Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Contribuição para o conhecimento sobre o efeito da utilização de material pozolânico no fabrico de betão

O presente trabalho, realizado no âmbito da Tese de Mestrado, tem como principal objectivo estudar as características pozolânicas dos materiais da zona de Arganil para substituição parcial do cimento Portland com o objectivo de intensificar certas qualidades devido à diminuição da porosidade do betão. Estas qualidades são interessantes quando se procura maior durabilidade. Para tal, foram realizados diversos ensaios para a caracterização física, química e mineralógica dos produtos. Os metacaulinos utilizados foram obtidos de amostras de argila submetidas a calcinação (750oC, durante uma hora), processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e superfície específica e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. Descreve ainda o emprego do metacaulino em betões de resistência convencional. Estudou-se a influência do emprego do metacaulino (15% de substituição de cimento, em massa) na resistência à flexão e à compressão (aos 28 dias) em argamassas e o emprego de metacaulino (10%, 15% e 20% de substituição de cimento, em massa) na resistência à compressão (3, 7 e 28 dias) no betão.

Verificação dos estados limites de utilização de estruturas de betão

A ocorrência de fenómenos como deformações excessivas, deformações impostas, variações de temperatura, fluência e retracção entre outros são responsáveis pela diminuição do desempenho em serviço das estruturas de betão. Frequentemente, os projectistas valorizam em demasia a verificação da segurança em relação aos estados limites últimos, dedicando menos atenção à verificação dos estados limites de utilização, recorrendo a certas medidas construtivas que em casos usuais poderão ser suficientes. Em casos especiais como vãos consideráveis ou acções de elevada intensidade, estas medidas não garantem que a estrutura apresente a funcionalidade e a durabilidade desejáveis, impondo-se a necessidade de verificar os estados limites de utilização por métodos de cálculo mais fiáveis. Este factor, pode ser determinante para evitar certas anomalias de difícil resolução. A presente dissertação pretende documentar alguns métodos de cálculo utilizados no controlo da fendilhação, na limitação das tensões e no controlo das deformações segundo as mais recentes disposições regulamentares previstas para o efeito. Como os valores obtidos com a aplicação destes métodos são aproximações ao comportamento real dos elementos estruturais, procurou-se comparar estes resultados teóricos com situações reais, de forma a avaliar a sua precisão e fiabilidade. A degradação precoce das estruturas de betão, nem sempre se deve apenas à desvalorização da verificação dos estados limites de utilização em fase de projecto. Como os processos de produção destas estruturas são complexos e por vezes são negligenciadas boas práticas de construção, são propostas neste trabalho resumidamente algumas medidas construtivas que visam aumentar a durabilidade das estruturas e o seu desempenho em serviço.

Deterioração e reabilitação de estruturas de betão armado

Apesar da enorme evolução tecnológica, os prazos na construção são cada vez mais reduzidos e os custos mais controlados, verificando-se uma despreocupação no que diz respeito a aspetos como a qualidade e durabilidade da construção das estruturas. Desperta assim nos técnicos, donos-de-obra, entidades executantes e projetistas a necessidade de avaliar o estado de conservação das estruturas de betão armado. Esta dissertação tem como objetivo principal abordar as anomalias e os mecanismos de deterioração mais correntes, os métodos de ensaio destrutivos ou parcialmente destrutivos mais utilizados e adequados, e abordar algumas das técnicas de reparação e reforço das estruturas de betão armado. Os principais danos apresentados nas estruturas são devidos a agentes físicos, mecânicos, biológicos e químicos. Podem ser devidos a causas diretas (acidentais ou naturais), que acarretam uma ação concreta sobre os elementos estruturais, e causas indiretas (humanas), diretamente ligadas com erros de projeto. É primordial fazer-se o levantamento de todas as anomalias existentes para se recorrer a um método de inspeção e ensaio. Consoante a necessidade de informação e estado da estrutura são selecionados os ensaios a realizar, podendo ser realizados “in situ” ou em laboratório. As técnicas de reparação e reforço são vistas como métodos para melhorar as condições da estrutura ao nível da segurança, desempenho, habitabilidade e durabilidade, prevenindo a evolução dos mecanismos de deterioração.

