Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

Matrix fractional systems

This paper addresses the matrix representation of dynamical systems in the perspective of fractional calculus. Fractional elements and fractional systems are interpreted under the light of the classical Cole–Cole, Davidson–Cole, and Havriliak–Negami heuristic models. Numerical simulations for an electrical circuit enlighten the results for matrix based models and high fractional orders. The conclusions clarify the distinction between fractional elements and fractional systems.

Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.

Study of Helium II heat transport phenomena in superconducting rutherford type cables

This thesis is a study of how heat is transported in non-steady-state conditions from a superconducting Rutherford cable to a bath of superfluid helium (He II). The same type of superconducting cable is used in the dipole magnets of the Large Hadron Collider (LHC). The dipole magnets of the LHC are immersed in a bath of He II at 1.9 K. At this temperature helium has an extremely high thermal conductivity. During operation, heat needs to be efficiently extracted from the dipole magnets to keep their superconducting state. The thermal stability of the magnets is crucial for the operation of the LHC, therefore it is necessary to understand how heat is transported from the superconducting cables to the He II bath. In He II the heat transfer can be described by the Landau regime or by the Gorter-Mellink regime, depending on the heat flux. In this thesis both measurements and numerical simulation have been performed to study the heat transfer in the two regimes. A temperature increase of 8 2 mK of the superconducting cables was successfully measured experimentally. A new numerical model that covers the two heat transfer regimes has been developed. The numerical model has been validated by comparison with existing experimental data. A comparison is made between the measurements and the numerical results obtained with the developed model.

Tensile stress–crack width law for steel fibre reinforced self-compacting concrete obtained from indirect (splitting) tensile tests

In this work, the fracture mode I parameters of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) were derived from the numerical simulation of indirect splitting tensile tests. The combined experimental and numerical research allowed a comparison between the stress-crack width (σ - w) relationship acquired straightforwardly from direct tensile tests, and the σ - w response derived from inverse analysis of the splitting tensile tests results. For this purpose a comprehensive nonlinear 3D finite element (FE) modeling strategy was developed. A comparison between the experimental results obtained from splitting tensile tests and the corresponding FE simulations confirmed the good accuracy of the proposed strategy to derive the σ – w for these composites. It is concluded that the post-cracking tensile laws obtained from inverse analysis provided a close relationship with the ones obtained from the experimental uniaxial tensile tests.

Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

High strain rate constitutive modeling forhistorical structures subjected to blast loading

Doctoral Thesis Civil Engineering

Design and optimization of an extrusion die for the production of wood–plastic composite profiles

In this work, the optimization of an extrusion die designed for the production of a wood–plastic composite (WPC) decking profile is investigated. The optimization was performed with the help of numerical tools, more precisely, by solving the continuity and momentum conservation equations that govern such flow, and aiming to balance properly the flow distribution at the extrusion die flow channel outlet. To capture the rheological behavior of the material, we used a Bird-Carreau model with parameters obtained from a fit to the (shear viscosity versus shearrate) experimental data, collected from rheological tests. To yield a balanced output flow, several numerical runs were performed by adjusting the flow restriction at different regions of the flow-channel parallel zone crosssection. The simulations were compared with the experimental results and an excellent qualitative agreement was obtained, allowing, in this way, to attain a good balancing of the output flow and emphasizing the advantages of using numerical tools to aid the design of profile extrusion dies.

New control algorithm for single-phase series active power filter

This paper presents a single-phase Series Active Power Filter (Series APF) for mitigation of the load voltage harmonic content, while maintaining the voltage on the DC side regulated without the support of a voltage source. The proposed series active power filter control algorithm eliminates the additional voltage source to regulate the DC voltage, and with the adopted topology it is not used a coupling transformer to interface the series active power filter with the electrical power grid. The paper describes the control strategy which encapsulates the grid synchronization scheme, the compensation voltage calculation, the damping algorithm and the dead-time compensation. The topology and control strategy of the series active power filter have been evaluated in simulation software and simulations results are presented. Experimental results, obtained with a developed laboratorial prototype, validate the theoretical assumptions, and are within the harmonic spectrum limits imposed by the international recommendations of the IEEE-519 Standard.

Aplicação de princípios e técnicas de Lean Manufacturing para melhoria do desempenho de linhas de montagem

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão Industrial

Simulação numérica do comportamento ao impacto de componentes metálicos para aplicações de crashworthiness utilizando iniciadores de deformação configuráveis

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Optimization of filling systems for low pressure by Flow 3D

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Análise e simulação do processo de dobragem de um tubo elíptico utilizando um aço avançado de elevada resistência

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Seismic behavior of concrete block masonry buildings

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil