Friction losses of Newtonian and non-Newtonian fluids flowing in laminar regime in a helical coil

This study aimed to carry out experimental work to determine, for Newtonian and non-Newtonian fluids, the friction factor (fc) with simultaneous heat transfer, at constant wall temperature as boundary condition, in fully developed laminar flow inside a vertical helical coil. The Newtonian fluids studied were aqueous solutions of glycerol, 25%, 36%, 43%, 59% and 78% (w/w). The non-Newtonian fluids were aqueous solutions of carboxymethylcellulose (CMC), a polymer, with concentrations of 0.2%, 0.3%, 0.4% and 0.6% (w/w) and aqueous solutions of xanthan gum (XG), another polymer, with concentrations of 0.1% and 0.2% (w/w). According to the rheological study done, the polymer solutions had shear-thinning behavior and different values of viscoelasticity. The helical coil used has an internal diameter, curvature ratio, length and pitch, respectively: 0.00483 m, 0.0263, 5.0 m and 11.34 mm. It was concluded that the friction factors, with simultaneous heat transfer, for Newtonian fluids can be calculated using expressions from literature for isothermal flows. The friction factors for CMC and XG solutions are similar to those for Newtonian fluids when the Dean number, based in a generalized Reynolds number, is less than 80. For Dean numbers higher than 80, the friction factors of the CMC solutions are lower those of the XG solutions and of the Newtonian fluids. In this range the friction factors decrease with the increase of the viscometric component of the solution and increase for increasing elastic component. The change of behavior at Dean number 80, for Newtonian and non-Newtonian fluids, is in accordance with the study of Ali [4]. There is a change of behavior at Dean number 80, for Newtonian and non-Newtonian fluids, which is in according to previous studies. The data also showed that the use of the bulk temperature or of the film temperature to calculate the physical properties of the fluid has a residual effect in the friction factor values.

Projecto de verificação do comportamento térmico de um edifício de habitação: análise e comparação de resultados obtidos com recurso a duas ferramentas de cálculo

O trabalho de projecto desenvolvido tem por objectivo a análise dos resultados obtidos na verificação térmica de edifícios aquando da utilização de programas de cálculo automático. Para o efeito, foram escolhidos dois edifícios unifamiliares com características distintas, tentando que fossem abrangidas o máximo de situações diferentes. Neste projecto foram avaliados sobretudo dois aspectos: quantificação das áreas e desenvolvimentos dos elementos da envolvente dos edifícios em estudo e cálculo dos coeficientes de transmissão térmica superficial e linear dos elementos construtivos. Com base neste trabalho, pode-se promover uma melhoria dos programas de cálculo automático no mercado, de modo a assegurar uma maior qualidade dos projectos de edifícios e consequente reflexo na qualidade da construção civil futura. Por último, apresentam-se as conclusões e possibilidades de desenvolvimento de trabalhos futuros.

A simple approach to numerical modelling of propane combustion in fluidized beds

A mathematical model is proposed for the evolution of temperature, chemical composition, and energy release in bubbles, clouds, and emulsion phase during combustion of gaseous premixtures of air and propane in a bubbling fluidized bed. The analysis begins as the bubbles are formed at the orifices of the distributor, until they explode inside the bed or emerge at the free surface of the bed. The model also considers the freeboard region of the fluidized bed until the propane is thoroughly burned. It is essentially built upon the quasi-global mechanism of Hautman et al. (1981) and the mass and heat transfer equations from the two-phase model of Davidson and Harrison (1963). The focus is not on a new modeling approach, but on combining the classical models of the kinetics and other diffusional aspects to obtain a better insight into the events occurring inside a fluidized bed reactor. Experimental data are obtained to validate the model by testing the combustion of commercial propane, in a laboratory-scale fluidized bed, using four sand particle sizes: 400–500, 315–400, 250–315, and 200–250 µm. The mole fractions of CO2, CO, and O2 in the flue gases and the temperature of the fluidized bed are measured and compared with the numerical results.