Toxicity of chromated copper arsenate: a study in mice

Chromated copper arsenate (CCA) was widespread used as a chemical wood preservative with application in the construction of playground equipment, fences, jetties, and naval. Environmental protection agency (EPA) had limited the use of CCA-treated wood on 2002, due to probable implications on both human and environmental health. Although this fact, several industries pursue the use of this product within their manufactories. In addition, the durability of this wood for 60 years, makes these treated products an hazard to the public health. In the present work, studies were explored exposing mice to CCA, during 14, 24, 48, and 96 h for the assessment of acute toxicity of CCA. Kidney and liver were removed, prepared for histology and for metalloid, and copper content evaluation by high resolution inductively coupled plasma mass spectroscopy. The histological results evidenced apparently normal structures for control animals and group exposed to As2O5. On the contrary, the renal sections of the animals treated with CCA revealed epithelium cells desquamation, hyaline, and granular casts in renal tubules lumen. Furthermore, high levels of arsenic were detected in the kidney of animals treated with CCA over 14 and 48 h, being significantly greater than controls. Although this approach underlines the potential hazard of CCA on some vital organs, further testing may be required to establish the impacts on other functions.

Bifacial dye-sensitized solar cells: a strategy to enhance overall efficiency based on transparent polyaniline electrode

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a promising solution to global energy and environmental problems because of its clean, low-cost, high efficiency, good durability, and easy fabrication. However, enhancing the efficiency of the DSSC still is an important issue. Here we devise a bifacial DSSC based on a transparent polyaniline (PANI) counter electrode (CE). Owing to the sunlight irradiation simultaneously from the front and the rear sides, more dye molecules are excited and more carriers are generated, which results in the enhancement of short-circuit current density and therefore overall conversion efficiency. The photoelectric properties of PANI can be improved by modifying with 4-aminothiophenol (4-ATP). The bifacial DSSC with 4-ATP/PANI CE achieves a light-to-electric energy conversion efficiency of 8.35%, which is increased by ,24.6% compared to the DSSC irradiated from the front only. This new concept along with promising results provides a new approach for enhancing the photovoltaic performances of solar cells.

Strength prediction of single- and double-lap joints by standard and extended finite element modelling

The structural integrity of multi-component structures is usually determined by the strength and durability of their unions. Adhesive bonding is often chosen over welding, riveting and bolting, due to the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty and easy manufacturing, amongst other issues. In the past decades, the Finite Element Method (FEM) has been used for the simulation and strength prediction of bonded structures, by strength of materials or fracture mechanics-based criteria. Cohesive-zone models (CZMs) have already proved to be an effective tool in modelling damage growth, surpassing a few limitations of the aforementioned techniques. Despite this fact, they still suffer from the restriction of damage growth only at predefined growth paths. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the FEM, developed to allow the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom with special displacement functions, thus overcoming the main restriction of CZMs. These two techniques were tested to simulate adhesively bonded single- and double-lap joints. The comparative evaluation of the two methods showed their capabilities and/or limitations for this specific purpose.

Caracterização mecânica e análise da resistência à corrosão em diferentes solos, de aços inoxidáveis duplex

O aço inoxidável é um material de alta durabilidade e resistência, utilizado nos mais diversos setores comerciais. O conhecimento das suas características e propriedades é essencial para uma escolha mais seletiva e vantajosa. Pretende‐se com este trabalho, estudar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste e o comportamento, em ambientes mais agressivos de três tipos de aços inoxidáveis duplex, produzidos pela OUTOKUMPU e comercialmente conhecidos pelas designações LDX 2101, SAF 2507 e o SAF 2205. Para tal efeito foram realizados ensaios de Dureza Vickers, antes e após dobragem; ensaios de tracção em duas diferentes situações: seguindo a norma NP EN 10002‐ 1:2006 e após a realização de alguns ciclos de carga e descarga; ensaio de Impacto à temperatura ambiente e após arrefecimento criogénico; ensaio de resistência à corrosão. Também foi feito o estudo de resistência ao desgaste com base na técnica de micro‐abrasão por esfera rotativa e o estudo metalográfico. Foi também objetivo deste trabalho, relacionar o uso dos referidos aços duplex e as consequências que esse uso tem para o meio ambiente, bem como o seu comportamento quando exposto a condições extremas. Para tal, foram colocadas amostras dos referidos aços, em dois tipos de solos com condições de humidade e acidez diferentes analisando o seu estado após imersão em solo com condições controladas durante 272 dias.

