Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Análise teórico experimental dos evaporadores de uma bomba de calor

Faz-se um estudo da construção de uma bomba de calor residencial de baixo custo utilizando um condicionador de ar do tipo janela. Com tal equipamento operando fora das condições de projeto é preciso fazer uma avaliação das novas condições de operação, onde os evaporadores passam a ser objetivo de estudo do presente trabalho. A análise foi conduzida de duas formas. Uma tomada de dados experimental, feita em duas épocas distintas do ano, nas condições mais severas de consumo, no inverno, e nas condições mais severas de temperatura, no verão. A outra, uma análise teórica, gerando dados que podem ser comparados com a literatura. Inicialmente, é feita uma avaliação do coeficiente de performance visando a competitividade do equipamento no que tange o custo operacional. Como objetivo principal é avaliada a troca de calor nos evaporadores e os parâmetros que a influenciam, bem como o comportamento do fluido refrigerante na entra e saída. Foi preciso desenvolver uma metodologia para trocadores aletados que apresentam mudança de fase já que esta não é vista com facilidade na literatura. Faz-se uso do método NUT e- , que é adaptado de forma a ser função somente dos dados psicrométricos do ar. Para a efetividade média externa e o coeficiente de convecção externo é utilizada a metodologia desenvolvida por Schmidt em 1949 Como resultados, observou-se que o coeficiente de performance fica na faixa dos equipamentos comercias (2,6 na média anual) e o custo operacional é competitivo com o uso do gás liquefeito de petróleo, em aquecedores de passagem. A efetividade do trocador e o coeficiente de convecção externo apresentam um valor baixo, atribuído a grande área de troca de calor externa. O coeficiente de contato, apresenta um valor alto se comparado ao coeficiente de convecção externo. Quanto ao fluido refrigerante, este apresenta condições normais nas saídas dos evaporadores e título baixo na entrada de um dos evaporadores. Também é observado que um dos evaporadores apresenta baixo uso efetivo, sendo o problema atribuído a baixa vazão de refrigerante.

Avaliação de impactos do projeto de psicultura do pólo de modernização tecnológica do Médio Alto Uruguai

Um sistema nacional de inovação que ofereça suporte adequado ao crescimento sustentável da economia, requer uma interação entre o sistema técnicocientífico e o sistema produtivo. No caso do Rio Grande do Sul, alguns setores tradicionais de sua economia foram contemplados com pólos de modernização tecnológica com o objetivo de induzir o fluxo de conhecimento. Este estudo aborda a questão da transferência de conhecimento para o setor produtivo, sob a perspectiva do projeto de piscicultura do Pólo de Modernização Tecnológica do Médio Alto Uruguai – PMTec, implantado junto à Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões - URI, Campus de Frederico Westphalen. Este trabalho tem como objetivos verificar a estrutura de projetos implantada; avaliar o processo de difusão de tecnologia; avaliar impactos econômicos resultantes, bem como, oferecer subsídios para outras avaliações. A investigação referente a estrutura de projetos e o processo de difusão de tecnologia foi elaborada com dados secundários provenientes dos relatórios do Pólo. Para a pesquisa relativa à incorporação de tecnologia e de impactos econômicos foram entrevistados noventa e quatro piscicultores, que responderam a um conjunto de questões fechadas, resultando em dados quantitativos que, na análise, foram acrescidos de dados qualitativos recolhidos nas entrevistas. As principais conclusões da pesquisa são: a implantação do Pólo e seu projeto de piscicultura foi responsável pelo desenvolvimento de uma nova fonte de renda para as propriedades da região; entretanto, o impacto econômico da nova atividade poderia ser melhor se aumentadas as ações de difusão da tecnologia como assistência técnica nas propriedades para a produção e comercialização dos peixes.

Espalhamento de luz estático e dinâmico em polímeros do tipo polimetacrilato, fluorescentes por transferência protônica intramolecular no estado eletrônico excitado (TPIEE)

