bem como informação sobre a infiltração do ar, conforme disposto na norma NBR 16555-3 (2018). Estimou-se a carga térmica das habitações e, consequentemente, o desempenho energético foi analisado por meio do consumo de energia elétrica mensal e do EER operacional anual simulado desses equipamentos. Por meio da simulação foi possível verificar a diferença no desempenho operacional dos condicionadores comparados além dos fatores que influenciam no consumo de energia, no que diz respeito às condições climáticas. Desta forma, a substituição hipotética de Split fixo por aparelhos Split inverter, possibilitou redução de até 41% no consumo de eletricidade anual, bem como aumento da eficiência energética, por meio do alcance de valores superiores a 30%, comparando às duas categorias de condicionadores. Os resultados obtidos nessa pesquisa ainda retratam que a opção por utilizar condicionadores do tipo inverter reduziriam o consumo operacional consideravelmente, proporcionado uma economia mínima anual de R$ 3.000,00 independente da habitação analisada, tornando-se assim uma escolha atrativa a longo prazo.
Pontos críticos do sistema de gestão da qualidade de organismos de inspeção veicular
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-04-04) Machado, Eduardo Gonçalves; Santos, Sandro Cardoso; http://lattes.cnpq.br/6898188197618037; http://lattes.cnpq.br/9663199080983078; Santos, Sandro Cardoso; Shigaki, Yukio; Oliveira, Claudinei José de
Os veículos devem passar por inspeções durante seu ciclo de vida, visando atender à legislação de trânsito e do meio ambiente, mas também para garantir o pleno funcionamento de todos os sistemas automotivos, promovendo a segurança de seus ocupantes e demais usuários das vias. O Inmetro estabelece diretrizes de qualidade, visando que organismos de inspeção sejam acreditados para realizar essa atividade em seu nome. Para garantir que o trabalho desenvolvido esteja atendendo às expectativas do órgão, são realizadas auditorias anuais baseadas na norma ABNT NBR ISO/IEC 17020:2012, que registram não conformidades quando há evidências do não cumprimento de algum item. O objetivo deste trabalho é avaliar, a partir do histórico de não conformidades de alguns organismos, os itens de mais difícil aplicação na norma. Esses itens são os pontos críticos para a implantação e manutenção dos sistemas de gestão da qualidade utilizados pelos organismos de inspeção, sendo necessária mais atenção para que as empresas não incorram em falhas com potencial de prejudicar o cidadão ou gerar sanções ao organismo por parte do acreditador. Para a consecução dos objetivos, foi criado um banco de dados onde foram inseridas as informações constantes nos formulários FOR-CGCRE-388, que contêm a descrição das não conformidades registradas em auditorias e o tratamento proposto pelo organismo no período de janeiro de 2013 a dezembro de 2021. Foram reunidos 722 registros de não conformidades registradas em 93 auditorias de 14 empresas. A análise do inventário de não conformidades demonstra que os organismos, com o passar do tempo, evoluíram em maturidade em seus sistemas de gestão da qualidade, pois a média de não conformidades por auditoria reduziu com o passar do tempo. O resultado deste estudo aponta que o item 7.3.1 da norma é aquele onde mais são registradas falhas dos organismos. Esse item se refere ao compromisso dos organismos de manter registros para demonstrar a efetividade na realização das inspeções e permitir sua avaliação. Foram registradas mais de 200 falhas associadas a filmagens, fotografias e registros físicos das inspeções realizadas, que representam 29,8% das não conformidades cadastradas no inventário. Recomenda-se que os organismos invistam em equipamentos capazes de capturar imagens em alta resolução e incluam no processo de inspeção uma análise crítica apurada de cada registro, por parte do engenheiro responsável, antes da entrega dos certificados ao cliente.
Simulação numérica 1D do desempenho de um motor monocilíndrico com razão volumétrica de compressão variável operando com E100
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-04-07) Assis, Marcelo Suman Silva; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Moreira, Thiago Augusto Araújo; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/3461698509318108; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Baeta, José Guilherme Coelho; Guzzo, Márcio Expedito; Souza, José Leôncio Fonseca de
Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA) o setor de transportes é o segundo maior gerador de gases intensificadores do efeito estufa, atrás apenas do setor de aquecimento de ambiente. Por estas razões a busca por soluções ambientalmente sustentáveis para o setor de transporte faz-se necessária. A eletrificação da frota apontada por muitos como a solução para este desafio ambiental não é tão promissora quanto parece, uma vez que 63,95% da energia elétrica gerada no mundo é oriunda de fonte fóssil. Projeções estatísticas apontam que pelo menos 73% da frota de veículos leves em 2050 no mundo serão equipados com motores de combustão interna. Neste contexto o desenvolvimento de motores com elevada eficiência de conversão de combustível movido a biocombustíveis é de suma importância. A enorme capacidade do Brasil em produzir etanol, associado as suas propriedades físico-químicas que fazem deste combustível uma excelente opção para alimentação dos motores de ignição por centelha e a disponibilidade de uma rede de distribuição deste combustível em todo território nacional fazem dele a alternativa mais interessante para o Brasil. Este trabalho tem como objetivo avaliar o potencial de redução de consumo específico de combustível através do aumento da razão volumétrica de compressão (𝑟𝑐) para um motor movido exclusivamente a etanol. Para este fim um modelo matemático 1D usando o código do GT-Power foi desenvolvido, para um motor monocilíndrico de pesquisa experimental da AVL modelo 5496. A partir de dados experimentais este modelo foi calibrado e validado para todas as condições de operação testadas, onde a razão volumétrica de compressão é variada em 11,5:1, 13,0:1, e 15,0:1, operando com etanol hidratado E100. Uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais foi observada. Os erros numéricos nos parâmetros de desempenho ficaram abaixo dos 5%. A análise dos dados numéricos obtidos para ISFC mostram que o aumento de uma razão volumétrica de compressão de 11,5:1 a 15,0:1, adequada para as propriedades físico-químicas do etanol, podem proporcionar uma redução do ISFC superior a 4,2%.
Desenvolvimento de uma ferramenta otimizada para execução de diagnóstico energético em prédios administrativos: estudo de caso aplicado em uma instituição de ensino
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-06-19) Domingos, Diogo Nunes; Jota, Patrícia Romeiro da Silva; http://lattes.cnpq.br/0977994271668461; http://lattes.cnpq.br/7624734174637856; Jota, Patrícia Romeiro da Silva; Gomes, Deilton Gonçalves; Lima, Frederico Romagnoli Silveira
Em resposta ao aquecimento global e ao forte aumento do preço dos combustíveis fósseis nas últimas três décadas, governos, empresas e organizações internacionais têm buscado promover a eficiência energética enquanto medida para mitigação das emissões de gases de efeito estufa, enquanto um importante motor do desenvolvimento econômico sustentável. Portanto, metodologias de diagnóstico energético que sejam de fácil assimilação, cuja aplicação ocorra via ferramentas digitais práticas que auxiliam na operacionalização do processo, tem se mostrado de grande importância para a promoção da conservação da energia em larga escala. Desta forma, o presente trabalho visa apresentar a implementação de uma metodologia de diagnóstico energético específica para prédios administrativos de uso público em uma ferramenta digital desenvolvida para este propósito. Também são apresentados os resultados alcançados a partir de um estudo de caso executado em uma instituição de ensino, onde foram diagnosticados através da ferramenta desenvolvida os sistemas associados aos sistemas de iluminação. Os resultados demonstraram que a aplicação da ferramenta é funcional e prática, cuja aplicação é viável para diferentes tipos de instalações administrativas.
Desenvolvimento de um modelo numérico 1D para simulação do desempenho, consumo específico de combustível e parâmetros de combustão de um motor monocilíndrico de pesquisa operando com injeção direta de etanol
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-06-23) Castro, Daniel Heleno de; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Moreira, Thiago Augusto Araújo; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/5082293146914211; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Guzzo, Márcio Expedito; Almeida, Helder Giostri Alves de
O setor do transporte é responsável por 24% das emissões de GHG no mundo e 8,6% no Brasil. No país, os combustíveis fósseis representam 76,9% da matriz energética do setor de transportes. Com uma insolação média de 4800 Wh/m², 188,7 milhões de ha de terras agricultáveis e uma rede de distribuição completamente desenvolvida, o etanol é a melhor solução para a sustentabilidade da mobilidade no Brasil. Este fato associado ao elevado custo dos veículos elétricos e aos enormes desafios ambientais relacionados à fabricação das baterias, apontam para a importância das pesquisas de motores de combustão interna abastecidos com etanol e outros biocombustíveis. O presente trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da razão volumétrica de compressão no consumo específico de combustível (ISFC) de um motor de combustão interna monocilíndrico de pesquisa, modelo AVL 5496, com sistema de injeção direta de combustível, movido a etanol. Para esta finalidade foi proposto um modelo matemático 1D implementado no software GT-Power. O modelo foi calibrado e validado a partir de dados experimentais para 3.000 e 4.500 RPM na condição de plena carga e RC de 11,5:1. As diferenças encontradas entre o modelo simulado e os dados experimentais foram inferiores a 5% para os parâmetros de pressão média efetiva indicada (PMEI), vazão mássica de ar, torque e potência indicada, e ISFC, demonstrando a validação do modelo e a correta correlação das condições de contorno. As simulações ocorreram para três razões volumétricas de compressão (11,5:1; 13,0:1 e 15,0:1) e onze condições operacionais do motor, totalizando trinta e três condições diferentes. Os erros numéricos se mantiveram abaixo de 5%. Os resultados apresentaram uma tendência de redução do ISFC com o aumento da razão volumétrica de compressão. O aumento da razão volumétrica de compressão de 11,5:1 para 15,0:1 implicou em uma redução superior a 4% no ISFC, para o motor estudado com o uso do etanol.