Destruction of the tar present in syngas by combustion in porous media

The cleaning of syngas is one of the most important challenges in the development of technologies based on gasification of biomass. Tar is an undesired byproduct because, once condensed, it can cause fouling and plugging and damage the downstream equipment. Thermochemical methods for tar destruction, which include catalytic cracking and thermal cracking, are intrinsically attractive because they are energetically efficient and no movable parts are required nor byproducts are produced. The main difficulty with these methods is the tendency for tar to polymerize at high temperatures. An alternative to tar removal is the complete combustion of the syngas in a porous burner directly as it leaves the particle capture system. In this context, the main aim of this study is to evaluate the destruction of the tar present in the syngas from biomass gasification by combustion in porous media. A gas mixture was used to emulate the syngas, which included toluene as a tar surrogate. Initially, CHEMKIN was used to assess the potential of the proposed solution. The calculations revealed the complete destruction of the tar surrogate for a wide range of operating conditions and indicated that the most important reactions in the toluene conversion are C6H5CH3 + OH <-> C6H5CH2 + H2O, C6H5CH3 + OH <-> C6H4CH3 + H2O, and C6H5CH3 + O <-> OC6H4CH3 + H and that the formation of toluene can occur through C6H5CH2 + H <-> C6H5CH3. Subsequently, experimental tests were performed in a porous burner fired with pure methane and syngas for two equivalence ratios and three flow velocities. In these tests, the toluene concentration in the syngas varied from 50 to 200 g/Nm(3). In line with the CHEMKIN calculations, the results revealed that toluene was almost completely destroyed for all tested conditions and that the process did not affect the performance of the porous burner regarding the emissions of CO, hydrocarbons, and NOx.

Estudo comparativo entre o sistema convencional de arrefecimento e o arrefecedor evaporativo para os edifícios industriais portugueses

Em Portugal existem muitos espaços comerciais e industriais em que as necessidades térmicas de arrefecimento são muito superiores às necessidades de aquecimento devido aos ganhos internos que advêm da existência de equipamentos e da iluminação dos edifícios, assim como, da presença das pessoas. A instalação de sistemas convencionais de ar condicionado para espaços comerciais e industriais de grande dimensão está geralmente associada ao transporte de grandes caudais de ar, e consequentemente, a elevados consumos de energia primária, e também, elevados custos de investimento, de manutenção e de operação. O arrefecedor evaporativo é uma solução de climatização com elevada eficiência energética, cujo princípio de funcionamento promove a redução do consumo de energia primária nos edifícios. A metodologia utilizada baseou-se na criação de uma ferramenta informática de simulação do funcionamento de um protótipo de um arrefecedor evaporativo. Foi efetuada a modelação matemática das variáveis dinâmicas envolvidas, dos processos de transferência de calor e de massa, assim como dos balanços de energia que ocorrem no arrefecedor evaporativo. A ferramenta informática desenvolvida permite o dimensionamento do protótipo do arrefecedor evaporativo, sendo determinadas as caraterísticas técnicas (potência térmica, caudal, eficiência energética, consumo energético e consumo e água) de acordo com o tipo de edifício e com as condições climatéricas do ar exterior. Foram selecionados três dimensionamentos de arrefecedores evaporativos, representativos de condições reais de uma gama baixa, média e elevada de caudais de ar. Os resultados obtidos nas simulações mostram que a potência de arrefecimento (5,6 kW, 16,0 kW e 32,8 kW) e o consumo de água (8 l/h, 23,9 l/h e 48,96 l/h) aumentam com o caudal de ar do arrefecedor, 5.000 m3/h, 15.000 m3/h e 30.000 m3/h, respetivamente. A eficácia de permuta destes arrefecedores evaporativos, foi de 69%, 66% e 67%, respetivamente. Verificou-se que a alteração de zona climática de V1 para V2 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 20% no consumo de água, e que, a alteração de zona climática de V2 para V3 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 39% no consumo de água. O arrefecedor evaporativo apresenta valores de consumo de energia elétrica entre 40% a 80% inferiores aos dos sistemas de arrefecimento convencionais, sendo este efeito mais intenso quando a zona climática de verão se torna mais severa.

Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

As caldeiras são equipamentos de extrema importância na maioria das indústrias portuguesas. É prática frequente os projectos de caldeiras possuírem apenas cálculos de materiais ou estruturais, nunca abordando as questões térmicas das mesmas. Neste contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o comportamento térmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal. A caldeira em estudo é uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a biomassa e com pressão de funcionamento de 10 bar. A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informação relativa aos aspectos construtivos da caldeira e as condições de operação da mesma, através da consulta do seu projecto. O estudo do comportamento térmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelação do comportamento térmico na ante-fornalha seguido da modelação do comportamento térmico do feixe tubular. Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gás para as paredes da mesma por convecção e por radiação, tendo-se utilizado o Método de Hottel para modelar a transferência de calor por radiação. No feixe tubular a transferência de calor por radiação foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferência de calor por condução e convecção entre os gases quentes e a água. Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potência transferida por radiação (96%) é muito superior à potência transferida por convecção (4%), tendo-se obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potência térmica transferida por radiação e por convecção, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potência térmica transferida por convecção foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240ºC para a temperatura de exaustão dos gases pela chaminé. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %. O balanço global de energia à caldeira indicou um peso para a potência transferida por convecção de 86,3% e para a potência transferida por radiação de 13,6%. O rendimento da caldeira foi calculado pelo método das perdas tendo-se obtido o valor de 39%.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Cement-cork mortars for thermal bridges correction. Comparison with cement-EPS mortars performance

Construction and Building Materials 49 (2013), 315-327

Target-specific multiphysics modeling for thermal medicine applications

Dissertation to obtain the degree of Doctor of Philosophy in Biomedical Engineering

Hydrogen permeation in parabolic trough receivers

The continued economic and population development puts additional pressure on the already scarce energetic sources. Thus there is a growing urge to adopt a sustainable plan able to meet the present and future energetic demands. Since the last two decades, solar trough technology has been demonstrating to be a reliable alternative to fossil fuels. Currently, the trough industry seeks, by optimizing energy conversion, to drive the cost of electricity down and therefore to place itself as main player in the next energetic age. One of the issues that lately have gained considerable relevance came from the observation of significant heat losses in a large number of receiver modules. These heat losses were attributed to slow permeation of traces of hydrogen gas through the steel tube wall into the vacuum annulus. The presence of hydrogen gas in the absorber tube results from the decomposition of heat transfer fluid due to the long-term exposure to 400°C. The permeated hydrogen acts as heat conduction mean leading to a decrease in the receivers performance and thus its lifetime. In order to prevent hydrogen accumulation, it has been common practice to incorporate hydrogen getters in the vacuum annulus of the receivers. Nevertheless these materials are not only expensive but their gas absorbing capacity can be insufficient to assure the required level of vacuum for the receivers to function. In this work the building of a permeation measurement device, vulnerabilities detected in the construction process and its overcome are described. Furthermore an experimental procedure was optimized and the obtained permeability results, of different samples were evaluated. The data was compared to measurements performed by an external entity. The reliability of the comparative data was also addressed. In the end conclusions on the permeability results for the different samples characteristics, feasibility of the measurement device are drawn and recommendations on future line of work were made.

Electron driven reactions in sulphur containing biological prototypes

The interaction of ionising radiation with living tissues may direct or indirectly generate several secondary species with relevant genotoxic potential. Due to recent findings that electrons with energies below the ionisation threshold can effectively damage DNA, radiation-induced damage to biological systems has increasingly come under scrutiny. The exact physico-chemical processes that occur in the first stages of electron induced damage remain to be explained. However, it is also known that free electrons have a short lifetime in the physiological medium. Hence, electron transfer processes studies represent an alternative approach through which the role of "bound" electrons as a source of damage to biological tissues can be further explored. The thesis work consists of studying dissociative electron attachment (DEA) and electron transfer to taurine and thiaproline. DEA measurements were executed in Siedlce University with Prof. Janina Kopyra under COST action MP1002 (Nanoscale insights in ion beam cancer therapy). The electron transfer experiments were conducted in a crossed atom(potassium)-molecule beam arrangement. In these studies the anionic fragmentation patterns were obtained. The results of both mechanisms are shown to be significantly different, unveiling that the damaging potential of secondary electrons can be underestimated. In addition, sulphur atoms appear to strongly influence the dissociation process, demonstrating that certain reactions can be controlled by substitution of sulphur at specific molecular sites.

Development of a new 3D OpenFOAM® solver to model the cooling stage in profile extrusion

[Excerpt] The advantages resulting from the use of numerical modelling tools to support the design of processing equipment are almost consensual. The design of calibration systems in profile extrusion is not an exception . H owever , the complex geome tries and heat exchange phenomena involved in this process require the use of numerical solvers able to model the heat exchange in more than one domain ( calibrator and polymer), the compatibilization of the heat transfer at the profile - calibrator interface and with the ability to deal with complex geometries. The combination of all these features is usually hard to find in commercial software. Moreover , the dimension of the meshes required to ob tain accurate results, result in computational times prohibitive for industrial application. (...)

Desenvolvimento de um concentrador solar com sistema de seguimento

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica

Development of a thermoelectric generator for the exhaust of a vehicle

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica