Mestrado em Engenharia Mecânica

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Avaliação da usinabilidade de um aço fundido e austemperado no torneamento com ferramentas de metal duro e cerâmicas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-11-29) Barroso, Caio César Gonçalves Coutinho; Santos, Sandro Cardoso dos; Carmo, Denilson José do; http://lattes.cnpq.br/0085894031611820; http://lattes.cnpq.br/8800502037478305; Santos, Sandro Cardoso dos; Carmo, Denilson José do; Sade, Wagner; Silva, Sandro da Costa
O aço fundido com altos percentuais de carbono (C) e silício (Si) é um tipo de material que possui uma capacidade de combinação de resistência mecânica e tenacidade quando submetido ao tratamento térmico de austêmpera e revenimento. A austêmpera permite a transformação da microestrutura em austenita na forma de bainita acicular, filmes de ferrita e austenita retida, o que concede ao material boa tenacidade e resistência mecânica em comparação aos aços com microestruturas perlíticas. Algumas de suas aplicações, porém com o método de fabricação através da laminação, são nos setores ferroviários, na fabricação de trilhos e rodas, e no setor automobilístico. O presente trabalho consiste em investigar o comportamento de ferramentas de cerâmicas e metal duro na usinagem de um aço com microestrutura predominantemente bainítica por meio da operação de torneamento longitudinal. O aço austemperado utilizado neste trabalho foi obtido por meio do processo de fundição e tratado termicamente por austêmpera. A caracterização do aço foi realizada com base na análise da composição química, microestrutura e ensaios de dureza e de resistência à tração. Os testes de usinabilidade foram realizados a seco, com avanço e profundidade de corte constantes e variação da velocidade de corte. Foram avaliadas a rugosidade da peça e o desgaste da ferramenta de corte. Durante os testes foi possível identificar desgaste acentuado da ferramenta com o aumento da velocidade de corte. As imagens geradas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) permitiram identificar as formas e mecanismos de desgaste das ferramentas. Foram identificados mecanismos como abrasão, aderência e difusão nas ferramentas de cerâmica; já na ferramenta de metal duro ocorreu lascamento da aresta de corte. Os resultados das medições de rugosidade apresentaram uma leve tendência de queda nas ferramentas de cerâmica, enquanto na ferramenta de metal duro houve um aumento acentuado à medida que o desgaste evoluiu.
Avaliação do desempenho de uma ferramenta de PCBN no torneamento do aço endurecido AISI D2 em corte contínuo e interrompido
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-03-25) Dias, Ernane Felipe; Santos, Sandro Cardoso; http://lattes.cnpq.br/6898188197618037; http://lattes.cnpq.br/8764757438369649; Santos, Sandro Cardoso; Silva, Gilmar Cordeiro da; Silva, Wagner Sade e Sandro da Costa
Importantes avanços tecnológicos na indústria de fabricação mecânica têm cada vez mais gerado bons resultados com o torneamento de materiais endurecidos, utilizando ferramentas de nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN), principalmente em substituição aos processos abrasivos. A capacidade de atender aos requisitos do projeto sem a necessidade de múltiplos processos reflete em redução de custos e aumento da produtividade. Os aços ferramenta desempenham papéis variados e essenciais em diversas aplicações industriais, como matrizes e punções para conformação e corte. Melhorias no desempenho das ferramentas de corte são cruciais para resistir as condições tribológicas severas do processo de torneamento de materiais endurecidos. Neste contexto, esse trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho de uma ferramenta de PCBN no torneamento do aço AISI D2 temperado e revenido, tanto em condições de corte contínuo quanto em corte interrompido, na operação de acabamento com usinagem a seco. Avaliou-se a rugosidade superficial nos parâmetros (Ra, Rt e Rz), os desgastes apresentados pela ferramenta, seus mecanismos e análise morfológica dos cavacos. Foram realizados ensaios com diferentes velocidades de corte (60, 130, 200 e 240 m/min), mantendo um avanço constante de 0,15 mm/rev e uma profundidade de corte de 0,2 mm. Os resultados indicaram que os desgastes mais evidentes foram cratera e flanco no corte contínuo, enquanto no corte interrompido houve a presença de lascamentos e falha catastrófica. Os mecanismos de desgaste, tais como adesão (attrition), abrasão e difusão foram observados com destaque. Além disso, os testes apontaram que o aumento do desgaste de flanco não necessariamente implicou em um aumento na rugosidade superficial, e que o mecanismo de desgaste se modificou com o aumento da velocidade de corte. Na condição de corte contínuo a ferramenta obteve desempenho mais satisfatório, com destaque nas velocidades de corte maiores (130, 200 e 240 m/min). Já no corte interrompido, há predominância de falha catastrófica principalmente nas faixas de 60 e 130 m/min e um desempenho melhor à 200 m/min dentro das faixas avaliadas.