Validação do modelo de elementos finitos 3D/método dos blocos para laminação de produtos planos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-06-29) Wojciechowski, Renan Bueno; Shigaki, Yukio; http://lattes.cnpq.br/5952970584364630; http://lattes.cnpq.br/7927514846058196; Shigaki, Yukio; Moreira, Luciano Pessanha; Sade, Wagner
O avanço da tecnologia atual para laminar produtos planos está ligado, entre outros fatores, à capacidade de se produzir chapas finas sem defeitos de planicidade. Para tornar isso possível é imprescindível utilizar modelos capazes de prever a qualidade do produto e comportamento do laminador. Com eles podem-se obter vários dados que ajudam a viabilizar e otimizar a produção através do melhor controle de parâmetros como a carga de contraflexão, geometria do equipamento, posicionamento dos cilindros, aplicação de tração na chapa, entre outros. Os modelos já existentes permitem obter resultados precisos e diversos, porém demandam muitos recursos computacionais. Essa desvantagem é amenizada pelo uso do modelo de Elementos Finitos 3D/Método dos Blocos (modelo híbrido) que demonstra capacidade de obter resultados confiáveis, mesmo com agravantes como a baixa espessura de 0,288 mm da chapa analisada neste trabalho. Isto o torna especialmente útil quando é necessária a realização de diversas simulações, como ocorre em análises de sensibilidade. Contudo, a sua metodologia inovadora necessita de um estudo mais aprofundado. Ela utiliza o modelo de cálculo de carga de laminação de Bland-Ford com o raio corrigido de Hitchcock para calcular a interação entre cilindro e chapa (carga e arco de contato) e depois aplicá-la em uma simulação estática em Elementos Finitos da cadeira de laminação, com a finalidade de calcular o perfil de espessuras da chapa produzida. Este trabalho propõe testar a validade do modelo híbrido, aplicando-o em uma nova simulação na qual os dados de entrada foram obtidos experimentalmente para uma cadeira de laminação a frio quádruo, que produz uma chapa de aço com espessura de final de 0,288 mm. A precisão, consistência e o baixo tempo computacional requerido são avaliados por dois procedimentos: comparação entre o perfil da chapa calculado e o medido experimentalmente; execução de análises de sensibilidade. As várias considerações envolvidas no método de modelagem utilizado são enumeradas e depois testadas quando admitidas como significativas. Diversos aprimoramentos no algoritmo do modelo híbrido são propostos e implementados para cumprir os objetivos citados, destacando-se a compatibilização com a não simetria no plano da chapa. Os programas desenvolvidos são devidamente registrados em um manual de operação. Para a chapa laminada, a coroa (com 𝑗=40 𝑚𝑚) foi de 10,37 μm para a simulação e 8,16 μm para as medições experimentais. Esta diferença pode ter ocorrido devido à imprecisão da medida da carga de contraflexão e de determinadas hipóteses do modelo. O modelo híbrido apresentou consistência e um baixo tempo de execução (≈1,5 horas), mesmo optando por uma malha altamente refinada.
Análise energética e exergética da secagem de milho em secador cilíndrico com fluxo vertical de ar utilizando o método dos volumes finitos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-07-05) Azalim Júnior, Fernando; Souza, José Leôncio Fonseca de; http://lattes.cnpq.br/0976210016960340; http://lattes.cnpq.br/6921184989623033; Souza, José Leôncio Fonseca de; Ferreira, André Guimarães; Amantéa, Rafael Pinheiro
A secagem de grãos é um processo térmico para remoção de umidade de produtos agrícolas a fim de preservar a qualidade. Porém, este processo possui um alto gasto energético, que varia de 10 a 25% do uso nacional da energia a cada ano. Logo, são relevantes os estudos referentes a secagem, a fim de se conseguir o uso mais eficiente dos recursos energéticos. O presente trabalho realizou o estudo de um modelo matemático de secagem de grãos de milho em leito fixo. O modelo matemático utilizado foi baseado na literatura consultada e os resultados numéricos foram resolvidos através do Método dos Volumes Finitos com o software ANSYS Fluent, e com a ferramenta User-Defined Function (UDF). Os dados experimentais foram obtidos do trabalho de Dias (2019) que realizou 6 experimentos utilizando as temperaturas 40, 50 e 60°C e as velocidades 0,8 e 1,3 m.s-1 para o ar de secagem em um secador cilíndrico com 130mm de diâmetro e 200mm de altura. Os dados experimentais da literatura foram confrontados com os resultados numéricos para validação do modelo matemático de secagem de grãos em leito fixo. A validação do modelo matemático considerou 3 parâmetros estatísticos: o coeficiente de determinação (𝑅2), a raiz do erro quadrático médio (𝑅𝑀𝑆𝐸) e o percentual BIAS (𝑃𝐵𝐼𝐴𝑆) e a variável utilizada foi o teor de umidade. Os valores medidos para os 6 experimentos apresentaram concordância com os valores simulados para o modelo bidimensional, com o valor de 𝑅2 variando entre 0,9978 e 0,9997 e os valores de 𝑅𝑀𝑆𝐸 e 𝑃𝐵𝐼𝐴𝑆, sendo próximos de zero. Três novas equações de propriedades do milho vindas da literatura foram adicionadas ao modelo matemático em substituições as equações antigas. Ao realizar a validação utilizando os três parâmetros estatísticos descritos anteriormente, concluiu-se que essas equações podem ser utilizadas no modelo matemático. O modelo tridimensional também foi capaz de prever o comportamento da secagem e os valores foram próximos do modelo bidimensional. Por fim, foi realizada uma análise energética e exergética dos 6 experimentos de secagem, onde o experimento, com temperatura de entrada igual a 40°C e velocidade igual a 0,8 m.s-1, obteve a maior média de eficiência energética, sendo igual a 17,50% e o experimento com temperatura de entrada de 60°C e velocidade de 0,8 m.s-1, obteve a maior média de eficiência exergética, sendo igual a 2,47%.
