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.

Influencia de variaveis ambientais sobre a temperatura do ar na area urbana de Porto Alegre, RS

Com o objetivo de verificar qual o controle mais importante das temperaturas no meio urbano, correlacionou-se a temperatura observada em seis estações meteorológicas com três índices representativos do ambiente em torno de cada abrigo meteorológico. Os dados de temperatura corresponderam às médias das temperaturas mínimas e às médias das temperaturas máximas do período abril 1985-março 1986. Também foram extraídos deste conjunto de dados, amostras sazonais de 2 dias consecutivos com tempo anticiclônico. O ambiente em torno dos abrigos meteorológicos foi caracterizado por três variáveis: ângulo de obstrução do horizonte (obstrução por edificações, por vegetação e máxima obstrução), cobertura, vegetal em 10.000 m2 e 40.000 m2 e superfície com edificações também em 10.000 m2 e 40.000 m2. A correlação da obstrução do horizonte por edificações com a média das temperaturas mínimas foi a mais significativa. Diferenças observadas entre a situação outono-inverno e primavera-verão, entretanto, sugerem controle significativo da circulação atmosférica regional.

Determinação dos parâmetros de fluidização do carvão de charqueadas a temperatura ambiente

Foi construído um equipamento que possibilitou a determinação dos parâmetros de fluidização de amostras de granulometrias simples e de misturas binárias, de carvão de Charqueadas com granulonetrias entre 9 e 28 malhas (mesh number), à temperatura ambiente, tendo-se obtido uma correlação para o cálculo da velocidade mínima de fluidização em função do diâmetro das partículas.

Estudo de um solo residual de arenito da rodovia RS 239 : ensaios triaxiais servo-controlados

O estudo das propriedades mecânicas dos solos estruturados necessita de equipamentos de laboratório com características específicas. No caso de ensaios triaxiais, os equipamentos devem incorporar técnicas especiais, tais como: medição local de deformações e controle automático de trajetórias de tensão. Caso o solo seja ensaiado na condição não saturada, o equipamento deve ser capaz de controlar a sucção imposta ao corpo de prova. Esta dissertação apresenta a montagem de um equipamento triaxial automatizado para o estudo de solos estruturados, saturados e não saturados, sendo que para a execução de ensaios com diferentes trajetórias de tensões, pequenas modificações devem ser introduzidas no programa. O equipamento foi montado com peças encontradas no mercado nacional e de fácil aquisição. Este equipamento dispõe de medição local de deformações baseada em sensores de efeito Hall, com uma resolução de deformações axiais e radiais da ordem de 10-4. O equipamento utiliza um sistema de válvulas proporcionais para o controle automático das pressões aplicadas. O equipamento assim construído, foi utilizado para estudar o comportamento mecânico de um solo residual de arenito Botucatu oriundo de uma jazida na rodovia RS 239. Este solo apresenta um índice de vazios médio de 0,62. Envoltórias de resistência ao cisalhamento para valores de pico e para valores de deformações axiais >10%, foram determinadas a partir de resultados de ensaios triaxiais. Os resultados dos ensaios também permitiram identificar uma superfície de fluência. O efeito da cimentação, tanto na superfície de fluência como no módulo de Young, foi constatado através da análise das curvas tensão desvio x deformação axial, que mostram claramente uma mudança de comportamento associada à progressiva desestruturação do material.

Análise numérica e experimental do comportamento de fundações superficiais assentes em solo melhorado

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de camadas superficiais de solo melhorado como base de fundações superficiais. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de placa de 30 cm de diâmetro sobre camadas de solo residual compactado e de solo tratado com cimento (teor de 5% de cimento), ambas com 60 cm de espessura. O programa experimental também incluiu a retirada de amostras de campo das camadas de solo melhorado para a execução de ensaios triaxiais drenados (CID) com medida interna de deformações, a fim de obter parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. Uma comparação entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras retiradas em campo e moldadas em laboratório (Rohlfes Junior, 1996) é apresentada. A diferença entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras de campo e laboratório foi significativa para o caso das amostras de solo melhorado com cimento, tal fato é atribuído principalmente a dificuldade de mistura em campo. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga x recalque das placas assentes sobre camadas de solo melhorado. O modelo Pseudo-Elástico Não Linear (Hiperbólico) foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento dos novos materiais. Os resultados dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento carga x recalque do solo natural (Cudmani, 1994). A analise do comportamento de fundações superficiais assentes em solos estratificados, através de simulações numéricas, demonstrou ser eficiente para a previsão do comportamento carga x recalque das mesmas.

Estabilização pozolânica de cinzas volante e pesada com cal dolomítica hidratada e areia, curadas pelos processos de autoclavagem e câmara a temperatura constante

Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento mecânico e físico de pozolanas artifíciais estabilizadas química e granulometricamente, curadas por dois processos de cura denominados de : autoclave(ATC), que utiliza temperaturas na faixa de 149 a 188°C e câmara à temperatura constante(CTC) que utiliza uma temperatura de ± 21°C. Também fez-se análises estatísticas com a finalidade de se determinar o efeito da energia de moldagem, temperatura e tempo de cura sobre os resultados dos ensaios, para cada processo de cura, além de se determinar modelos matemáticos para previsão de resultados de resistência através de regressões múltiplas e simples. As pozolanas artificiais empregadas foram as cinzas volante e pesada da Usina de Candiota, as quais foram estabilizadas com cal dolomítica hidratada e areia do Rio Guaíba. Os ensaios de resistência à compressão simples , absorção e perda de massa basearam-se nas normas da ABNT e DNER e para os estudos de análise estatística, fez-se anteriormente aos ensaios, dois planejamentos experimentais denominados de Split-Splot e Quadrado Latino, que foram utilizados nos processos de autoclavagem e câmara à temperatura constante, representativamente. Os Corpos-de-Prova curados na câmara à temperatura constante, até os 28 dias de cura, apresentaram resultados de resistências inferiores aqueles curados pelo processo de autoclave. Aos 60 dias de cura suas resistências ficaram na faixa dos valores de Corpos-de-Provas curados pela autoclave nas temperaturas de 149 a 188°C, excessão feita na mistura utilizando areia, onde em todos os períodos de cura estudados,os valores de resistência dos Corpos-de-Prova curados pelo câmara à temperatura constante foram inferiores. A proporção da quantidade de cal e cinza na mistura, bem como o valor da superfície específica da cinza influenciam nos resultados de ensaios, independentemente da variação dos fatores principais. Em termos de análise estatística verificou-se que a energia de moldagem e o tempo de cura são os fatores que apresentam os maiores efeitos sobre os resultados da resistência, para os processos de cura ATC e CTC, respectivamente.