Aplicação de mapas auto-organizáveis na classificação de padrões de escoamento bifásico

O escoamento bifásico de gás-líquido é encontrado em muitos circuitos fechados que utilizam circulação natural para fins de resfriamento. O fenômeno da circulação natural é importante nos recentes projetos de centrais nucleares para a remoção de calor. O circuito de circulação natural (Circuito de Circulação Natural - CCN), instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN / CNEN, é um circuito experimento concebido para fornecer dados termo-hidráulicos relacionados com escoamento monofásico ou bifásico em condições de circulação natural. A estimativa de transferência de calor tem sido melhorada com base em modelos que requerem uma previsão precisa de transições de padrão de escoamento. Este trabalho apresenta testes experimentais desenvolvidos no CCN para a visualização dos fenômenos de instabilidade em ciclos de circulação natural básica e classificar os padrões de escoamento bifásico associados aos transientes e instabilidades estáticas de escoamento. As imagens são comparadas e agrupadas utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), aplicados em diferentes características da imagem digital. Coeficientes da Transformada Discreta de Cossenos de Quadro Completo (FFDCT) foram utilizados como entrada para a tarefa de classificação, levando a bons resultados. Os protótipos de FFDCT obtidos podem ser associados a cada padrão de escoamento possibilitando uma melhor compreensão da instabilidade observada. Uma metodologia sistemática foi utilizada para verificar a robustez do método.

Reconciliação de dados de uma malha de gasodutos.

O trabalho aborda a aplicação da técnica de reconciliação de dados para o balanço da movimentação de gás natural em uma malha de escoamento de gás não processado, elaborando também um método de cálculo rápido de inventário de um duto. Foram aplicadas, separadamente, a reconciliação volumétrica à condição padrão de medição e a reconciliação mássica, bem como realizadas comparações dos resultados em relação ao balanço original e verificação do balanço resultante de energia em termos de poder calorífico superior. Dois conjuntos de pesos foram aplicados, um arbitrado de acordo com o conhecimento prévio da qualidade do sistema de medição de cada um dos pontos, outro baseado no inverso da variância dos volumes diários apurados no período. Ambos apresentaram bons resultados e o segundo foi considerado o mais apropriado. Por meio de uma abordagem termodinâmica, foi avaliado o potencial impacto, ao balanço, da condensação de parte da fase gás ao longo do escoamento e a injeção de um condensado de gás natural não estabilizado por uma das fontes. Ambos tendem a impactar o balanço, sendo o resultado esperado um menor volume, massa e energia de fase gás na saída. Outros fatores de considerável impacto na qualidade dos dados e no resultado final da reconciliação são a qualidade da medição de saída do sistema e a representatividade da composição do gás neste ponto. O inventário é calculado a partir de uma regressão que se baseia em um regime permanente de escoamento, o que pode apresentar maior desvio quando fortes transientes estão ocorrendo no último dia do mês, porém a variação de inventário ao longo do mês possui baixo impacto no balanço. Concluiu-se que a reconciliação volumétrica é a mais apropriada para este sistema, pois os dados reconciliados levam os balanços mássicos e de energia em termos de poder calorífico, ambos na fase gás, para dentro do perfil esperado de comportamento. Embora um balanço volumétrico nulo apenas da fase gás não seja por si só o comportamento esperado quando se considera os efeitos descritos, para desenvolver um balanço mais robusto é necessário considerar as frações líquidas presentes no sistema, agregando maior dificuldade na aquisição e qualidade dos dados.

Estudo fenomenológico e numérico do escoamento estratificado óleo-água ondulado e com mistura na interface

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura.

Caracterização da estrutura turbulenta em escoamentos aerados em canal de forte declividade com auxílio de técnicas de velocimetria a laser

Este trabalho é continuação da linha de pesquisa em escoamentos de alta velocidade, aerados, conduzida no departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. O trabalho tem cunho experimental visando elucidar aspectos de enlaçamento de ar pela água, como resultado das flutuações turbulentas do escoamento do líquido. Medidas de vazão de ar e água, perfis de velocidade do escoamento líquido, perfis de concentração de ar no escoamento bifásico, perfis de intensidade turbulenta, comprimentos de jatos no salto sobre o aerador, foram efetuados com o fito de testar modelos que quantificam o enlaçamento de ar. Propostas básicas de quantificação de vazões de ar são apresentadas, fundamentadas em propostas da literatura, que mostram coerência entre vazões medidas diretamente e vazões estimadas. A metodologia desenvolvida no presente estudo permite obter adequadamente as grandezas relevantes para escoamentos aerados de alta velocidade. Quanto aos resultados obtidos, quando confrontados com os da literatura, indicam que há maiores incertezas para as propostas que envolvem principalmente as intensidades turbulentas.

Polimerização em emulsão de estireno em microrreator.