Modelamento unidimensional do motor Ford Sigma utilizando o software GT-Power: modelo preditivo e não preditivo
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2025-10-15) Moreira, Thiago Augusto Araújo; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; http://lattes.cnpq.br/1656890250421386; Moreira, Thiago Augusto Araújo; Pujatti, Fabrício José Pacheco; Lima, Leonardo dos Santos; Almeida, Helder Giostri Alves de
Os motores de combustão interna (MCI) permanecem como a principal forma de propulsão veicular global, apesar do avanço de alternativas elétricas e híbridas. Além dessas alternativas, a melhoria da eficiência energética dos MCIs continua sendo essencial para a redução do consumo de combustível e emissões de poluentes. Nesse contexto, ferramentas computacionais de modelagem unidimensional destacam-se por representar, com baixo custo e confiabilidade, o comportamento termodinâmico e fluidodinâmico dos motores, permitindo análises em estágios preliminares de desenvolvimento. O trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e a calibração de um modelo unidimensional do motor Ford Sigma 1.6 16V no software GT-Power®, visando à avaliação do desempenho, da combustão e das emissões com o uso de gasolina E25. Foram adotadas duas metodologias distintas de modelagem: um modelo preditivo (SITurb) e outro não preditivo (SI-Wiebe). A calibração baseou-se em dados experimentais obtidos em bancada dinamométrica. A metodologia incluiu a modelagem detalhada da geometria dos condutos no GT-Power®, a implementação dos modelos de combustão, atrito e transferência de calor, bem como a aplicação da análise das três pressões. A calibração foi conduzida a 2500 e 5500 rpm em plena carga, assegurando erros inferiores a 5% entre resultados numéricos e experimentais, enquanto a validação ocorreu em cargas de 80% e 47% do torque máximo, entre 1500 e 6000 rpm. Posteriormente, realizou-se uma análise comparativa dos modelos de combustão para identificar vantagens, limitações e a fidelidade de cada abordagem frente aos dados experimentais. Os resultados mostraram que ambos os modelos representaram com fidelidade os parâmetros de desempenho, com erros inferiores a 5% entre 2500 e 5500 rpm. Nos limites inferior e superior de rotação do motor (1500 e 6000 rpm), entretanto, manter esse nível de precisão mostrou-se mais desafiador, particularmente em relação ao consumo de combustível, à eficiência volumétrica e à eficiência térmica no modelo de Wiebe. O modelo preditivo mostrou-se adequado, com erros inferiores a 5%, em todos os regimes avaliados, embora o erro tenha aumentado em cargas mais baixas. Conclui-se que a modelagem unidimensional no GT-Power® é robusta para simular motores de ignição por centelha, permitindo análises consistentes de desempenho e consumo por meio dos modelos SITurb e SI-Wiebe. Ademais, a calibração do modelo SITurb utilizando a metodologia proposta foi validada utilizando apenas dados de desempenho, dispensando a curva de pressão e, consequentemente, simplificando as etapas iniciais do processo de modelagem e pesquisa.