Ferramenta de cálculo de engrenagens - ENGRECALC

As engrenagens com dentes em evolvente de círculo têm sido e continuarão a ser um dos órgãos de máquinas mais utilizados em Engenharia Mecânica. O seu elevado uso e a sua versatilidade têm promovido o seu desenvolvimento permitido avanços no que diz respeito à sua eficiência, durabilidade, capacidade de carga e fiabilidade. Porém, para além da relativa facilidade de se poder encontrar literatura relativamente às engrenagens, o seu cálculo é complexo. São necessários conhecimentos da geometria de rodas dentadas e dos materiais envolvidos no seu fabrico. Este trabalho tem por objectivo o estudo de engrenagens de dentado recto com o desenvolvimento de uma ferramenta com base no software MatLab®. Esta ferramenta permitirá ao utilizador estudar a influência de condições de funcionamento e parâmetros da engrenagem na resistência à fadiga superficial e de flexão.

Análise de um veículo todo o terreno do tipo KARTCROSS

O presente trabalho descreve a análise feita a um veículo de todo o terreno. O kartcross/buggy em estudo é usado em provas do tipo Baja, sendo estas provas longas e com traçados sinuosos. O veículo, já construído, foi testado através de softwares, a nível estrutural e ciclístico, pretendendo-se assim efetuar engenharia inversa sobre o mesmo. No decorrer da sua utilização normal o kartcross/buggy sofre vários tipos de solicitações, como sejam aceleração, travagem e força centrípta em curva. Portanto, o veículo deve ser capaz de suportar estes esforços e ter uma boa habilidade. Além dos testes em uso corrente foi analisada também a rigidez torsional do quadro do veículo e do veículo completo, podendo-se assim melhorar estes valores. A nível ciclístico foram analisados os parâmetros das suspensões como o camber, convergência/divergência, caster, entre outros. Da análise destes parâmetros e possível fazerem-se melhorias de forma a que o veículo tenha um melhor desempenho. Para validar os testes computacionais efetuados foi reproduzido experimentalmente o teste da rigidez torsional. No final, compararam-se os valores numéricos com os experimentais e aferir se o modelo se encontra bem representado.

Projetos de estabilidade e fundações

O presente relatório final refere-se ao trabalho desenvolvido durante o período de estágio curricular enquadrado no ciclo de estudos do segundo ano do Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio decorreu ao longo de seis meses, desde Fevereiro até Julho de 2014, na empresa CCAD em ambiente de gabinete, para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil. A abordagem do documento passará por enquadrar o estágio e a sua importância e apresentar a empresa onde teve lugar. Durante os seis meses foram desenvolvidos projetos de estabilidade de estruturas em betão armado, sendo possível analisar e dimensionar os elementos através de programas de cálculo que serão apresentados a seguir. Estabelecem-se recomendações gerais de forma a garantir a durabilidade e o bom comportamento das estruturas. Aborda-se o dimensionamento dos elementos de betão armado, onde se salienta uma atenção especial dada ao controlo da fendilhação. Ao longo do documento serão descritos os projetos elaborados e a área em que estão inseridos. Neste relatório apresentam-se as metodologias para a determinação de armaduras tendo em conta os diversos fatores intervenientes. Finalmente, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

Ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos

A correta ventilação de locais afetos a serviços técnicos elétricos, nomeadamente postos de transformação e salas de grupos geradores, reveste-se de extrema importância como garantia da continuidade e qualidade do serviço prestado, durabilidade dos materiais e equipamentos e da segurança das instalações e utilizadores. A ventilação dos locais afetos a serviços técnicos elétricos pode ser natural ou mecânica, dependendo das suas caraterísticas e das necessidades de ar para ventilação e combustão, quando aplicável. Os técnicos responsáveis pelo projeto de instalações elétricas não detém, em regra, um conhecimento muito profundo sobre este tema, sendo os seus projetos realizados com base em especificações e metodologias gerais disponibilizadas pelos fabricantes e comercializadores dos materiais e equipamentos. O projeto de uma solução de ventilação para um local afeto a serviços técnicos eléctricos exige o conhecimento de todos os ganhos térmicos no interior do espaço, o conhecimento das soluções técnicas e tecnológicas de ventilação bem como as metodologias de dimensionamento aplicáveis a cada situação. Sendo a fase de projeto elétrico, em regra, uma atividade com prazos apertados, pode conduzir ao menosprezar de certos aspetos particulares que carecem de investigação e tempo para serem desenvolvidos, o que pode resultar em projetos e mapas de quantidades que apresentam desvios da solução ideal para o cliente, podendo resultar em investimentos mais elevados, quer na fase de execução, quer na fase de exploração das instalações. Neste sentido, pretendeu-se com o presente trabalho, tratar o tema da ventilação de locais afetos a serviços técnicos, atendendo ao enquadramento normativo e regulamentar das instalações, às soluções técnicas e tecnológicas disponíveis no mercado e às metodologias de dimensionamento, apresentadas pelos documentos normativos e regulamentares. Pretendeu-se também desenvolver uma ferramenta informática de auxilio ao dimensionamento das soluções de ventilação de locais afetos a serviços técnicas eléctricos destinados a postos de transformação e grupos geradores de modo a reduzir o tempo normalmente exigido por esta tarefa, o que se traduzirá numa maior rentabilidade do tempo de projeto, assim como a normalizar as soluções apresentadas e minimizar a probabilidade de erro do dimensionamento das soluções, reduzindo assim a probabilidade de gastos em “trabalhos a mais” provenientes de erros em projeto, poupança em materiais presentes no mapa de quantidades, maior eficácia na execução da empreitada, poupança em gastos durante a exploração e desta forma numa proximidade entre as partes interessadas com o dimensionamento da ventilação do espaço técnico elétrico.

Projeto de Reabilitação da EM 607 no Concelho de Valongo

Pretende-se com este trabalho fazer um estudo detalhado de um troço da Estrada Municipal 607, situado no concelho de Valongo, caracterizando o seu estado de degradação e definindo qual ou quais as soluções mais convenientes de reabilitação a adotar. O pavimento alvo deste trabalho é abrangido por três ruas pertencentes à EM 607, Rua de Vilar, Rua de Cabeda e Rua D. Pedro IV e apresenta uma extensão total de 4,8 km. Este trabalho pode ser dividido em duas partes distintas: uma primeira parte, mais do âmbito teórico, onde é feita uma abordagem histórica desde o desenvolvimento dos pavimentos rodoviários até aos métodos e pavimentos existentes na atualidade e uma segunda parte, que diz respeito ao desenvolvimento prático do trabalho, onde é feito um estudo do pavimento e são apresentadas soluções de reabilitação e respetivos dimensionamentos. Iniciou-se o estudo do pavimento com uma análise geral das patologias existentes, definindo o estado de degradação em que este se encontra. Concluiu-se que se estava na presença de um pavimento muito degradado, havendo troços com um nível de degradação muito elevado, o que proporciona desconforto na circulação dos condutores. Foi efetuado um estudo de tráfego de pesados, onde se percebeu que se tratava de um pavimento com intenso tráfego de pesados e que talvez este pavimento não esteja apto para o suportar. A retirada de carotes veio confirmar este pressuposto, pois as espessuras das camadas betuminosas mostraram ser insuficientes para o atual volume de tráfego. As soluções de reabilitação foram ao encontro de várias soluções para diferentes situações, dando aos responsáveis da Câmara Municipal de Valongo a possibilidade de optarem por aquela que melhor se ajuste às suas necessidades, bem como às suas condições financeiras. Assim, foram propostas três soluções para três capacidades de resistência e períodos de vida úteis distintos. A primeira solução engloba a remoção do pavimento existente e colocação de uma estrutura completamente nova, com três camadas betuminosas e dimensionada para o volume de tráfego atual, apresentando um período de vida útil de 20 anos, mas que é mais dispendiosa. A segunda solução apresenta apenas duas camadas betuminosas, onde seriam removidas apenas as camadas betuminosas, aproveitando a camada de sub-base. Esta solução tem um período de vida útil estimado de cerca de 8 anos. A terceira solução, com um período de vida útil de 5 anos, baseia-se na remoção parcial de uma largura da faixa de rodagem, aproveitando a restante. Na largura removida seria colocada uma estrutura de pavimento nova e dimensionada na segunda solução. Por último, foi dimensionado o sistema de drenagem transversal e longitudinal, sendo caracterizadas as linhas de águas e as respetivas bacias hidrográficas. As valetas e passagens hidráulicas existentes não estão dimensionadas para o atual escoamento de águas pluviais a que o pavimento está sujeito. As valetas são muito reduzidas, apresentando-se em alguns casos degradadas ou a necessitarem de limpeza urgente.

