Modelagem matemática da transferência de calor numa placa plana sob o efeito de uma fonte pontual externa de radiação térmica.

Este trabalho apresenta uma modelagem matemática para o processo de aquecimento de um corpo exposto a uma fonte pontual de radiação térmica. O resultado original que permite a solução exata de uma equação diferencial parcial não linear a partir de uma seqüência de problemas lineares também é apresentado. Gráficos gerados com resultados obtidos pelo método de diferenças finitas ilustram a solução do problema proposto.

Transferência de calor combinando radiação e convecção no interior de dutos de geradores de vapor fumotubulares

Esta dissertação de mestrado considera a transferência de calor combinando convecção e radiação térmica no escoamento de gases participantes em dutos de seção circular. Partindo de uma metodologia geral, o trabalho enfoca principalmente os casos típicos de aplicação em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, em que gases em alta temperatura escoam através de um tubo mantido em temperatura uniforme. O escoamento é turbulento e o perfil de velocidade é plenamente desenvolvido desde a entrada do duto. A temperatura do gás, contudo, é uniforme na entrada, considerando-se a região de desenvolvimento térmico. Duas misturas de gases são tratadas, ambas constituídas por dióxido de carbono, vapor d’água e nitrogênio, correspondendo a produtos típicos da combustão estequiométrica de óleo combustível e metano. As propriedades físicas dos gases são admitidas uniformes em todo o duto e calculadas na temperatura de mistura média, enquanto que as propriedades radiantes são modeladas pela soma-ponderada-de-gases-cinzas. O campo de temperatura do gás é obtido a partir da solução da equação bidimensional da conservação da energia, sendo os termos advectivos discretizados através do método de volumes de controle com a função de interpolação Flux-Spline; as trocas de energia radiantes são avaliadas por meio do método das zonas, onde cada zona de radiação corresponde a um volume de controle. Em um primeiro passo, a metodologia é verificada pela comparação com resultados apresentados na literatura para a transferência de calor envolvendo apenas convecção e combinando convecção com radiação. Em seguida, discutem-se alguns efeitos da inclusão da radiação térmica, por exemplo, no número de Nusselt convectivo e na temperatura de mistura do gás. Finalmente, são propostas correlações para o número de Nusselt total, que leva em conta tanto a radiação quanto a convecção. Essa etapa exige inicialmente uma análise dos grupos adimensionais que governam o processo radiante para redução do número elevado de parâmetros independentes. As correlações, aplicáveis a situações encontradas em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, são validadas estatisticamente pela comparação com os resultados obtidos pela solução numérica.

Transmissão de Radiação Ultravioleta Através do Pelame e da Epiderme de Bovinos

A transmissão de radiação ultravioleta de comprimentos de onda entre 250 e 360 nm através do pelame e da epiderme de bovinos foi determinada em laboratório, usando-se amostras de couro de animais recém-abatidos. A quantidade de radiação transmitida através do pelame depende da coloração e também das características estruturais do pelame (espessura da capa; comprimento, diâmetro, número e inclinação dos pêlos), pelas quais é definido o trajeto médio de um fóton pela massa de pêlos (L). A maior transmissão é proporcionada por pelames brancos com altos valores de L, ao passo que pelames negros em geral apresentam transmissão nula ou muito baixa. Quanto menos pigmentada a epiderme, maior a transmissão de radiação através da sua superfície. A melhor proteção é proporcionada por pelames negros com baixo valor de L sobre epiderme igualmente negra, mas em vista do aquecimento causado pela absorção de radiação térmica (em vacas Holandesas a temperatura das malhas negras atinge 44,1ºC ao mesmo tempo em que a das malhas brancas é 37,7ºC), a combinação ideal para ambientes tropicais é um pelame branco com baixo valor de L sobre epiderme negra, uma combinação dificilmente encontrada em animais de raças européias. Uma alternativa seria um pelame negro com um baixo valor de L. Animais vermelhos apresentam alta transmissão de radiação UV através da epiderme e do pelame, sendo desaconselhados para ambientes tropicais. Entretanto, foi observada uma vaca Holandesa com áreas isoladas de epiderme negra coberta com pelame branco, o que pode trazer perspectivas para uma seleção para combinações mais adequadas de epiderme e pelame em bovinos de raças européias.