Determinação da concentração de NO baseado em parâmetros da liberação de calor de um motor de ignição por centelha
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2025-09-12) Pereira, Felipe Augusto de Souza; Moreira, Thiago Augusto Araujo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; http://lattes.cnpq.br/6079638386672447; http://lattes.cnpq.br/8661491168619394; http://lattes.cnpq.br/6869374765073638; Moreira, Thiago Augusto Araujo; Rodrigues Filho, Fernando Antônio; Mottin, Artur Caron; Lima, Leonardo dos Santos
Os motores de combustão interna desempenham um papel essencial na mobilidade urbana global. No Brasil, cerca de 93% dos veículos leves utilizam somente motores a combustão interna como fonte propulsora. No entanto, o processo de combustão dos combustíveis fósseis gera diversos poluentes, como monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos (HC) e material particulado, além do dióxido de carbono (CO₂), que é um gás intensificador do efeito estufa. Esses gases são prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente, contribuindo para a redução da qualidade do ar e, consequentemente, para a ocorrência de problemas respiratórios e doenças como o câncer, além de agravarem as mudanças climáticas que vêm ocorrendo no planeta Terra. Regulamentações ambientais mais rigorosas têm sido adotadas em diversos países, como a norma EURO 7, que será aplicada na Europa a partir do ano de 2026. No Brasil, está em vigor a PROCONVE L8. Tais regulamentações são implementadas para controlar as emissões de poluentes e impulsionar o desenvolvimento de motores mais eficientes e sustentáveis. Para atender a essas regulamentações, montadoras e fabricantes de veículos utilizam diversas ferramentas computacionais aplicadas ao estudo do comportamento dos motores, incluindo modelos de combustão. Esses modelos permitem, por exemplo, simular o comportamento dos gases e prever a formação de poluentes sem a necessidade de testes experimentais extensivos. Neste estudo, desenvolveu-se um algoritmo numérico capaz de determinar a pressão, temperatura dos gases contidos no interior do cilindro e a concentração de NO emitido por motores a combustão interna com ignição por centelha. Como embasamento teórico para o desenvolvimento do algoritmo, utilizaram-se teorias como a função de Wiebe, capaz de determinar a taxa de liberação de calor do motor, modelos de combustão para a obtenção da pressão e temperatura dos gases no interior do cilindro e o mecanismo térmico de Zeldovich para estimar a concentração de NO gerado durante o processo. Os testes foram realizados em um motor 1,3 L PFI, abastecido com etanol hidratado (E100), utilizando um dinamômetro de bancada equipado com um analisador de gases que emprega o princípio de luminescência química para a realização dos ensaios. Por meio desse equipamento, foi possível medir as concentrações de NO emitidas pelo motor. Os resultados obtidos demonstraram que o algoritmo apresentou correlação com os dados experimentais, alcançando um coeficiente de correlação de r = 0,9630, com erro médio de aproximadamente 8% para as concentrações de NO.
Análise de um sistema de condicionamento de ar de grande porte operando com reservatório de energia térmica
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2026-03-30) Araújo, Rodrigo de Carvalho; Tiago de Freitas Paulino; André Guimarães Ferreira; http://lattes.cnpq.br/8989660381451385; http://lattes.cnpq.br/6949861152810464; http://lattes.cnpq.br/4344888274529309; Tiago de Freitas Paulino; André Guimarães Ferreira; Paulo Eduardo Lopes Barbieri; Thiago Torres Martins Rocha
A utilização de sistemas de climatização em regiões de clima tropical demanda elevados níveis de consumo de energia elétrica, principalmente em função das altas cargas térmicas ao longo do ano. Paralelamente, o crescimento econômico global e a intensificação das mudanças climáticas têm ampliado significativamente a necessidade de refrigeração e condicionamento de ar em edificações comerciais e industriais. Neste contexto, este trabalho avaliou o desempenho de um sistema de condicionamento de ar com capacidade instalada de 844 kW, operando com e sem armazenamento de energia térmica (TES) baseado em material de mudança de fase (PCM). A análise foi realizada para as condições climáticas das cidades de Belo Horizonte, Brasília e Teresina, por meio de modelagem matemática validada experimentalmente. Os resultados energéticos indicaram que o consumo anual do sistema sem PCM foi de 228,92 MWh em Belo Horizonte, 227,96 MWh em Brasília e 238,09 MWh em Teresina. Com a incorporação do PCM, os consumos passaram para 229,21 MWh, 228,19 MWh e 238,94 MWh, respectivamente, representando acréscimos percentuais de 0,13%, 0,10% e 0,36%. A análise ambiental, baseada no indicador TEWI, apresentou comportamento coerente com o consumo energético, registrando aumentos de 398,69 para 399,07 CO₂ em Belo Horizonte, de 397,39 para 397,71 CO₂ em Brasília e de 410,94 para 412,08 CO₂ em Teresina, correspondendo a variações entre 0,08% e 0,28%. Sob a perspectiva econômica, observou-se economia anual de R$ 5.706,67 em Brasília e R$ 41.394,55 em Teresina, atribuída ao deslocamento da carga térmica para períodos tarifários mais vantajosos. Contudo, os tempos de retorno do investimento foram estimados em 514,35 anos e 71 anos, respectivamente, indicando inviabilidade financeira nas condições avaliadas. Conclui-se que o armazenamento térmico com PCM promoveu deslocamento de carga e redução pontual da potência instantânea, mas não resultou em melhoria do desempenho energético ou ambiental anual, tampouco apresentou viabilidade econômica para os cenários analisados.