A polimerização em emulsão de estireno em um microrreator Syrris de 250 µL com misturador estático junção \"T\" foi estudada em duas etapas. Primeiro somente a fluidodinâmica deste dispositivo não convencional foi avaliada, depois, foi desenvolvida a reação de polimerização de forma a observar como este fator influencia no sistema. Os experimentos foram realizados procurando se atingir maiores conversões, mas mantendo a estabilidade da emulsão. Foi um trabalho exploratório, portanto se assemelha mais a um processo de evolução (evolutionary process). Foram verificados a partir de qual relação das vazões dos dois fluidos ocorre a formação de gotas, e que com o aumento da vazão da fase contínua, aquosa (Qc), mantendo constante a vazão da fase dispersa (Qd), foi verificado uma diminuição do diâmetro das gotas e um regime de fluxo laminar. Posteriormente, realizou-se a polimerização em emulsão do estireno no microrreator, porém com restrições para altas vazões. Os parâmetros de processo testados foram a proporção Qc e Qd, a temperatura e a concentração do iniciador para então verificar o efeito que a variação destas ocasionam na conversão de monômero, no diâmetro e número de partículas e nas massas moleculares médias. A polimerização foi feita para soma das vazões Qc e Qd da ordem de 100 µ L/min, com 15% de monômero na formulação e com o maior tempo de residência possível de 2,5 minutos. Para maiores concentrações de monômero, acima de 15% foi verificado entupimento do canal do microrreator. A taxa de conversão de monômero aumentou com o aumento da temperatura e com o aumento da concentração do iniciador, mas o maior valor atingido foi de apenas 37% devido ao baixo tempo de residência. Nos casos de maiores taxas de conversão, as massas moleculares obtidas foram as menores conforme o esperado pela teoria. Finalmente, os índices de polidispersão (PDI), obtidos foram da ordem de 2,5 a 3,5.

Modelos não lineares resultantes da soma de regressões lineares ponderadas por funções distribuição acumulada

Os controladores eletrônicos de pulverização visam minimizar a variação das taxas de insumos aplicadas no campo. Eles fazem parte de um sistema de controle, e permitem a compensação da variação de velocidade de deslocamento do pulverizador durante a operação. Há vários tipos de controladores eletrônicos de pulverização disponíveis no mercado e uma das formas de selecionar qual o mais eficiente nas mesmas condições, ou seja, em um mesmo sistema de controle, é quantificar o tempo de resposta do sistema para cada controlador específico. O objetivo desse trabalho foi estimar os tempos de resposta para mudanças de velocidade de um sistema eletrônico de pulverização via modelos de regressão não lineares, estes, resultantes da soma de regressões lineares ponderadas por funções distribuição acumulada. Os dados foram obtidos no Laboratório de Tecnologia de Aplicação, localizado no Departamento de Engenharia de Biossistemas da Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\", Universidade de São Paulo, no município de Piracicaba, São Paulo, Brasil. Os modelos utilizados foram o logístico e de Gompertz, que resultam de uma soma ponderada de duas regressões lineares constantes com peso dado pela função distribuição acumulada logística e Gumbell, respectivamente. Reparametrizações foram propostas para inclusão do tempo de resposta do sistema de controle nos modelos, com o objetivo de melhorar a interpretação e inferência estatística dos mesmos. Foi proposto também um modelo de regressão não linear difásico que resulta da soma ponderada de regressões lineares constantes com peso dado pela função distribuição acumulada Cauchy seno hiperbólico exponencial. Um estudo de simulação foi feito, utilizando a metodologia de Monte Carlo, para avaliar as estimativas de máxima verossimilhança dos parâmetros do modelo.

Estudo da substituição da fluorita por alumina ou sodalita e de cal por resíduo de mármore em escórias sintéticas dessulfurantes.

A siderurgia vem sofrendo transformações que buscam inovação e matérias-primas alternativas. Dentro deste contexto, o uso de resíduos industriais para a formação de escórias sintéticas é tido como alternativa na busca de novos materiais e rotas de reaproveitamento de resíduos. Portanto, este trabalho teve como objetivo estudar o uso de escórias sintéticas na etapa de dessulfuração do ferro-gusa, aço e ferro fundido. Assim como, propor a utilização da sodalita e da alumina em substituição à fluorita e o resíduo de mármore em substituição à cal convencional. Inicialmente, o resíduo foi caracterizado utilizando as seguintes técnicas: análise química, análise granulométrica, área de superfície específica, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de espectroscopia por energia dispersiva (EDS). Os resultados da caracterização mostraram que aproximadamente 90% das partículas do resíduo de mármore estão abaixo de 100m e sua área superficial foi de 0,24m²/g. Através da difração de raios-X foi observado que o resíduo é composto por CaCO3, MgCO3 e SiO2. Na sequência, foram feitas simulações com o software Thermo-Calc para obter dados termodinâmicos das fases presentes nas misturas e compará-los com os resultados experimentais. Além disso, também foram calculados dados de capacidade de sulfeto (Cs), partição de enxofre (Ls) e basicidade ótica () das misturas iniciais. Posteriormente, foram realizados os ensaios experimentais em escala laboratorial para ferro-gusa, ferro fundido e aço, respectivamente nas temperaturas de 1400°C, 1550°C e 1600°C. Nos ensaios de dessulfuração do aço e do ferro-gusa, utilizou-se um rotor de alumina com o objetivo de favorecer a agitação no metal e aumentar a remoção de enxofre. Na etapa de dessulfuração do ferro-gusa, constatou-se que a fase sólida de CaO é a responsável pela remoção de enxofre e que a presença das fases silicato tricálcio e aluminato tricálcio (3CaO.SiO2 e 3CaO.Al2O3) limitam a reação, sendo maiores suas concentrações nas escórias que utilizaram o resíduo de mármore e sodalita, devido a presença de SiO2 e Al2O3 nestas matérias-primas. Já para o aço e o ferro fundido, que foram estudados com escórias à base de CaO e Al2O3, observou-se que o aumento da fase líquida favoreceu a dessulfuração. Verificou-se que a dessulfuração no ferro fundido foi por escória de topo e no aço por um processo misto, onde a fase líquida e fase sólida participaram da dessulfuração.