Simulação numérica da combustão turbulenta de gás natural em câmara cilíndrica

O presente trabalho apresenta uma modelagem detalhada de processos de combustao turbulentos para um jato concentrico de combustıvel e ar. A modelagem é fundamentada nas equacões de conservacão de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies quımicas. A turbulencia é resolvida pela utilizacão do modelo k- padrão. Dois modelos de reacões quımicas são apresentados. O modelo SCRS – Simple Chemically-Reacting Systems, que assume taxas instantâneas de reacões quımicas. Também é abordado o modelo E-A – Eddy Breakup - Arrhenius, que assume taxas finitas de reacões quımicas. A radiacão térmica, fenômeno de grande importância devido as altas temperaturas alcancadas em processos de combustão,é modelada através do Método das Zonas. O modelo da soma ponderada de gases cinzas – WSGGM,é usado para determinar o espectro de emissão e absorcão dos gases no processo. Para a solucão destas equacões diferenciais, juntamente com os modelos de turbulência, de reaçõoes químicas e radiação térmica, faz-se o uso do Método dos Volumes Finitos. Para validar a modelagem apresentada resolve-se o processo de combustão em uma câmara cilíndrica. A câmara de combustão usada áa mesma abordada no First Workshop on Aerodynamics of Steady State Combustion Chambers and Furnaces, organizado pela ERCORTAC - European Research Community On Flow Turbulence And Combustion, em outubro de 1994, que apresenta dados experimentais de temperatura e concentração das espécies químicas para várias posições de interesse no interior da câmara. Utiliza-se o gás natural como combustível e o ar atmosférico como oxidante. O processo de combustão sem pré-mistura é resolvido para a condição de excesso de combustível de 5 % para ambos os modelos, onde o gás natural é injetado por um duto circular central, e o ar atmosférico por um orifício anular externo a esse duto, no mesmo plano Uma reação química não estagiada é assumida para o modelo SCRS. Para o modelo E-A duas situações são resolvidas: combustão não estagiada, com uma etapa global de reação química; e reação quımica estagiada, com duas etapas globais. Os resultados obtidos com o modelo SCRS para a distribuição de temperaturas, em termos de tendências gerais, são razoáveis. Já as concentrações de espécies químicas não apresentam dados satisfatórios para este modelo. Para o modelo E-A os resultados apresentam boa concordância com os dados experimentais, principalmente para a situação em que o processo de combustão é assumido em duas etapas globais. ´E analisado em detalhe o papel desempenhado pela transferencia de calor por radiacao, com meio participante. Para melhor verificar as trocas de calor, assume-se uma camara de combustao cilındrica com paredes d’agua. A injecao do combustıvel e do oxidante e feita atraves de um queimador central, semelhante ao usado para validar a modelagem, porem com dois orifıcios concentricos para injecao de combustıvel. Nesta situação o efeito do turbilhonamento (swril), assumido como 20 % da velocidade axial de entrada, sobre a injecao de ar e computado atraves da condicao contorno da equacao de conservacao da quantidade de movimento angular. Nesta fase apenas o modelo E-A, com duas etapas globais de reacoes quımicas, e considerado, ja que o mesmo apresenta os melhores resultados. O processo de combustao e simulado com e sem a presenca da radiacao termica. Verifica-se que a presenca da radiacao termica homogeneiza a temperatura dos gases no interior da camara. Com isso verifica-se tambem alterações nas taxas de reacoes quımicas, modificando a magnitude das fracoes das especies quımicas Quando a radiacao termica e considerada efeitos de extinção local da chama sao verificados nas regioes de temperaturas mais altas, diminuindo o consumo de oxigenio e aumentando a producao de monoxido de carbono, caracterizando assim uma combustao incompleta. Em algumas situacoes tem-se uma variacao de temperatura de ate 500 K, a montante da chama. A radiacao termica tambem aumenta a taxa de transferencia de calor dos gases quentes para as paredes da camara, e desta para o seu exterior. Com os resultados obtidos a partir desta modelagem e possıvel determinar o perfil da zona de combustao, a distribuicao de concentracoes de especies quımicas, o campo de velocidades e as taxas de transferencia de calor para as paredes da camara de combustao, total, por conveccao superficial e por radiacao. Estes resultados sao de extrema importancia para prever a performance de camaras de combustao, assim como auxiliar na sua otimizacao.