Supressão de finos no cálculo da velocidade crítica de deposição em bombeamento de polpa de minério de ferro
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-03-24) Fonseca, Eduardo Campêlo; Magalhães, Cristina Almeida; http://lattes.cnpq.br/3127609568989733; http://lattes.cnpq.br/3423989777736009; Cristina Almeida Magalhães; Artur Caron Mottin; Pedro Américo Almeida Magalhães Júnior
No dimensionamento hidráulico de uma tubulação, a velocidade de sedimentação é um parâmetro fundamental na garantia de performance do processo. O comportamento de deposição dos sólidos no fundo das tubulações, requer que a velocidade de projeto seja calculada de forma a ter magnitude suficiente para suspender e transportar os sólidos, sem ser economicamente inviável dado ao aumento de perda de carga e gastos no consumo de energia. O aperfeiçoamento do cálculo estimativo da velocidade de sedimentação em bombeamentos de polpa de minério de ferro com alta porcentagem de finos é objeto desta tese. O presente trabalho visou realizar uma comparação de resultados de simulações no software AFT Fathom onde os parâmetros de entrada foram baseadas primeiramente em uma estimativa de velocidade de sedimentação sem supressão de finos e posteriormente com supressão de finos, baseando-se da premissa que as partículas em suspensão da polpa que apresentam tamanho abaixo de 50 micrômetros não sofrem deposição, pois são partículas que essencialmente não sedimentam durante as operações normais de bombeamento. As velocidades críticas foram calculadas através do método de Durand, para a distribuição granulométrica da polpa original, os valores encontrados para o d50 e velocidade foram respectivamente 62 micrometros e 4,05 m/s. Já realizando a supressão de finos, os valores encontrados foram 72 micrometros e 3,69 m/s, possibilitando trabalhar em uma velocidade de projeto 9% menor. Nos resultados deste trabalho, as simulações no software indicam uma perda de carga consideravelmente menor quando aplicado o método de supressão de finos e consequentemente uma potência do motor da bomba também inferior. Com esses parâmetros de saída das duas simulações foi possível quantificar economicamente o impacto de se reduzir a velocidade de operação do bombeamento, através da comparação de índices de CAPEX e OPEX de cada um dos cenários.
Verificação de ligações parafusadas com chapa de extremidade estendida considerando as não linearidades do sistema
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-11-03) Viana, Guilherme Henrique Leite; Cristina Almeida Magalhães; http://lattes.cnpq.br/3127609568989733; http://lattes.cnpq.br/3232082700205235; Cristina Almeida Magalhães; Sandro Cardoso Santos; Pedro Américo Almeida Magalhães Júnior
Estruturas em aço são comumente utilizadas em construções civis e em máquinas de grande porte existentes no setor de bens primários. Para a construção de tais estruturas é necessária a conexão entre os perfis estruturais e, um dos principais modos de conexão é através da ligação parafusada entre os componentes. Neste trabalho é apresentado um estudo do comportamento estrutural das ligações parafusadas com chapa de extremidade estendida, enfatizando a fundamentação teórica, os métodos de dimensionamento sugeridos por normas e a avaliação das ligações por meio de modelos computacionais. O objetivo desta pesquisa é o desenvolvimento de um modelo numérico considerando as não linearidades do sistema, validado por meio de testes experimentais, para comparação com as metodologias analíticas sugeridas por normas, a fim de avaliar as principais divergências entre o dimensionamento pelo método dos elementos finitos e pelos métodos normativos sugeridos pelo EUROCODE 3 (2005) e pela NBR 8800 (2008). Através dos diferentes modelos avaliados, com variação das dimensões de chapa e dos parafusos, pode-se levantar as principais divergências e pontos de atenção dos métodos normativos, além de se avaliar os modos de falha das ligações, os momentos máximos resistentes e a presença do efeito alavanca em alguns tipos de ligações estudados.