Simulação do knock em motores de ignição por centelha: comparação e validação dos modelos para E27
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-08-18) Penha, Paulo Ricardo da; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Baeta, José Guilherme Coelho; Barros, José Eduardo Mautone
Os motores de combustão interna são a forma de propulsão ainda predominante em veículos de pequeno porte, além de estarem presentes em diversas outras aplicações de transporte, geração de energia e trabalho de grande porte. Segundo a ANFAVEA, 85% dos veículos de pequeno porte registrados em 2021 no Brasil eram equipados com motores de ignição por centelha. Desta forma, o desenvolvimento dos motores de ignição por centelha segue sendo uma relevante abordagem de pesquisa em transportes e conversão de energia, em busca do aumento de sua eficiência térmica e redução do consumo de combustível e emissões de poluentes. A detonação é uma forma de combustão anormal que impõe severas restrições à eficiência térmica dos motores de ignição por centelha. Também chamado de knock, termo que será utilizado neste trabalho, este fenômeno é caracterizado pela propagação de ondas de choque supersônicas que excitam a estrutura do motor podendo causar danos severos e irreparáveis. Por tais motivos, o knock é um fenômeno de combustão anormal que deve ser evitado a fim de que os motores operem de forma eficiente e alcancem sua vida útil necessária. O presente trabalho tem o objetivo de comparar métodos de detecção de knock com as equações básicas de modelos computacionais de knock, incluindo modelos utilizados em programas computacionais comerciais disponíveis no mercado, e verificar a aplicabilidade destes modelos para a um motor operando com E27 em plena carga. Para tal análise, uma rotina computacional foi escrita para, a partir de dados experimentais de um motor quatro cilindros, determinar os valores de três métodos de detecção de knock. A mesma rotina utiliza os dados do mesmo motor para calcular três modelos 0D de autoignição. Doze condições operacionais foram avaliadas, com poucas diferenças entre os resultados dos métodos de detecção utilizados. O indicador MAPO registrou valores abaixo de 5,5kPA de amplitude para os casos sem knock (de 1500rpm a 3600rpm) e valores acima de 20,5kPa para os casos com knock (4000rpm a 5500rpm). O modelo de Douaud resultou em boas correlações com os índices de knock, ainda que tenha identificado autoignição para todos os casos, exceto o caso de 6000rpm. Os modelos de Hoepke e Chen não obtiveram boas correlações com os indicadores de knock. Pode-se verificar ainda a boa correlação do modelo de Douaud com as inflexões nas curvas de liberação de calor, bem como correlacionar a inclinação da integral de autoignição com a existência do knock ou apenas autoignição no ciclo.
Simulação energética de uma edificação comercial com fotobiorreatores integrados para redução da carga térmica do sistema de climatização e aproveitamento de energia térmica para aquecimento de água
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-08-31) Duarte, Matheus de Andrade; Oliveira, Raquel Diniz; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; http://lattes.cnpq.br/5446350175411464; http://lattes.cnpq.br/0005625273834609; http://lattes.cnpq.br/6524028790588253; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Oliveira, Leandro Soares de; Martins Neto, José Henrique
Há o interesse da diversificação da matriz energética brasileira por meio de fontes renováveis de energia e da expansão da micro e minigeração distribuída. A biomassa de microalgas surge como uma das alternativas para atender tal interesse. O cultivo de microalgas para produção de biomassa pode ser realizado em sistemas chamados fotobiorreatores (FBRs). No início da década de 2010, surgiu na Alemanha o interesse de integrar esses sistemas às edificações para compensar gastos operacionais dos FBRs e, também, para melhorar a eficiência energética dos fotobiorreatores. A proposta dessa integração era que os fotobiorreatores além de produzirem biomassa, que seria convertida em eletricidade para a edificação, poderiam atuar como sistema passivo de climatização no prédio e fornecer calor excedente do cultivo para o sistema de aquecimento da edificação. Com base nessa premissa, o presente trabalho teve como objetivo modelar um sistema de fotobiorreatores em uma edificação comercial no sudeste brasileiro. O foco do presente estudo restringiu-se a dois pontos: primeiro, avaliar o desempenho energético dos fotobiorreatores como sistema passivo de climatização. Nessa etapa, os FBRs foram idealizados em um modelo termoenergético no Energyplus como camada externa da fachada vertical e, depois, como vidraça na fachada. Na segunda etapa do estudo, os fotobiorreatores foram idealizados na cobertura do modelo para realização de um balanço energético. Por meio do cálculo desse balanço no Engineering Equation Solver (EES), foi possível obter o comportamento térmico anual dos fotobiorreatores. Os resultados indicaram que quando idealizados como vidraça da edificação, os fotobiorreatores proporcionam uma redução no consumo energético para climatização do prédio. A menor transmitância visível e o menor coeficiente de ganho de calor por luz solar do fotobiorreator em relação às janelas originais do modelo atuam na redução da carga térmica no interior da edificação. Em relação à temperatura dos FBRs, os resultados indicaram que durante os períodos mais quentes do ano, a temperatura nos fotobiorreatores ultrapassa o limite de temperatura aceitável para produção de biomassa pelas microalgas. Assim, nesses períodos mais quentes, haveria a possibilidade de utilizar o calor excedente dos fotobiorreatores para o sistema de aquecimento de água do prédio ou o armazenamento desse calor por meio de processos geotérmicos. Por fim, os resultados apresentados por esse trabalho buscam oferecer alternativas iniciais para a utilização de fotobiorreatores em edificações. A redução no consumo energético para climatização do modelo com fotobiorreatores como vidraça e a possibilidade de utilizar o calor excedente dos FBRs para o sistema de aquecimento de água da edificação sugerem duas alternativas para a integração desses sistemas em prédios.