Análise de métodos de predição de conforto térmico de habitação em clima quente-úmido com condicionamento passivo

The assessment of building thermal performance is often carried out using HVAC energy consumption data, when available, or thermal comfort variables measurements, for free-running buildings. Both types of data can be determined by monitoring or computer simulation. The assessment based on thermal comfort variables is the most complex because it depends on the determination of the thermal comfort zone. For these reasons, this master thesis explores methods of building thermal performance assessment using variables of thermal comfort simulated by DesignBuilder software. The main objective is to contribute to the development of methods to support architectural decisions during the design process, and energy and sustainable rating systems. The research method consists on selecting thermal comfort methods, modeling them in electronic sheets with output charts developed to optimize the analyses, which are used to assess the simulation results of low cost house configurations. The house models consist in a base case, which are already built, and changes in thermal transmittance, absorptance, and shading. The simulation results are assessed using each thermal comfort method, to identify the sensitivity of them. The final results show the limitations of the methods, the importance of a method that considers thermal radiance and wind speed, and the contribution of the chart proposed

Análise da indução de fluxo de ar por convecção livre em chaminé solar

Experiments were performed to study the effect of surface properties of a vertical channel heated by a source of thermal radiation to induce air flow through convection. Two channels (solar chimney prototype) were built with glass plates, forming a structure of truncated pyramidal geometry. We considered two surface finishes: transparent and opaque. Each stack was mounted on a base of thermal energy absorber with a central opening for passage of air, and subjected to heating by a radiant source comprises a bank of incandescent bulbs and were performed field tests. Thermocouples were fixed on the bases and on the walls of chimneys and then connected to a data acquisition system in computer. The air flow within the chimney, the speed and temperature were measured using a hot wire anemometer. Five experiments were performed for each stack in which convective flows were recorded with values ranging from 17 m³ / h and 22 m³ / h and air flow velocities ranging from 0.38 m / s and 0.56 m / s for the laboratory tests and air velocities between 0.6 m/s and 1.1m/s and convective airflows between 650 m³/h and 1150 m³/h for the field tests. The test data were compared to those obtained by semi-empirical equations, which are valid for air flow induced into channels and simulated data from 1st Thermodynamics equation. It was found that the chimney with transparent walls induced more intense convective flows than the chimney with matte finish. Based on the results obtained can be proposed for the implementation of prototype to exhaust fumes, mists, gases, vapors, mists and dusts in industrial environments, to help promote ventilation and air renewal in built environments and for drying materials, fruits and seeds

Estimativa do fluxo de calor latente pelo balanço de energia em cultivo protegido de pimentão

O objetivo deste trabalho foi caracterizar e relacionar a radiação líquida com o calor latente equivalente, em mm de água, nos cultivos protegido e de campo, na cultura de pimentão. O experimento foi feito em Botucatu, SP. A estimativa do fluxo de calor latente foi feita pelo método do balanço de energia, por meio da razão de Bowen. Foram feitas medidas instantâneas da radiação líquida (Rn), dos fluxos convectivos de calor latente (LE) e sensível (H), do fluxo de calor no solo (G), e dos gradientes psicrométricos sobre a cultura. O cultivo protegido, apesar de receber menor quantidade de radiação solar global, foi mais eficiente na conversão da radiação líquida disponível em matéria seca total e na produtividade de frutos. No balanço de energia, o cultivo protegido apresentou razões G/Rn e LE/Rn inferiores e H/Rn superior, com um fluxo de calor latente, equivalente em milímetros, 45,43% menor que no cultivo no campo. Apresentou, ainda, menor quantidade de radiação líquida disponível e menores perdas de energia, mostrando-se mais eficiente no uso da água.