Estudo do comportamento do cavaco durante a furação da liga AL-MG-SI 6061-T6 utilizando ferramentas de aço rápido sem e com revestimento de DLC
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2025-07-31) Pereira, Luiza Amelia de Melo; Santos, Sandro Cardoso; Martins, Paulo Sérgio; http://lattes.cnpq.br/6979394011332346; http://lattes.cnpq.br/6898188197618037; http://lattes.cnpq.br/0251845050693343; Santos, Sandro Cardoso; Martins, Paulo Sérgio; Mottin, Arthur Caron; Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno; Pereira, Mayara Fernanda
As ligas da classe Al-Mg-Si 6061-T6 vêm sendo aplicadas em várias áreas da indústria metal mecânica como indústria aeronáutica, automotiva, química, petroquímica e de embalagens, pois possuem excelente relação resistência-peso, boa ductilidade, baixa densidade, excelentes condutividades térmica e elétrica e resistência à corrosão. As ligas de alumínio são muito rica, mas limitando-se a investigações que levam em conta os problemas de usinagem, principalmente àqueles relacionados com forças, temperaturas, controle e formação do cavaco, e normalmente são trabalhos pontuais, em processos específicos, geralmente em apenas uma determinada liga. A formação do cavaco influencia as demais variáveis do processo de usinagem e essa formação depende muito das propriedades do material. Neste trabalho determinou-se experimentalmente as características do cavaco com foco no grau de recalque buscando avaliar o nível de deformação do cavaco sem e com o uso de DLC, além da sua relação com a microdureza, rugosidade e desvios de forma. Os revestimentos DLC não apenas reduziram o desgaste das ferramentas, mas também melhoraram a formação dos cavacos e os parâmetros de qualidade superficial. Em relação ao grau de recalque, a análise estatística indicou que os revestimentos de DLC atuaram como um lubrificante sólido durante a usinagem a seco, favorecendo o escoamento e a expulsão dos cavacos, e consequentemente, reduzindo a deformação quando comparado aos cavacos obtidos no grupo sem revestimento (G1). Já nos parâmetros microgeométricos, os valores médios de Ra foram 1,40 ± 0,31 μm para o G1, 1,43 ± 0,15 μm para o G2 e 1,26 ± 0,17 μm para o G3 e para o parâmetro Rz foram encontrados 7,69 ± 1,67 μm para o G1, 7,95 ± 0,77 μm para o G2 e 7,26 ± 0,80 μm para o G3, indicando que o Rz não sofreu influência significativa entre os grupos diferentemente de Ra. Para a assimetria e curtose, os desvios de Rsk chegaram a 212% e de Rku a 67%, e ambos não apresentaram diferenças estatisticamente significativas entre os grupos, o que pode estar relacionado à dispersão elevada dos dados.
Avaliação técnica e econômica de arranjos de plantas solar fotovoltaica, eólica e híbrida para produção de hidrogênio verde via água dessalinizada do mar, armazenamento de hidrogênio e geração de potência elétrica
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-06-04) Ávila, Larissa Fernanda Nunes Ildefonso; Martins Neto, José Henrique; http://lattes.cnpq.br/5626892353219386; http://lattes.cnpq.br/2170390300531277; Martins Neto, José Henrique; Lima, Frederico Romagnoli; Oliveira, Luis Guilherme Monteiro
Devido ao aumento do consumo de energia e aos impactos do aquecimento global, torna-se necessário o investimento em sistemas de energia renováveis. Contudo, algumas fontes apresentam a desvantagem de serem intermitentes e não despacháveis. Por isso, a inserção de sistemas de armazenamento em usinas com fontes renováveis, permite uma geração contínua, o que implica maior confiabilidade e estabilidade para o setor elétrico. Uma opção é o hidrogênio verde, pois além da aplicação em armazenamento, apresenta a possibilidade de distribuição e exportação, visando seu aproveitamento em diversos setores. Assim, eletrólise da água integrada com sistemas de energia renovável promove a produção em larga escala de hidrogênio verde. Por outro lado, há pouco consenso sobre a questão, com alguns cientistas preocupados com o consumo significativo de água e a insuficiência de água doce, bem como os altos custos de produção do hidrogênio. Portanto, apesar do hidrogênio verde se apresentar como uma opção promissora, dúvidas ainda são levantadas, principalmente em relação ao consumo de água potável para realização da eletrólise e o impacto desse consumo na escassez hídrica. Deste modo, produzir hidrogênio via água