Aplicação de métodos numéricos avançados para a previsão de resistência de ligações adesivas

Com a necessidade de encontrar uma forma de ligar componentes de forma mais vantajosa, surgiram as ligações adesivas. Nos últimos anos, a utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, substituindo alguns métodos de ligação tradicionais, por apresentarem vantagens tais como, redução de concentração de tensões, reduzido peso e facilidade de processamento/fabrico. O seu estudo permite prever a sua resistência e durabilidade. Este trabalho refere-se ao estudo de juntas de sobreposição simples (JSS), nas quais são aplicados os adesivos comerciais que variam desde frágeis e rígidos, como o caso do Araldite® AV138, até adesivos mais dúcteis, como o Araldite® 2015 e o Sikaforce® 7888. Estes são aplicados em substratos de alumínio (AL6082-T651) em juntas com diferentes geometrias e diferentes comprimentos de sobreposição (L), sendo sujeitos a esforços de tracção. Foi feita uma análise dos valores experimentais fornecidos e uma posterior comparação destes com diferentes métodos numéricos baseados em Elementos Finitos (EF). A comparação foi feita por uma análise de Modelos de Dano Coesivo (MDC) e segundo os critérios baseados em tensões e deformações do Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE). A utilização destes métodos numéricos capazes de simular o comportamento das juntas poderá levar a uma poupança de recursos e de tempo. A análise por MDC revelou que este método é bastante preciso, excepto para os adesivos que sejam bastante dúcteis. A aplicação de uma outra lei coesiva pode solucionar esse problema. Por sua vez a análise por MEFE demonstrou que esta técnica não é particularmente adequada para o crescimento de dano em modo misto e, comparativamente com o MDC, a sua precisão é bastante inferior.

Desenvolvimento de Aplicação para a Otimização de Processo Produtivo

Empreendimentos industriais requerem o acompanhamento completo e preciso de dados de máquinas em tempo real, integrando as atividades do chão de fábrica com a engenharia, suporte e negócios. É reconhecido que sistemas de monitorização são fundamentais para melhorar a qualidade do produto, reduzir os tempos e para a adaptação rápida às mudanças de produção. Os sensores de processos possuem custos altos, não são compactos e são de difícil implementação. Portanto, seria estratégico desenvolver sistemas de monitorização que usufruem ao máximo dos recursos já existentes nas máquinas e ferramentas e que não representem custos adicionais elevados e de difícil implementação. O uso de PLC nas indústrias é crescente. Estes mostram-se como ferramentas potenciais para atender a estas exigências. Os PLC possuem os recursos necessários para a aquisição de informações e controlo das máquinas, facilitando a interação com um sistema SCADA. O objetivo do presente trabalho é pesquisar soluções sobre sistemas de monitorização que possam substituir um sistema instalado antiquado e encontrar uma solução para o controlo de um processo de vazamento. Para tal, foram consideradas duas soluções: uma passaria por desenvolver um sistema de monitorização que controlasse o processo de vazamento, e outra que permitisse ser o PLC a fazer o controlo, adquirindo um HMI apenas para monitorização. Esta última solução revelou-se como a melhor, visto que um PLC tem mais durabilidade em relação a um PC, em termos de atualizações de hardware e software. Assim, foram criadas funções no PLC para fazer o controlo de vazamento e foi adquirido uma consola Beijer, e respetivo software de programação SCADA, para a criação do sistema de monitorização. Os resultados mostram que o PLC é capaz de executar o controlo, não sendo necessário investir em PC que são mais caros, bastando para isso adquirir sistemas SCADA simples e capazes.