Espectros fractais em sistemas nanoestruturados e cristais fotônicos

The study of the elementary excitations such as photons, phonons, plasmons, polaritons, polarons, excitons and magnons, in crystalline solids and nanostructures systems are nowdays important active field for research works in solid state physics as well as in statistical physics. With this aim in mind, this work has two distinct parts. In the first one, we investigate the propagation of excitons polaritons in nanostructured periodic and quasiperiodic multilayers, from the description of the behavior for bulk and surface modes in their individual constituents. Through analytical, as well as computational numerical calculation, we obtain the spectra for both surface and bulk exciton-polaritons modes in the superstructures. Besides, we investigate also how the quasiperiodicity modifies the band structure related to the periodic case, stressing their amazing self-similar behavior leaving to their fractal/multifractal aspects. Afterwards, we present our results related to the so-called photonic crystals, the eletromagnetic analogue of the electronic crystalline structure. We consider periodic and quasiperiodic structures, in which one of their component presents a negative refractive index. This unusual optic characteristic is obtained when the electric permissivity and the magnetic permeability µ are both negatives for the same range of angular frequency ω of the incident wave. The given curves show how the transmission of the photon waves is modified, with a striking self-similar profile. Moreover, we analyze the modification of the usual Planck´s thermal spectrum when we use a quasiperiodic fotonic superlattice as a filter.

Concepção de um receptor de cavidade para concentração de energia solar para aplicação em reatores químicos.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos.

Análise da formulação em Monte Carlo dos pacotes de energia multiespectrais aplicada a meios constituídos por vapor d'água

The Monte Carlo method is accurate and is relatively simple to implement for the solution of problems involving complex geometries and anisotropic scattering of radiation as compared with other numerical techniques. In addition, differently of what happens for most of numerical techniques, for which the associated simulations computational time tends to increase exponentially with the complexity of the problems, in the Monte Carlo the increase of the computational time tends to be linear. Nevertheless, the Monte Carlo solution is highly computer time consuming for most of the interest problems. The Multispectral Energy Bundle model allows the reduction of the computational time associated to the Monte Carlo solution. The referred model is here analyzed for applications in media constituted for nonparticipating species and water vapor, which is an important emitting species formed during the combustion of hydrocarbon fuels. Aspects related to computer time optimization are investigated the model solutions are compared with benchmark line-by-line solutions

Análise de métodos de predição de conforto térmico de habitação em clima quente-úmido com condicionamento passivo

The assessment of building thermal performance is often carried out using HVAC energy consumption data, when available, or thermal comfort variables measurements, for free-running buildings. Both types of data can be determined by monitoring or computer simulation. The assessment based on thermal comfort variables is the most complex because it depends on the determination of the thermal comfort zone. For these reasons, this master thesis explores methods of building thermal performance assessment using variables of thermal comfort simulated by DesignBuilder software. The main objective is to contribute to the development of methods to support architectural decisions during the design process, and energy and sustainable rating systems. The research method consists on selecting thermal comfort methods, modeling them in electronic sheets with output charts developed to optimize the analyses, which are used to assess the simulation results of low cost house configurations. The house models consist in a base case, which are already built, and changes in thermal transmittance, absorptance, and shading. The simulation results are assessed using each thermal comfort method, to identify the sensitivity of them. The final results show the limitations of the methods, the importance of a method that considers thermal radiance and wind speed, and the contribution of the chart proposed

Como a mudança climática poderá afetar as doenças das hortaliças?