do mar pode contribuir para a preservação da água potável, especialmente em áreas nas quais a disponibilidade de água doce é limitada. No presente trabalho são analisados sistemas, utilizando fontes de energias renováveis fotovoltaica e eólica para a produção de hidrogênio via água doce e água do mar, e para geração de potência elétrica em diferentes proporções. Adicionalmente, são avaliados cenários com armazenamento de hidrogênio. O principal objetivo do presente trabalho foi avaliar a viabilidade técnica das configurações, bem como determinar o LCOH e o LCOE. A metodologia consistiu na elaboração de modelos, implementados no software EES (Engineering Equation Solver), para as plantas solar fotovoltaica, eólica, eletrólise tipo PEM, dessalinização por osmose reversa e armazenamento. Os resultados mostraram que os sistemas utilizando energia eólica apresentaram a maior produção de hidrogênio, bem como maior CAPEX, enquanto a configuração utilizando energia solar fotovoltaica apresentou o menor investimento inicial. Verificou-se que tanto para as configurações com produção de hidrogênio proveniente de água doce e de água dessalinizada, o menor LCOH (5,66 US$/kgH2) foi para as configurações constituídas pelas plantas eólicas com armazenamento de hidrogênio, enquanto, o menor LCOE (0,047 US$/kWh) foi para as configurações constituídas pelas plantas eólicas sem armazenamento de hidrogênio. Por fim, o custo da planta de dessalinização mostrou-se insignificante quando comparado ao valor do investimento total dos sistemas analisados.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Estudo de Viabilidade Econômica de Sistemas Fotovoltaicos Residenciais no Brasil com a Entrada da Lei 14.300
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2024-11-29) Coelho, Fabrício Pinto; Ferreira, André Guimarães; http://lattes.cnpq.br/8989660381451385; http://lattes.cnpq.br/1800911667978832; Ferreira, André Guimarães; Paulino, Tiago de Freitas; Malaquias, Augusto César Teixeira; Amaral, Lucimar Venâncio
A Lei 14.300, também conhecida como Marco Legal da Micro e Minigeração de Energia, é um fruto do Projeto de Lei 5.829/2019. Essa legislação, que também é conhecida por "taxação do sol", trouxe alterações significativas para as regras da geração de energia solar no Brasil, quando o sistema fotovoltaico gerar energia excedente que será injetado na rede da concessionária, o consumidor pode usar esses créditos para compensar o consumo de energia elétrica das unidades consumidoras. Esses créditos, antes não cobrados, passaram a ser taxadas após o vigor da lei. Essa mudança passou a ser válida a partir de 7 de janeiro de 2023, ou seja, quem realizou a instalação de sistemas de energia solar até antes da data prevista, foi isento da cobrança de taxas até 2045. Apesar das vantagens do uso de instalações fotovoltaicas urbanas próximas à fonte consumidora como a eliminação de longas linhas de transmissão, perdas de energia e altos custos de manutenção, essa nova lei pode impactar o custo e o tempo de retorno do investimento destas novas instalações. Novas análises de viabilidade precisam ser realizadas, inserindo na composição de valores a Tarifa do Uso do Sistema de Distribuição (TUSD), que cobra a energia injetada na rede da concessionária que, posteriormente, será consumida no decorrer do tempo. Neste contexto, este trabalho propõe um estudo comparativo de viabilidade econômica (TIR: Taxa Interna de Retorno, VPL: Valor Presente Líquido e Payback) da instalação de uma usina fotovoltaica residencial padrão em todo território nacional (26 capitais do estado brasileiro, além do Distrito Federal), considerando os valores das tarifas das respectivas concessionárias com a modelagem de geração de energia e os seus impactos financeiros, a partir da implementação da Lei 14.300. Como principais resultados, através da análise comparativa de condições anteriores e posteriores ao vigor da Lei 14.300, foi observado que, quanto maiores os custos da tarifa cobrados pela concessionária, maior é o VPL (de R$ 10.973,92 à um prejuízo de R$ -3.786,54) predominando inclusive sobre a influência da radiação solar incidente ou da geração de energia fotovoltaica das 27 localidades abordados pelo estudo, além de uma variação de 18, à 3,7% para a TIR e de 6,2 à 20,0 anos no Payback.

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