Estudo teórico de um sistema de ar condicionado central acoplado à usina solar de coletores parabólicos do CEFET-MG
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-09-06) Castro, Isabela Corrêa e; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; http://lattes.cnpq.br/5446350175411464; http://lattes.cnpq.br/1817556034813134; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Almeida, Antônio Gabriel Souza; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes
Diante da crescente demanda energética mundial, torna-se cada vez mais relevante a busca pela substituição de fontes de energia não renováveis pelas renováveis. Entre os setores consumidores de uma economia, o das edificações representa consumo significativo. Embora seja crescente o número de edificações que possuem sistemas de energia solar, ainda existem poucas aplicações diretas desse tipo de energia para alimentar os sistemas de ar condicionado. Soma-se a esse contexto, o fato de que os sistemas de ar condicionado representam a maior parcela de consumo das edificações em geral e por isso torna-se relevante o desenvolvimento de estudos relacionados à utilização de energias renováveis nesses sistemas. Este trabalho teve como objetivo realizar um estudo teórico da usina solar do CEFET-MG, para suprimento de energia térmica para o sistema de ar condicionado central com chiller de absorção para o prédio 20, que apresenta perfil de utilização significativo em termos de consumo energético, visando a proporcionar conforto térmico para a edificação de maneira sustentável. Foi utilizado o software TRNSYS 16 para modelagem de coletores, simulando a usina solar, desenvolvida em parceria com a Companhia Energética de Minas Gerais – CEMIG, por meio de um projeto de pesquisa e desenvolvimento. Foram realizadas também, análises dos ambientes a serem climatizados no prédio 20 para levantamento de cargas térmicas e seleção do sistema de climatização. Por meio da análise dos resultados, verificou-se a eficiência do software escolhido para a modelagem, parametrização dos componentes do sistema, incluindo ajuste de COP de modelos comerciais dos equipamentos selecionados e realização de análises climáticas. Foi possível concluir que a temperatura da água da usina atende ao requerido pelos modelos comerciais de chiller de absorção (em média 70°C). Após o cálculo da demanda energética no período de 1 ano pelo chiller para 2 perfis de utilização propostos, obtiveram-se valores de 73,77GJ e 91,81 GJ. A simulação no software TRNSYS mostrou que os coletores parabólicos são capazes de fornecer 131,49 GJ de energia no mesmo período, ou seja, atendem à demanda de energia total necessária para geração de água gelada para climatização do prédio 20, dando relevância a este trabalho e potencial de contribuição acadêmica e prática.
Análise das propriedades ópticas de revestimentos Ni/NiO com aplicações em tubos receptores de concentradores solares
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-11-18) Teles Neto, Milton; Sade, Wagner; http://lattes.cnpq.br/6920797663844597; http://lattes.cnpq.br/5820590229259613; Sade, Wagner; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Bortolaia, Luís Antônio
Este trabalho teve como objetivo produzir e caracterizar superfícies seletivas de Ni/NiO tendo aço inoxidável como substrato. Uma eletrodeposição foi realizada em cinco intervalos de tempo diferentes: 30s, 60s, 90s, 120s, 150s. As amostras foram levadas ao forno de mufla, o tempo de realização do tratamento térmico foi fixado em 0,5 horas e a temperatura em 450°C. A partir da microscopia óptica foi possível perceber que as amostras que passaram por uma eletrodeposição por maior tempo apresentaram uma maior quantidade NiO. Nas análises feitas em MEV foi possível notar que o aumento do tempo no processo de deposição eletrolítica possibilitou a formação de um filme fino mais homogêneo. A menor espessura é vista na amostra 1A com (1,43 ± 0,043) μm, enquanto a maior foi expressa pela peça 5B, (3,60 ± 0,11) μm. Os valores de rugosidade são inversamente proporcionais ao tempo da eletrodeposição. O teste de dureza mostrou que as condições de trabalho 4A, 4B, 5A e 5B apresentaram a maior dureza. As amostras 4A e 4B apresentaram o maior fator de seletividade, com valores de 6,92 e 6,61. Por outro lado, as peças 1A e 1B apresentaram um fator de 4,50 e 4,56, respectivamente.
Reparos de linhas pressurizadas com manufatura aditiva: qualificação, integridade, durabilidade e segurança
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-05-31) Ligeiro, Henrique Santos; Mottin, Artur Caron; http://lattes.cnpq.br/2859497118825113; http://lattes.cnpq.br/0503781832074415; Mottin, Artur Caron; Pagnan, Caroline Salvan; Magalhães, Cristina Almeida
A continuidade da demanda por petróleo no cenário mundial, a médio prazo, implica na perseverança da indústria petrolífera no Brasil, bem como estimula a criação de novas tecnologias para a manutenção das plantas de processamento offshore (afastado da costa). Com intuito de diminuir a presença de fontes de ignição em plantas de hidrocarboneto, pesquisadores vêm desenvolvendo alternativas para os reparos soldados com bandagens compostas de material compósito e polimérico. Apesar das inúmeras pesquisas, poucos estudos são dedicados à aplicação de resinas de manufatura aditiva para fabricação de componentes pressurizados. A impressão 3D de um reparo qualificado ou de um trecho de tubulação, durante a manutenção corretiva de uma plataforma de petróleo, é algo que pode solucionar os problemas de logística típicos do ambiente offshore. Desse modo, este trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade técnica da execução de reparos emergenciais de elementos pressurizados com manufatura aditiva por fotopolimerização. Os resultados do trabalho demonstram que, apesar de estar sujeito à interação com o fluido de processo e com o ambiente, o material se mostrou promissor para aplicações em reparos em linhas de baixo risco operacional de até 90 dias.
