Determinação de propriedades mecânicas através de ensaios de provetes miniatura, "Small Punch"

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Optimização do tratamento por lamas activadas do efluente líquido da Mundotêxtil

A Mundotêxtil foi fundada em 1975 tendo iniciado a sua actividade na área comercial de produtos têxteis. Actualmente é o maior produtor nacional de atoalhados de felpo e emprega 575 colaboradores. Como resultado do seu crescimento e sobretudo da actividade de tingimento de fio e felpo, as necessidades de água são consideráveis e o volume de efluentes gerados nos processos industriais é cada vez maior a empresa avançou com a construção de uma estação de tratamento por lamas activadas, colocando-a em funcionamento em Setembro de 2004. Inicialmente surgiram dificuldades para a remoção da cor e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO) de modo a cumprir os limites máximos de emissão permitidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto. Com a descarga de parte dos efluentes no SIDVA e a utilização de um coagulante adicionado ao reactor o tratamento passou a apresentar melhores resultados. O intuito deste trabalho é o de apresentar soluções de modo a optimizar o funcionamento do tratamento biológico da Mundotêxtil. A optimização pode começar na concepção dos produtos, pode incidir no processo de fabrico para além de poder ser efectuada no seio da estação de tratamento biológico. Foi efectuado um estudo do tratamento biológico por lamas activadas no Laboratório de Tecnologia Química Profª Doutora Lída de Vasconcelos, laboratório tecnológico do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) que decorreu nos meses de Maio, Junho e Julho de 2010. O estudo laboratorial foi efectuado para três situações distintas: 1) tratamento do efluente bruto sem qualquer tipo de pré-tratamento (ensaios 1 a 3); 2) tratamento do efluente bruto submetido a pré-tratamento com coagulante Ambifloc BIO MD (ensaios 4 e 5) e 3) tratamento com adição de fungos ao tanque de arejamento (ensaio 6). Foram utilizadas duas instalações de tratamento alimentadas a partir do mesmo tanque de alimentação. Os dois sistemas eram idênticos, diferiram nos caudais de alimentação de efluente que foram alterados ao longo do estudo. O efluente a tratar foi fornecido pela empresa Mundotêxtil, sendo recolhido por diversas vezes ao longo dos ensaios. Este efluente foi retirado após o pré-tratamento da empresa, ou seja este efluente é o mesmo que alimenta o tratamento biológico da Mundotêxtil. Devido a este facto o efluente usado no estudo laboratorial teve uma variabilidade no período em que decorreu o estudo, nomeadamente em termos de concentração de CQO e cor. A relação entre a Carência Bioquímica (CBO5) e a CQO situouse entre 0,47 e 0,63 o que traduz que está dentro dos valores típicos para um efluente têxtil. Os melhores resultados globais de remoção de CQO foram obtidos no ensaio 5 e estiveram compreendidos entre 73,2% e 77,5% para o ensaio 5.1 e entre 62,9 e 73,2% para o ensaio 5.2. Neste ensaio foi utilizado o coagulante. Todos os valores de concentração de CQO obtidos nos efluentes dos decantadores para os ensaios 2, 5 e 6 são inferiores aos valores limite de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e o Decreto-Lei 236/98. Os valores de concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST), pH, fósforo, CBO5 e cor nos decantadores cumpriram os limites de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98 em todos os ensaios. Os parâmetros cinéticos obtidos para os ensaios com descorante são os que melhor se ajustam ao projecto de uma instalação de tratamento biológico por lamas activadas do efluente da Mundotêxtil. Os valores obtidos, após ajuste, são os seguintes: k=0,015 L/(mgSSV*d); Sn=12 mg/L; a=0,7982 kgO2/kgCBO5; b=0,0233 [kgO2/(kgSSV*d); y=0,2253 kgSSV/kgCBO5; kd=0,0036 kgSSV/(kgSSV*d. Com base nos parâmetros cinéticos obtiveram-se os seguintes resultados para o projecto de uma estação de tratamento biológico por lamas activadas: · Tempo de retenção hidráulica no reactor de 1,79 d, · Volume do reactor igual a 3643 m3 · Consumo de oxigénio no reactor de 604 kg/d · Razão de recirculação igual a 0,8 · Volume total do decantador secundário igual a 540 m3 · Diâmetro do decantador secundário igual a 15 m A quantidade de oxigénio necessário é baixa e o valor mais adequado deverá ser da ordem de 1200 kg/d. Também foi efectuada uma análise aos produtos químicos consumidos pela empresa na área das tinturarias com a finalidade de identificar as substâncias com uma maior influência potencial no funcionamento da Estação de Tratamento Biológico. O encolante CB, Cera Têxtil P Líquida, Perfemina P-12, Meropan DPE-P, Meropan BRE-P, Indimina STS e Benzym TEC são os produtos químicos que têm uma influência potencial mais significativa na qualidade dos efluentes. Devido ao facto das temperaturas do efluente alimentado ao tratamento biológico da Mundotêxtil oscilarem entre 35 ºC e 43ºC efectuou-se um estudo às necessidades de água quente das tinturarias e por outro lado à capacidade de aquecimento dos efluentes disponíveis. Actualmente a racionalização dos consumos de água é cada vez mais premente, por isso também é apresentado neste trabalho um estudo para a substituição das máquinas convencionais das tinturarias com uma relação de banho 1:10 por máquinas de banho curto (1:6,5). Verifica-se a redução de consumos de 40% de água, 52% de energia eléctrica, 35% de produtos químicos, 51% das necessidades de vapor e por consequência um aumento da produtividade. A empresa pode reduzir os consumos de água em cerca de 280.000 m3/ano. A utilização do pré-tratamento com o coagulante permitirá baixar a concentração da CQO e reduzir a cor à entrada do reactor tratamento biológico. Deste modo é possível manter um tratamento eficiente à saída do tratamento biológico nas situações de descarga de cores carregadas e carga orgânica elevada. Com este conjunto de soluções, quer sejam aplicadas na totalidade ou não, a empresa Mundotêxtil pode enfrentar o futuro com mais confiança podendo estar preparada para fazer face à escassez de água e custos cada vez maiores da energia. Por outro lado pode tratar os seus efluentes a custos menores. A substituição das máquinas de tingimento por máquinas com relação de banho mais baixa (banho curto) implica investimentos elevados mas estes investimentos são necessários não só por motivos ambientais mas também devido à grande competitividade dos mercados.

