Electrical skin phenomena: a fractional calculus analysis

The internal impedance of a wire is the function of the frequency. In a conductor, where the conductivity is sufficiently high, the displacement current density can be neglected. In this case, the conduction current density is given by the product of the electric field and the conductance. One of the aspects of the high-frequency effects is the skin effect (SE). The fundamental problem with SE is it attenuates the higher frequency components of a signal.

Novos processos e produtos para o couro de base vegetal

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Veículo ZEV (sem emissões)

A crescente dependência energética do Petr óleo e o impacto ambiental daí resultante, tanto como as excessivas autonomias e desempenho dos veículos perante as nossas necessidades, leva a que Portugal, a Europa, o Mundo, necessitem de apostar em inovar e alterar costumes, de forma a que o nosso planeta se mantenha sustentável e de maneira a aumentar a qualidade de vida de todos nós. As emissões proveniente dos veículos representam uma excessiva parcela na poluição atmosférica causada pela queima dos derivados do petróleo. Uma das soluções mais viáveis para a redução de emissões, passaria pela implementação de leis que fomentassem a compra dos veículos ZEV. Este trabalho pretende provar a inviabilidade do uso contínuo de combustíveis fósseis, destaca as principais características dos veículos eléctricos e os benefícios destes quando comparados com os veículos convencionais, descreve as características dos veículos eléctricos comercializados em Portugal e apresenta a sugestão, com base no estudo elaborado, de um veículo ZEV que se adapte às necessidades do cidadão europeu.

Caracterização dos consumos energéticos e estudo do potencial de melhoria da eficiência energética em edifícios de escritórios

A forte preocupação ambiental, nomeadamente a emissão de Gases com Efeito de Estufa (GEE), aliada à constante ameaça do esgotamento dos combustíveis de origem fóssil, leva à necessidade de consumir energia de forma mais eficiente. Neste sentido, surge a promoção da eficiência energética nos diversos sectores consumidores de energia em todo o Mundo. Sabendo que passamos mais de 80% do nosso tempo dentro de edifícios, e que cerca de 40% da energia mundial é consumida nos mesmos [ADENE], é importante operar no sentido de promover a utilização racional de energia e incentivar ao consumo eficiente da mesma nos edifícios. Apesar do esforço que tem sido realizado a nível nacional, no sentido de melhorar a eficiência energética em edifícios de serviços, através da implementação de legislação diversa e de vários programas de incentivo, existem ainda várias lacunas a serem colmatadas e muito trabalho a fazer nesse sentido. Por tudo isto, e principalmente por ter constantemente em mente premissas como “a energia mais barata é aquela que não se consome” ou “não podemos gerir aquilo que não medimos”, surgiu a ideia de realizar esta dissertação, onde inicialmente através de dados provenientes de telecontagem se desenvolve uma tentativa de padronização/tipificação do consumo eléctrico em seis edifícios de escritórios, identificando-se assim algumas situações anómalas em diversos diagramas de carga construídos. Relaciona-se também o consumo eléctrico dos seis edifícios com algumas variáveis exógenas, de modo a perceber a influência das mesmas no consumo eléctrico de cada edifício. Numa vertente mais prática, foram identificadas e quantificadas potenciais medidas de melhoria, comportamentais e técnicas, num dos edifícios em estudo, de modo a poder contribuir para a redução do consumo energético do mesmo. Espera-se que este trabalho, possa eventualmente constituir uma ajuda na caracterização de consumos e detecção de medidas de melhoria em edifícios de escritórios, alcançando a eficiência energética neste tipo de instalações e facilitando assim o trabalho de vários profissionais do sector. Pretende-se igualmente demonstrar a importância da eficiência energética na gestão do uso da energia eléctrica em edifícios, e efectuar um paralelo entre a energia economizada por meio da implementação de medidas/acções de uso racional e eficiente, com a redução da queima de combustíveis fosseis na geração de energia eléctrica e a sua consequente redução nas emissões de dióxido de carbono (CO2), com o objectivo final de melhorar a qualidade de vida no nosso planeta.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Layerwise mixed models for analysis of multilayered piezoelectric composite plates using least-squares formulation