As atividades antrópicas estão alterando as concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera, causando mudanças no clima do planeta (IPCC, 2007). O efeito estufa é um processo natural que permite a manutenção da temperatura necessária para o estabelecimento e sustento da vida na Terra. O vapor de água, o dióxido de carbono (CO2), o metano (CH4), o óxido nitroso (N2O), o ozônio (O3) e outros gases presentes na atmosfera, denominados gases de efeito estufa, retêm parcialmente a radiação térmica que é emitida quando a radiação solar atinge a superfície do planeta. As atividades antrópicas, intensificadas após a Revolução Industrial, no final do século XVIII, caracterizam-se pela emissão de gases na atmosfera devido ao uso dos recursos naturais, como a queima de combustíveis fósseis e o desmatamento. Como conseqüência, há uma maior retenção de radiação que resulta na intensificação do efeito estufa, elevando a temperatura média da superfície do planeta, além de outros efeitos. Durante o século XX, houve um aumento na temperatura média da superfície do planeta, de aproximadamente 7,4ºC. Porém, esse aumento não foi homogêneo, isto é, algumas regiões do planeta apresentaram maiores incrementos de temperatura que outras. Recentemente, o fenômeno tem se acelerado, pois as maiores temperaturas médias anuais foram registradas nos últimos anos (IPCC, 2007).

Análise de métodos de predição de conforto térmico de habitação em clima quente-úmido com condicionamento passivo

The assessment of building thermal performance is often carried out using HVAC energy consumption data, when available, or thermal comfort variables measurements, for free-running buildings. Both types of data can be determined by monitoring or computer simulation. The assessment based on thermal comfort variables is the most complex because it depends on the determination of the thermal comfort zone. For these reasons, this master thesis explores methods of building thermal performance assessment using variables of thermal comfort simulated by DesignBuilder software. The main objective is to contribute to the development of methods to support architectural decisions during the design process, and energy and sustainable rating systems. The research method consists on selecting thermal comfort methods, modeling them in electronic sheets with output charts developed to optimize the analyses, which are used to assess the simulation results of low cost house configurations. The house models consist in a base case, which are already built, and changes in thermal transmittance, absorptance, and shading. The simulation results are assessed using each thermal comfort method, to identify the sensitivity of them. The final results show the limitations of the methods, the importance of a method that considers thermal radiance and wind speed, and the contribution of the chart proposed

Viabilidades térmica, econômica e de materiais de um sistema solar de aquecimento de água a baixo custo para fins residenciais

An solar alternative system for water heating is presented. Is composed for one low cost alternative collector and alternative thermal reservoir for hot water storing. The collector of the system has box confectioned in composite material and use absorption coils formed for PVC tubes. The box of hot water storage was confectioned from a plastic polyethylene drum used for storage of water and garbage, coated for a cylinder confectioned in fiber glass. The principle of functioning of the system is the same of the conventionally. Its regimen of work is the thermosiphon for a volume of 250 liters water. The main characteristic of the system in considered study is its low cost, allowing a bigger socialization of the use of solar energy. It will be demonstrated the viabilities thermal, economic and of materials of the system of considered heating, and its competitiveness in relation to the available collectors commercially. Relative aspects will be boarded also the susceptibility the thermal degradation and for UV for the PVC tubes. It will be shown that such system of alternative heating, that has as main characteristic its low cost, presents viabilities thermal, economic and of materials

Projeto, construção e análise de eficiência térmica de um sistema de aquecimento solar de água de baixo custo

We studied the feasibility of using a system of Solar Water Heating (SAS) with low cost, for three configurations. In configurations I and II have the collector grid absorber composed of six PVC tubes placed in parallel on the tile cement. In configuration II, the PVC tubes were transparent cover made of plastic bottles. Configuration III uses a collector composed of 12 black HDPE pipes, supported on four cement tiles 2.44 m x 0.50 m, two by two overlapping and interspersed with a filling of glass wool, comprising an area exposed to the global radiation incident of 2.44 m2, with the top two tiles painted matte black. In this configuration, the HDPE pipes replace conventional PVC pipes painted black. The total cost of SAS for configuration III, the most economical, was around $ 150.00. For the configurations tested the system of operation was thermosyphon collector. The study showed that the proposed systems have good thermal efficiency, are easy to install and handle and have low cost compared to conventional.