As técnicas de espalhamento de luz estático e dinâmico foram utilizadas para a caracterização dos copolímeros de PMMA-benzazolas e do PMMA, em clorofórmio e THF nos regimes diluído e semi-diluído. Os copolímeros foram obtidos pela polimerização do metil-metacrilato na presença dos corantes orgânicos do tipo benzazolas, que caracterizam-se por apresentar uma intensa emissão de fluorescência através de um mecanismo de transferência protônica intramolecular no estado eletrônico excitado. Através da técnica de espalhamento de luz estático foram obtidos parâmetros macromoleculares como a massa molar ponderal média, o raio de giro e o segundo coeficiente virial, bem como o módulo osmótico reduzido e o parâmetro g, relacionado com a arquitetura do polímero em solução. Estes parâmetros indicam que os copolímeros e o PMMA em solução diluída comportam-se como cadeias lineares flexíveis e apresentam-se como esferas homogêneas em solução. Através da espectroscopia de correlação de fótons foram obtidas funções normalizadas de correlação temporal de intensidade correspondentes a um único processo dinâmico tanto para o PMMA como para os copolímeros em regime diluído, independentemente do solvente utilizado. Esta dinâmica corresponde à difusão das cadeias poliméricas em solução. Para as soluções em regime semi-diluído (5£c£30 g·L-1), as funções de correlação temporal de intensidade apresentaram um único decaimento exponencial correspondente a difusão cooperativa dos entrelaçamento das cadeias poliméricas em solução pode ser observado em ambos os solventes. O tempo de relaxação ( t) obtido sugere que o copolímero apresenta, neste regime de diluição, uma dinâmica diferente daquela observada para o PMMA. Portanto, a incorporação da benzazola na cadeia polimérica afeta a dinâmica do polímero tanto em THF como em clorofórmio. Para soluções contendo PMMA e o Copolímero 6 na concentração de 60 g·L-1 em THF observou-se o aparecimento de um segundo movimento, mais lento, nas funções normalizadas de correlação temporal de intensidade, sugerindo a formação de uma estrutura contínua em solução. O mesmo não ocorre utilizando-se clorofórmio como solvente.

Solução da equação de condução de calor bidimensional, em meios multicompostos, pelos métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace

Neste trabalho, desenvolvemos uma metodologia semi-analítica para solução de problemas de condução de calor bidimensional, não-estacionária em meios multicompostos. Esta metodologia combina os métodos nodal, com parâmetros concentrados, e a técnica da transformada de Laplace. Inicialmente, aplicamos o método nodal. Nele, a equação diferencial parcial que descreve o problema é integrada, transversalmente, em relação a uma das variáveis espaciais. Em seguida, é utilizado o método de parâmetros concentrados, onde a distribuição de temperatura nos contornos superior e inferior é substituída pelo seu valor médio. Os problemas diferenciais unidimensionais resultantes são então resolvidos com o uso da técnica da transformada de Laplace, cuja inversão é avaliada numericamente. O método proposto é usado na solução do problema de condução de calor, em paredes de edificações. A implementação computacional é feita, utilizando-se a linguagem FORTRAN e os resultados numéricos obtidos são comparados com os disponíveis na literatura.

A aquisição automática de dados proporcionando discussões conceituais na física térmica do ensino médio

Diante dos problemas vivenciados no ensino da Física cabe ao professor a tarefa de tentar combater as dificuldades de seus alunos, proporcionando-lhes experiências de aprendizagem eficazes, procurando atualizar, tanto quanto possível, os instrumentos pedagógicos que utiliza. Considerando a especificidade experimental da Física, a realização de atividades de laboratório faz-se de grande importância. Porém, uma reflexão a respeito de como utilizar tais atividades é necessária para que possam realmente contribuir para uma aprendizagem significativa. Nesta busca, a utilização da aquisição automática de dados através de dispositivos do tipo CBL (do inglês Calculator Based Laboratory) pode, sem dúvida, trazer grande contribuição. Aliando-se à grande potencialidade do uso destes dispositivos, à inexistência de trabalhos divulgados envolvendo seu uso no ensino de Física no Brasil e, finalmente, ao fato deste ser um equipamento adquirido recentemente pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas, instituição na qual este trabalho foi desenvolvido, optou-se por propor nesta dissertação a utilização de tais equipamentos em laboratório didático de Física Térmica no ensino médio. Dentre os assuntos abordados cita-se: calor, temperatura e energia interna; resfriamento de um corpo; mudança de estado físico e pressão de vapor; transmissão do calor. Alguns destes assuntos não são normalmente abordados no ensino médio, como a lei de resfriamento e análise da curva de pressão de vapor. Outros tópicos levam a uma maior contextualização da Física, como umidade relativa do ar e formação de geada. Esta proposta é fundamentada pela teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel e pela teoria da interação social de Lev Vigotski Através desta experiência de implementação em aulas regulares de ensino médio, espera-se verificar a possibilidade de sua utilização neste nível de ensino. Como produto deste trabalho de dissertação, foi produzido material instrucional que compreende guias experimentais e textos envolvendo os conteúdos abordados, assim como material hipermídia sobre transmissão do calor contendo algumas animações e teste interativo desenvolvidos em Flash MX. Todo este material foi concebido e implementado buscando levar o aluno a uma aprendizagem significativa dos conceitos físicos.