Estudo computacional para avaliação da eficiência energética de sistema fotovoltaico e térmico associado a bomba de calor
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-08-14) Vieira Júnior, Walmir Nunes; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; http://lattes.cnpq.br/5446350175411464; http://lattes.cnpq.br/2074554943217753; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Ferreira, André Guimarães; Maia, Cristiana Brasil
Os coletores solares híbridos são resultados significativos da busca de aproveitamento da energia solar, visando, geralmente, a cogeração de energia elétrica e térmica. Um exemplo é o Photovoltaic-thermal system (PVT) que, quando associado a bomba de calor, é denominado Photovoltaic-thermal system and Heat Pump (PVT-HP). Estudos são necessários para avaliar a eficiência desses sistemas em situações específicas, como por exemplo, para aquecimento de água destinado a residências em diferentes localidades. Esta pesquisa tem como objetivo avaliar um sistema fotovoltaico e térmico assistido por bomba de calor indireta de tanque duplo, para aquecimento de água de uso doméstico, em localidades brasileiras. Para tanto, a metodologia de simulação computacional foi empregada para a realização do projeto, por meio do software Transient System Simulation – TRNSYS. Para avaliar a viabilidade de implementação do sistema e os rendimentos térmicos e elétricos, foram projetados e simulados cinco sistemas: elétrico, solar térmico, PVT, solar térmico assistido por bomba de calor e PVT-HP. Um padrão de consumo diário de água quente foi implementado com retiradas de água quente em horários selecionados para simular o consumo de água quente diário de uma residência brasileira, foram simulados para as cidades de Belo Horizonte/MG, Brasília/DF, Florianópolis/SC e Recife/PE. Foi realizada a comparação dos valores simulados com bibliografias semelhantes e constatou-se a validade dos sistemas elaborados. O sistema PVT-HP apresentou uma redução de aproximadamente 80% de consumo elétrico da rede se comparado a um sistema totalmente elétrico, e de cerca de 70% se comparado a sistemas convencionais de aquecimento solar de água. Os valores médios mensais de eficiência térmica e elétrica para cada cidade, respectivamente, são: 62,25 e 10,98% para Belo Horizonte/MG, 61,70 e 10,79% para Brasília/DF, 67,03 e 11,09% para Florianópolis/SC e 51,08 e 9,99% para Recife/PE. As cidades que apresentaram maiores valores de economia de energia elétrica, quanto ao custo operacional, foram Belo Horizonte, Brasília e Florianópolis.
Projeto de um sistema ignição por lança chamas com carga homogênea para um motor do ciclo Otto operando com gás natural
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-09-28) Silva, Daniel de Oliveira; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; http://lattes.cnpq.br/0456432391734748; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Mottin, Artur Caron; Guzzo, Marcio Expedito; Ferreira, Tiago Simão
A qualidade do ar tornou-se uma grande preocupação mundial, devido às emissões de gases poluentes de motores a combustão interna, levando a regulamentações rigorosas. Cerca de 16,2% das emissões globais de CO2 provêm de veículos automotores, impulsionados por combustíveis fósseis. Diante do aumento do consumo de combustíveis fósseis em especialmente diesel, o Gás Natural Comprimido surge como uma alternativa econômica e mais sustentável. A utilização de combustíveis que gerem menor quantidade de gases de efeito estufa, juntamente ao uso de tecnologias como o sistema de ignição por lança chamas, podem possibilitar a redução das emissões gasosas e a melhoria do rendimento térmico dos motores de combustão interna. Desta forma este trabalho possui como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de projeto de um sistema de ignição por lança chamas com carga homogênea para um motor ciclo Otto alimentado com GNC (gás natural comprimido) com o foco de utilização em veículos comerciais ou para sistemas de geração de energia. A elaboração do projeto leva em consideração os principais parâmetros de funcionamento e desempenho de um protótipo e foram baseadas em pesquisas de revisões bibliográficas sobre o tema. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram realizar o dimensionamento de 3 configurações de pré-câmara de combustão para operarem com gás natural, diferenciando pelo orifício de interconexão com a câmara principal. O motor original precisa ser adaptado através de processos de usinagem, soldagem e retifica para receber o sistema de ignição por lança chamas. As pré-câmaras de combustão foram projetadas com volume de 15,37cm³ que garante uma energia de ativação na ordem de 8000 vezes maior que o sistema convencional, chegando a uma velocidade no dispositivo de interconexão (nozzle) de até 3700 km/h. O sistema de arrefecimento original necessita rejeitar mais calor com a instalação do no sistema na ordem de 9%. O aumento da energia de ativação permite uma combustão mais rápida e estável para misturas pobres fazendo com que este projeto possa oferecer um enorme potencial para à redução do consumo de combustível e emissão de poluentes quando comparado com o sistema de ignição convencional.
Análise termoeconômica de um sistema de refrigeração em cascata que utiliza R744, ejetor e energia solar
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-11-24) Mól, Débora Carla Silva; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes; Faria, Ralney Nogueira de; http://lattes.cnpq.br/5541018219606187; http://lattes.cnpq.br/9989399943912374; http://lattes.cnpq.br/4103835953260034; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes; Faria, Ralney Nogueira de; Paulino, Tiago de Freitas; Oliveira, Raphael Nunes de
Este trabalho analisou de forma ambiental e termoeconômica um Sistema de Refrigeração em Cascata com Ejetores (SRCE), que atua com energia solar e utiliza o R744 nos ciclos de baixa e média temperatura, operando de forma subcrítica, além do R600a, R1233zd(E) e o R141b avaliados no ciclo de alta temperatura. O modelo matemático foi implementado no software Engineering Equation Solver, considerando alguns parâmetros de entrada principais como, temperaturas do espaço de média e baixa temperatura, e valores de eficiência dos ejetores. Com isso, os resultados foram gerados considerando que para cada fluido refrigerante utilizado no ciclo de alta temperatura, os fluxos solares foram variados, assim como a área dos coletores, a temperaturas do gerador e a temperatura ambiente. A partir da simulação, observou-se que em temperaturas do ambiente mais baixas e temperaturas do gerador mais elevadas, o impacto ambiental medido pela parcela indireta do Total Equivalent Warming Impact, bem como o custo foram reduzidos, além dos melhores resultados do coeficiente de desempenho terem sido encontrados, destacando o R1233zd(E). O custo total otimizado apresentou uma redução de 48% por ano para o R1233zd(E) em relação à simulação, com um coeficiente de desempenho igual a 0,44. Portanto, aliando o desempenho termodinâmico, a questão ambiental e os custos, o R1233zd(E) apresentou as melhores características para operar no ciclo de alta temperatura do SRCE.
Simulação numérica da aplicação de um concentrador linear fresnel na produção direta de vapor para uso em processos industriais
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-12-13) Corrêa, Rubens Rinco; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; http://lattes.cnpq.br/5446350175411464; http://lattes.cnpq.br/7085837636241084; Lima, Frederico Romagnoli Silveira; Ferreira, André Guimarães; Maia, Cristiana Brasil
Com a crescente demanda por energia, se faz necessário adequar e integrar os processos de geração e de consumo da energia, observando as constantes transformações climáticas. Com isso, as organizações, de forma geral, necessitam integrar as questões ambientais aos seus planos de negócios, tendo que redirecionar e até redimensionar seus respectivos negócios, atendendo as novas regulações governamentais sobre o ciclo de vida de seus produtos. Colocar de forma clara e com responsabilidade as questões de causas e efeitos sobre os impactos ambientais de sua cadeia de produção. Neste trabalho foram realizadas simulações de um sistema de geração de energia térmica, através da plataforma TRNSYS-18, de um campo solar com Concentrador Linear Fresnel (CLF), operando para gerar vapor saturado de forma direta para atender aos diversos processos industriais com demanda de temperaturas até 150° C. O estudo consistiu, além das simulações, na determinação teórica das dimensões do campo solar para compor a matriz energética do segmento industrial como um todo. Foi realizada sua validação a partir de um protótipo já existente no laboratório LEPTEN da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) para atender a demanda de energia térmica nos processos industriais. Ao fim, os resultados das simulações com TRNSYS-18 apontaram que o campo solar Fresnel possibilitou atingir a temperatura de parâmetro de 170,41°C para a produção direta de vapor saturado à pressão de 800 kPa, para demandas com temperaturas de processos reguladas até 150°C, as vezes de forma autônoma ou com fornecimento de energia adicional com uso de uma caldeira auxiliar. Após as análises das simulações foi realizada análise financeira para verificar a atratividade econômica do projeto. O CLF é construído em módulos, favorecendo atender demandas térmicas específicas em processos específicos. Isso permite atender tanto as demandas térmicas de pequeno até as demandas de grande porte. As simulações mostraram que em todas as regiões analisadas possuem as condições climáticas favoráveis para se instalar um campo solar com CLF.
Internal combustion engine numerical simulation operating with gasohol (E25) and provided with a stratified torch ignition system
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-04-05) Soares, Eder Pereira Resende; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/2058533093733117; Almeida, Hélder Giostri Alves de; Barros, José Eduardo Mautone; Baeta, José Guilherme Coelho
O setor dos transportes enfrenta atualmente desafios significativos relacionados com as emissões de gases poluentes e os seus impactos ambientais. A substituição de motores de combustão interna por sistemas de propulsão elétrica é amplamente promovida como uma solução sustentável para enfrentar esses desafios. No entanto, é importante destacar que o setor de geração de energia elétrica é o principal responsável pelas emissões de gases de efeito estufa no mundo, sendo responsável por cerca de 45% das emissões. Uma eletrificação completa da frota poderia agravar esta situação. Uma abordagem para enfrentar esse problema é o desenvolvimento de motores mais eficientes e menos poluentes. Uma das tecnologias promissoras é o sistema de ignição por pré-câmara, que pode melhorar o processo de combustão dos motores de combustão interna, aumentando sua eficiência de conversão de combustível e reduzindo a emissão de gases poluentes. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar o funcionamento de um motor Ford SIGMA 1.6, com e sem pré-câmara de ignição, utilizando gasolina (E25) como combustível. Para isso, foram realizadas simulações numéricas unidimensionais com o software GT-POWER. Essas simulações permitiram a calibração e validação de modelos numéricos, a partir de dados experimentais obtidos em testes de bancada dinamométrica. Modelos preditivos e não preditivos foram criados, os quais foram validados com dados experimentais e posteriormente utilizados para avaliar o desempenho do sistema com o uso de pré-câmara em diferentes condições de operação. Os modelos apresentaram resultados consistentes, com erros inferiores a 5% em relação aos dados experimentais. Os resultados evidenciaram ganhos na eficiência de conversão de combustível e, consequentemente, redução na emissão de poluentes, em relação ao motor de ignição por centelha. Os modelos preditivos criados permitiram ainda alterar os parâmetros da geometria da pré-câmara tais como volume e diâmetro de orifício, permitindo o estudo da influência desses parâmetros geométricos da pré-câmara na eficiência de conversão de combustível. Analogamente, o modelo proposto também permitiu alterar parâmetros geométricos do motor visando minimizar o consumo específico de combustível. Observou-se ainda que, apesar de a redução do diâmetro do furo da pré-câmara produz um aumento da potência e redução do consumo específico de combustível, mas que essa redução não pode ser feita de forma exagerada, pois nesses casos pode causar efeitos contrários de piora do desempenho do motor.
Análise de um sistema de resfriamento geotérmico aplicado em climas tropicais
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-09-17) Santos, Renato Vinicius dos; Paulino, Tiago de Freitas; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes; http://lattes.cnpq.br/9989399943912374; http://lattes.cnpq.br/6949861152810464; http://lattes.cnpq.br/4243974755743134; Paulino, Tiago de Freitas; Barbieri, Paulo Eduardo Lopes; Ferreira, André Guimarães; Duarte, Willian Moreira
A climatização de espaços em regiões tropicais, como no Brasil, demanda um alto consumo de energia elétrica. Além disso, o crescimento populacional, econômico e as mudanças climáticas têm resultado em uma crescente demanda por refrigeração e climatização. Diante desse cenário, soluções que promovam o aumento na eficiência energética de plantas e equipamentos de climatização e refrigeração podem colaborar na redução do consumo de energia elétrica e promover a sustentabilidade ambiental do planeta. Os sistemas de climatização e refrigeração assistidos geotermicamente são mundialmente conhecidos como uma solução eficaz para melhoria na performance dos ciclos de refrigeração/aquecimento, além de ser uma energia confiável, econômica e renovável. Pelas suas vantagens, hoje é utilizada em grande escala em vários países, mas ainda pouco empregada no Brasil. Este trabalho verificou o desempenho energético, exergético, ambiental e financeiro de um sistema de refrigeração de expansão indireta de grande porte com condensador geotérmico, em comparação com o mesmo sistema com condensação convencional (torres de resfriamento evaporativo) para aplicação em climas tropicais. Dados experimentais foram obtidos em uma planta que opera com condensação convencional. Foi simulado por meio da elaboração de um modelo matemático da planta, a operação anual dos dois sistemas para quatro cidades do Brasil, avaliando a viabilidade técnica e financeira do sistema de refrigeração com condensador geotérmico para o Brasil. Foram elaborados os modelos matemáticos para o condensador, compressor, torre de resfriamento e trocador geotérmico. Os resultados para validação dos modelos variaram em até ±20% em comparação com os dados experimentais. A operação com sistema geotérmico se mostrou mais vantajosa em cidades localizadas nas regiões sul e sudeste do Brasil, com uma melhoria obtida de 10% nos valores para a energia consumida pela planta, 10% nos valores para o COP da planta, 13% na eficiência exergética, 5% no TEWI total e 10% para emissão de gases e particulados. Em todas as cidades avaliadas, a operação com sistema geotérmico proporcionou economia financeira. O melhor payback encontrado foi a partir do aproveitamento das fundações da edificação para implementação das estacas trocadoras com valor médio de 5 anos para retorno do investimento aplicado.
Previsão de falhas em mancais de rolamento utilizando aprendizado de máquina por meio de redes neurais artificiais: módulo de um gêmeo digital
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-11-28) Brandão Júnior, Paulo Sérgio; Shigaki, Yukio; http://lattes.cnpq.br/5952970584364630; http://lattes.cnpq.br/5945329708725886; Shigaki, Yukio; Magalhães, Frederico de Castro; Silva, Alisson Marques da
Este trabalho teve como objetivo solucionar o problema da falha prematura dos mancais de rolamento em um redutor de laminador de barras na siderúrgica Gerdau – Usina Barão de Cocais, utilizando técnicas de aprendizado de máquina. O foco foi a construção de um modelo de classificação utilizando redes neurais artificiais (RNA) para predizer falhas no sistema de rolamento, baseado na análise da corrente do motor. O modelo construído apresentou acurácia de 99%, além de níveis de sensibilidade de 0,9871 e especificidade de 0,9942, o que demonstra sua eficácia em identificar anormalidades nas informações. Além disso, o estudo introduziu o conceito de gêmeo digital, propondo sua aplicação futura como ferramenta de monitoramento proativo, permitindo simulação e análise em tempo real. A segunda etapa do estudo utilizou uma nova base de dados que reforçou a hipótese de que falhas nos rolamentos aumentam o torque e, consequentemente, a corrente do motor. O modelo se mostrou eficaz em identificar esse padrão, sendo uma ferramenta eficaz para a manutenção preditiva e a programação de paradas preventivas.

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