This work provides an assessment of layerwise mixed models using least-squares formulation for the coupled electromechanical static analysis of multilayered plates. In agreement with three-dimensional (3D) exact solutions, due to compatibility and equilibrium conditions at the layers interfaces, certain mechanical and electrical variables must fulfill interlaminar C-0 continuity, namely: displacements, in-plane strains, transverse stresses, electric potential, in-plane electric field components and transverse electric displacement (if no potential is imposed between layers). Hence, two layerwise mixed least-squares models are here investigated, with two different sets of chosen independent variables: Model A, developed earlier, fulfills a priori the interiaminar C-0 continuity of all those aforementioned variables, taken as independent variables; Model B, here newly developed, rather reduces the number of independent variables, but also fulfills a priori the interlaminar C-0 continuity of displacements, transverse stresses, electric potential and transverse electric displacement, taken as independent variables. The predictive capabilities of both models are assessed by comparison with 3D exact solutions, considering multilayered piezoelectric composite plates of different aspect ratios, under an applied transverse load or surface potential. It is shown that both models are able to predict an accurate quasi-3D description of the static electromechanical analysis of multilayered plates for all aspect ratios.

Controlo da compactação com recurso a gamadensímetro – Caso de estudo: ETAR de Castelo Branco

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Impacto da cogeração na minimização dos custos de energia elétrica

A promoção da cogeração foi um claro sinal de reconhecimento das vantagens deste sistema por parte da União Europeia. Face às preocupações de aprovisionamento energético e escassez de energia primária na Europa, foi promovida a cogeração, mediante a concessão de benefícios a nível do preço de venda da energia elétrica e de vários prémios. Contudo, estes incentivos não deixam de ter um impacto negativo no sistema, se se tiver em linha de conta que estes provocam um aumento do preço da energia elétrica para os clientes finais. Este foi o problema escolhido como objeto de estudo desta dissertação e que veio permitir concluir que, apesar de agora se pagar na fatura mensal (cliente em BTN) um valor adicional em cerca de 1€ devido à existência da cogeração, isto será benéfico futuramente, caso a política do estado Português mantenha estes apoios aos agentes da cogeração. No âmbito do regime remuneratório para a produção em cogeração, foi criada a ferramenta em Excel para simular o comportamento dos sistemas, tendo em conta as necessidades energéticas e muitas outras características. A principal função da ferramenta é a possibilidade de estimar a remuneração de uma unidade de cogeração em função da tecnologia utilizada e para diferentes condições de funcionamento.

Análise comparativa de métodos de prospeção direta e indireta na determinação do topo rochoso para fundações

Com o decorrer dos tempos e com a evolução da indústria, acresce a necessidade de aparecimento de novas construções e consequentemente de novos desafios geotécnicos. Para responder a estes novos reptos que a construção nos lança é necessário aprofundar o conhecimento acerca dos materiais que constituem o subsolo e estudar o seu comportamento quando sujeito a novas solicitações, como por exemplo sobrecargas, pois parte do cálculo de dimensionamento de fundações das novas construções dependerá destas características. Existem duas possíveis formas de identificar os materiais existentes no subsolo e caracterizá‐los: através de ensaios de laboratório e de ensaios in situ, sendo nestes últimos que nos iremos focar. Os ensaios in situ, para além de outros dados, permitem‐nos estimar com algum grau de incerteza a profundidade a que se encontra o horizonte com capacidade de suporte pretendida, quer se trate ou não do bedrock, e identificar o processo mais indicado para a retirada do material: através de um meio mecânico de escavação ou por recurso a explosivos. Com a realização de ensaios de sísmica de refração e igualmente recorrendo a ensaios executados com o penetrómetro dinâmico médio (DPM), tentamos dar resposta a estas incógnitas através do cruzamento dos dados obtidos. No entanto, este cruzamento de dados pode não ser completamente esclarecedor, levando ao aparecimento de novas incógnitas às quais não seja possível dar resposta recorrendo‐se unicamente à informação recolhida por meio destes dois métodos, pois poderão revelar‐se insuficientes. Contudo, existem muitos outros ensaios in situ que podem ser realizados e capazes de nos ajudar a complementar os dados inicialmente obtidos no sentido de diminuir ou até mesmo eliminar as incógnitas existentes, e desta forma poder identificar e caraterizar o material existente com o maior grau de segurança possível.

Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Análise do comportamento dos aerogeradores em situação de anomalia

Actualmente, a utilização de recursos energéticos renováveis é encarada como vital para se alcançar um desenvolvimento sustentável. Dentro destas, a energia eólica apresenta-se como uma das mais sustentáveis e, por isso, teve uma evolução exponencial nos últimos anos. No entanto, apesar da sua maturidade, esta tecnologia apresenta problemas e desafios. As turbinas eólicas apresentam uma elevada taxa de avarias em alguns componentes, nomeadamente a caixa de engrenagens, o gerador eléctrico e as pás. Os tempos de paragem associados às avarias e à sua reparação provocam grandes prejuízos. De modo a evitar as falhas e a permitir a redução dos custos durante o ciclo de vida das turbinas eólicas, existe a necessidade de optimizar as estratégias de manutenção, de forma a maximizar o retorno do investimento nos parques eólicos. Os aerogeradores mais recentes possuem sistemas de monitorização que permitem monitorizar todos os equipamentos constituintes da máquina, possibilitando um acompanhamento mais próximo do real estado de funcionamento dos equipamentos. A monitorização online permite que se reduza a possibilidade de acontecimento de uma falha grave. Este trabalho de investigação analisa as avarias associadas a um dos equipamentos mais importante das turbinas eólicas, a caixa de engrenagens, tendo sido identificadas as principais grandezas que podem ser utilizadas para a previsão de avarias. Este equipamento é crítico dado que origina um dos maiores tempos de indisponibilidade por falha. O resultado das análises efectuadas ao comportamento da caixa de engrenagens perante uma avaria demonstrou que é possível prevê-las. Esta informação é de extrema importância, pois permite um escalonamento eficiente da manutenção e a adopção das estratégias de reparação mais convenientes.

Electrical Skin Phenomena: A Fractional Calculus Analysis

The internal impedance of a wire is the function of the frequency. In a conductor, where the conductivity is sufficiently high, the displacement current density can be neglected. In this case, the conduction current density is given by the product of the electric field and the conductance. One of the aspects the high-frequency effects is the skin effect (SE). The fundamental problem with SE is it attenuates the higher frequency components of a signal. The SE was first verified by Kelvin in 1887. Since then many researchers developed work on the subject and presently a comprehensive physical model, based on the Maxwell equations, is well established. The Maxwell formalism plays a fundamental role in the electromagnetic theory. These equations lead to the derivation of mathematical descriptions useful in many applications in physics and engineering. Maxwell is generally regarded as the 19th century scientist who had the greatest influence on 20th century physics, making contributions to the fundamental models of nature. The Maxwell equations involve only the integer-order calculus and, therefore, it is natural that the resulting classical models adopted in electrical engineering reflect this perspective. Recently, a closer look of some phenomas present in electrical systems and the motivation towards the development of precise models, seem to point out the requirement for a fractional calculus approach. Bearing these ideas in mind, in this study we address the SE and we re-evaluate the results demonstrating its fractional-order nature.

Impacto da influência de um Sistema de Gestão Técnica Centralizada na redução dos custos de exploração de um edifício

É de conhecimento do meio, que os Sistemas de Gestão Técnica Centralizada (SGTC) são uma mais-valia para a redução de utilização de energia associados principalmente aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) apesar das potencialidades serem abrangentes a outras áreas. No entanto, existe alguma lacuna quanto à quantificação dessa mais-valia, facto importante sobretudo para a alteração de mentalidades dos promotores e proprietários dos edifícios, que por falta de prova, normalmente apenas associam o SGTC a um investimento num serviço desnecessário. As potencialidades dos SGTC são muitas, a título de exemplo, redução na utilização de fontes de energia, gestão da manutenção de sistemas e equipamentos, análise de eficiências de equipamentos, entre muitas outras, sendo nesta dissertação estudado com mais profundidade a questão associada à diferença dos custos de exploração resultantes da utilização de energia num edifício por parte dos sistemas de AVAC, isto é, quais serão os ganhos na utilização da energia, associados ao sistema AVAC, que podem ser obtidos com a implementação de um SGTC. Para o efeito, utilizou-se os sistemas e equipamentos existentes no edifício ECOTERMOLAB, pertencente ao Instituto de Soldadura e Qualidade (ISQ), com o objetivo de verificar as diferenças de utilização de energia resultantes do funcionamento do edifício em normal atividade, isto é, o edifício com todos os seus sistemas operacionais, incluindo o SGTC, e o edifício em funcionamento sem o auxílio do SGTC, ou seja, todos os sistemas associados ao sistema AVAC em funcionamento em modo manual e sem recurso a variação de caudal na rede aeráulica e hidráulica. Em termos anuais, o ECOTERMOLAB consome, aproximadamente, cerca de 38,1 MWh de energia elétrica e 39,2 MWh de gás natural, o que representa uma utilização de energia primária de 14,4 tep/ano. Esta energia, representa um encargo financeiro anual de, aproximadamente, 9500€/ano, correspondente a 7000€/ano de energia elétrica e 2500€/ano de gás natural. Após a análise desenvolvida neste trabalho, conclui-se que o funcionamento do edifício sem controlo do sistema de AVAC por SGTC representaria em termos anuais a um aumento de, aproximadamente, 25,2 MWh e 6,2 MWh de energia elétrica e de gás natural, respetivamente. Em termos de energia primária, a diferença entre soluções origina um acréscimo na utilização de energia de 7,8 tep/ano o que representa um aumento de emissão de CO2 na ordem das 9,4 ton/ano. A avaliação económica, recaiu sobre a determinação de indicadores para avaliação da viabilidade de implementação de um SGTC, nomeadamente, o período de retorno simples, o valor atual líquido e a taxa interna de rentabilidade. Todos estes indicadores se revelaram positivos, apresentando um período de retorno ligeiramente superior a oito anos, um valor atual líquido positivo (8864,1€) e uma taxa interna de rentabilidade superior à taxa de custo de capital (11,2%).

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.

IgG4-Related Hashimoto's Thyroiditis - A New Variant of a Well Known Disease

Hashimoto's thyroiditis (HT) has been characterized for many years as a well-defined clinicopathologic entity, but is now considered a heterogeneous disease. IgG4-related HT is a new subtype characterized by thyroid inflammation rich in IgG4-positive plasma cells and marked fibrosis. It may be part of the systemic IgG4-related disease. We report a case of a 56-year-old Portuguese man who presented with a one-month history of progressive neck swelling and dysphagia. Laboratory testing revealed increased inflammatory parameters, subclinical hypothyroidism and very high levels of thyroid autoantibodies. Cervical ultrasound (US) demonstrated an enlarged and heterogeneous thyroid gland and two hypoechoic nodules. US-guided fine needle aspiration cytology was consistent with lymphocytic thyroiditis. The patient was submitted to total thyroidectomy and microscopic examination identified typical findings of HT, marked fibrosis limited within the thyroid capsule and lymphoplasmacytic infiltration, with >50 IgG4-positive plasma cells per high-power field and an IgG4/IgG ratio of >40%. After surgery, serum IgG4 concentration was high-normal. Symptoms relief and reduction in laboratory inflammatory parameters were noticed. Thyroid function is controlled with levothyroxine. To our knowledge we report the first case of IgG4-related HT in a non-Asian patient. We also perform a review of the literature regarding IgG4-related disease and IgG4-related HT. Our case highlights this new variant of the well known HT, and helps physicians in recognizing its main clinical features, allowing for proper diagnosis and treatment.