Helical Twisting of Electrospun Liquid Crystalline Cellulose Micro- and Nanofibers

Helically twisted fibers can be produced by electrospinning liquid-crystalline cellulose solutions. Fiber topographies are studied by atomic force microscopy, scanning electron microscopy (see figure) and polarized optical microscopy. The fibers have a nearly universal pitch-to-diameter ratio and comprise both right- and left-handed helices.

Desenvolvimento e mensuração do diâmetro transversal do cerebelo fetal por ressonância magnética

A ressonância magnética fetal é um método eficaz na avaliação pré-natal da morfologia normal do cérebro e no diagnóstico de patologias do sistema nervoso central, sendo um importante complemento clínico à ecografia. O cerebelo é uma das estruturas menos afetadas em casos de restrição de crescimento fetal, tornando-se um bom indicador na avaliação do desenvolvimento fetal e da idade gestacional. Deste modo, a avaliação biométrica fetal é fundamental no diagnóstico pré-natal do desenvolvimento cerebral. Objetivo – Avaliação do diâmetro transversal do cerebelo (estrutura anatómica de referência do sistema nervoso central) do feto e posterior comparação com um estudo internacional reconhecido nesta matéria. Material e métodos – A amostra foi constituída por 84 gestantes que realizaram ressonância magnética fetal numa clínica de imagiologia médica da região Centro. A medição considerada para a avaliação do desenvolvimento fetal foi o diâmetro transversal do cerebelo. Resultados – Os resultados obtidos para o diâmetro transversal do cerebelo por ressonância magnética fetal vieram a demonstrar a ausência de diferenças médias estatisticamente significativas (p>0,05) em função do número de semanas de gestação, face aos valores teóricos aferidos no estudo de Garel. Conclusão – Com base nos resultados obtidos, para o diâmetro transversal do cerebelo podemos concluir que o parâmetro analisado é coerente com a publicação de Catherine Garel – Le développement du cerveau foetal atlas IRM et biometrie.

Increasing source to image distance for AP pelvis imaging: impact on radiation dose and image quality

Aim - A quantative primary study to determine whether increasing source to image distance (SID), with and without the use of automatic exposure control (AEC) for antero-posterior (AP) pelvis imaging, reduces dose whilst still producing an image of diagnostic quality. Methods - Using a computed radiography (CR) system, an anthropomorphic pelvic phantom was positioned for an AP examination using the table bucky. SID was initially set at 110 cm, with tube potential set at a constant 75 kVp, with two outer chambers selected and a fine focal spot of 0.6 mm. SID was then varied from 90 cm to 140 cm with two exposures made at each 5 cm interval, one using the AEC and another with a constant 16 mAs derived from the initial exposure. Effective dose (E) and entrance surface dose (ESD) were calculated for each acquisition. Seven experienced observers blindly graded image quality using a 5-point Likert scale and 2 Alternative Forced Choice software. Signal-to-Noise Ratio (SNR) was calculated for comparison. For each acquisition, femoral head diameter was also measured for magnification indication. Results - Results demonstrated that when increasing SID from 110 cm to 140 cm, both E and ESD reduced by 3.7% and 17.3% respectively when using AEC and 50.13% and 41.79% respectively, when the constant mAs was used. No significant statistical (T-test) difference (p = 0.967) between image quality was detected when increasing SID, with an intra-observer correlation of 0.77 (95% confidence level). SNR reduced slightly for both AEC (38%) and no AEC (36%) with increasing SID. Conclusion - For CR, increasing SID significantly reduces both E and ESD for AP pelvis imaging without adversely affecting image quality.

Adsorption behavior of α-cypermethrin on cork and activated carbon

Studies were undertaken to determine the adsorption behavior of α-cypermethrin [R)-α-cyano-3-phenoxybenzyl(1S)-cis- 3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylcyclopropanecarboxylate, and (S)-α-cyano-3-phenoxybenzyl (1R)-cis-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2- dimethylcyclopropanecarboxylate] in solutions on granules of cork and activated carbon (GAC). The adsorption studies were carried out using a batch equilibrium technique. A gas chromatograph with an electron capture detector (GC-ECD) was used to analyze α-cypermethrin after solid phase extraction with C18 disks. Physical properties including real density, pore volume, surface area and pore diameter of cork were evaluated by mercury porosimetry. Characterization of cork particles showed variations thereby indicating the highly heterogeneous structure of the material. The average surface area of cork particles was lower than that of GAC. Kinetics adsorption studies allowed the determination of the equilibrium time—24 hours for both cork (1–2 mm and 3–4 mm) and GAC. For the studied α-cypermethrin concentration range, GAC revealed to be a better sorbent. However, adsorption parameters for equilibrium concentrations, obtained through the Langmuir and Freundlich models, showed that granulated cork 1–2 mm have the maximum amount of adsorbed α-cypermethrin (qm) (303 μg/g); followed by GAC (186 μg/g) and cork 3-4 mm (136 μg/g). The standard deviation (SD) values, demonstrate that Freundlich model better describes the α-cypermethrin adsorption phenomena on GAC, while α-cypermethrin adsorption on cork (1-2 mm and 3-4 mm) is better described by the Langmuir. In view of the adsorption results obtained in this study it appears that granulated cork may be a better and a cheaper alternative to GAC for removing α-cypermethrin from water.

Influence of traffic emissions on the carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons in outdoor breathable particles

Because polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have been proven to be toxic, mutagenic, and/or carcinogenic, there is widespread interest in analyzing and evaluating exposure to PAHs in atmospheric environments influenced by different emission sources. Because traffic emissions are one of the biggest sources of fine particles, more information on carcinogenic PAHs associated with fine particles needs to be provided. Aiming to further understand the impact of traffic particulate matter (PM) on human health, this study evaluated the influence of traffic on PM10 (PM with aerodynamic diameter <10 µm) and PM2.5 (PM with aerodynamic diameter <2.5 µm), considering their concentrations and compositions in carcinogenic PAHs. Samples were collected at one site influenced by traffic emissions and at one reference site using lowvolume samplers. Analysis of PAHs was performed by microwave-assisted extraction combined with liquid chromatography (MAE-LC); 17 PAHs, including 9 carcinogenic ones, were quantified. At the site influenced by traffic emissions, PM10 and PM2.5 concentrations were, respectively, 380 and 390% higher than at the background site. When influenced by traffic emissions, the total concentration of nine carcinogenic compounds (naphthalene, chrysene, benzo(a)anthracene, benzo(b) fluoranthene, benzo(k)fluoranthene, benzo(a)pyrene, dibenzo(a,h)anthracene, indeno(1,2,3-cd)pyrene, and dibenzo(a,l)pyrene) was increased by 2400 and 3000% in PM10 and PM2.5, respectively; these nine carcinogenic compounds represented 68 and 74% of total PAHs (ƩPAHs) for PM10 and PM2.5, respectively. All PAHs, including the carcinogenic compounds, were mainly present in fine particles. Considering the strong influence of these fine particles on human health, these conclusions are relevant for the development of strategies to protect public health.

Microtunelação. Aplicação a um caso de obra

Um túnel é uma obra subterrânea dimensionada com o objetivo de satisfazer diversas necessidades num mundo onde o planeamento urbano e a gestão de espaços ganha cada vez mais importância. A execução de este género de obras de engenharia pode ter várias finalidades, que podem ir desde a construção/reabilitação de redes de saneamento, abastecimento de água ou gás (túneis de pequeno diâmetro) até à construção/modernização de redes pedonais, rodoviárias ou ferroviárias, galerias mineiras, tuneis para barragens, etc. (túneis de grande diâmetro). As tuneladoras são uma das ferramentas de desmonte mais utilizadas na execução de obras subterrâneas. Existem no mercado vários tipos de máquinas tuneladoras, a sua escolha e dimensionamento depende de diversos fatores que devem ser cuidadosamente analisados, nomeadamente tipo de terreno a escavar, presença ou não de água na zona de escavação, dureza e/ou abrasividade das formações a atravessar, etc. Será feita uma abordagem aos princípios de funcionamento de este tipo de equipamentos, indicando o seu campo de aplicação dentro da respetiva tecnologia de escavação onde se inserem. Finalmente será desenvolvido o caso da empreitada: “Execução da Travessia do Rio Ave, da Estação Elevatória de Vila do Conde e dos Sistemas Elevatória da Aguçadoura e da Apúlia 4 - AR 44.0.08”, onde em alternativa ao desvio provisório do Rio Ave em Vila do Conde foi projetada a execução de duas travessias no diâmetro 1200 mm, uma delas escavadas maioritariamente em terreno aluvionar brando e a outra em terreno rochoso duro e abrasivo com recurso, em ambos casos, à utilização de máquina tuneladora. Através da avaliação do desempenho do equipamento escolhido para execução de este trabalho será estudada a eficiência da utilização deste tipo de equipamento. Com o objetivo de mostrar os custos associados à execução de obras de escavação subterrânea com recurso a utilização de máquinas tuneladoras, será feita uma análise económica e comparativa relativa aos dois casos de obra apresentados.

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.

Heat transfer coefficients from Newtonian and non-Newtonian fluids flowing in laminar regime in a helical coil

This study aimed to carry out experimental work to obtain, for Newtonian and non-Newtonian fluids, heat transfer coefficients, at constant wall temperature as boundary condition, in fully developed laminar flow inside a helical coil. The Newtonian fluids studied were aqueous solutions of glycerol, 25%, 36%, 43%, 59% and 78% (w/w) and the non-Newtonian fluids aqueous solutions of carboxymethylcellulose (CMC), a polymer, with concentrations 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4% and 0.6% (w/w) and aqueous solutions of xanthan gum (XG), another polymer, with concentrations 0.1% and 0.2% (w/w). According to the rheological study performed, the polymer solutions had shear thinning behavior and different values of elasticity. The helical coil used has internal diameter, curvature ratio, length and pitch, respectively: 0.004575 m, 0.0263, 5.0 m and 11.34 mm. The Nusselt numbers for the CMC solutions are, on average, slightly higher than those for Newtonian fluids, for identical Prandtl and generalized Dean numbers. As outcome, the viscous component of the shear thinning polymer tends to potentiate the mixing effect of the Dean cells. The Nusselt numbers of the XG solutions are significant lower than those of the Newtonian solutions, for identical Prandtl and generalized Dean numbers. Therefore, the elastic component of the polymer tends to diminish the mixing effect of the Dean cells. A global correlation, for Nusselt number as a function of Péclet, generalized Dean and Weissenberg numbers for all Newtonian and non-Newtonian solutions studied, is presented.

Estudo de uma central hidroeléctrica com base em turbina hidráulica reversível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Efficient computation of min and max sensor values in multihop networks

Consider a wireless sensor network (WSN) where a broadcast from a sensor node does not reach all sensor nodes in the network; such networks are often called multihop networks. Sensor nodes take individual sensor readings, however, in many cases, it is relevant to compute aggregated quantities of these readings. In fact, the minimum and maximum of all sensor readings at an instant are often interesting because they indicate abnormal behavior, for example if the maximum temperature is very high then it may be that a fire has broken out. In this context, we propose an algorithm for computing the min or max of sensor readings in a multihop network. This algorithm has the particularly interesting property of having a time complexity that does not depend on the number of sensor nodes; only the network diameter and the range of the value domain of sensor readings matter.

Ibuprofen-loaded poly(trimethylene carbonate-co-ϵ- caprolactone) electrospun fibres for nerve regeneration

The development of scaffolds that combine the delivery of drugs with the physical support provided by electrospun fibres holds great potential in the field of nerve regeneration. Here it is proposed the incorporation of ibuprofen, a well-known non-steroidal anti-inflammatory drug, in electrospun fibres of the statistical copolymer poly(trimethylene carbonate-co-ε-caprolactone) [P(TMC-CL)] to serve as a drug delivery system to enhance axonal regeneration in the context of a spinal cord lesion, by limiting the inflammatory response. P(TMC-CL) fibres were electrospun from mixtures of dichloromethane (DCM) and dimethylformamide (DMF). The solvent mixture applied influenced fibre morphology, as well as mean fibre diameter, which decreased as the DMF content in solution increased. Ibuprofen-loaded fibres were prepared from P(TMC-CL) solutions containing 5% ibuprofen (w/w of polymer). Increasing drug content to 10% led to jet instability, resulting in the formation of a less homogeneous fibrous mesh. Under the optimized conditions, drug-loading efficiency was above 80%. Confocal Raman mapping showed no preferential distribution of ibuprofen in P(TMC-CL) fibres. Under physiological conditions ibuprofen was released in 24h. The release process being diffusion-dependent for fibres prepared from DCM solutions, in contrast to fibres prepared from DCM-DMF mixtures where burst release occurred. The biological activity of the drug released was demonstrated using human-derived macrophages. The release of prostaglandin E2 to the cell culture medium was reduced when cells were incubated with ibuprofen-loaded P(TMC-CL) fibres, confirming the biological significance of the drug delivery strategy presented. Overall, this study constitutes an important contribution to the design of a P(TMC-CL)-based nerve conduit with anti-inflammatory properties.

Exploiting a prioritized MAC protocol to efficiently compute min and max in multihop networks

Consider a wireless sensor network (WSN) where a broadcast from a sensor node does not reach all sensor nodes in the network; such networks are often called multihop networks. Sensor nodes take sensor readings but individual sensor readings are not very important. It is important however to compute aggregated quantities of these sensor readings. The minimum and maximum of all sensor readings at an instant are often interesting because they indicate abnormal behavior, for example if the maximum temperature is very high then it may be that a fire has broken out. We propose an algorithm for computing the min or max of sensor reading in a multihop network. This algorithm has the particularly interesting property of having a time complexity that does not depend on the number of sensor nodes; only the network diameter and the range of the value domain of sensor readings matter.

Isolated and synergistic effects of PM10 and average temperature on cardiovascular and respiratory mortality

OBJECTIVE To analyze the effect of air pollution and temperature on mortality due to cardiovascular and respiratory diseases. METHODS We evaluated the isolated and synergistic effects of temperature and particulate matter with aerodynamic diameter < 10 µm (PM10) on the mortality of individuals > 40 years old due to cardiovascular disease and that of individuals > 60 years old due to respiratory diseases in Sao Paulo, SP, Southeastern Brazil, between 1998 and 2008. Three methodologies were used to evaluate the isolated association: time-series analysis using Poisson regression model, bidirectional case-crossover analysis matched by period, and case-crossover analysis matched by the confounding factor, i.e., average temperature or pollutant concentration. The graphical representation of the response surface, generated by the interaction term between these factors added to the Poisson regression model, was interpreted to evaluate the synergistic effect of the risk factors. RESULTS No differences were observed between the results of the case-crossover and time-series analyses. The percentage change in the relative risk of cardiovascular and respiratory mortality was 0.85% (0.45;1.25) and 1.60% (0.74;2.46), respectively, due to an increase of 10 μg/m3 in the PM10 concentration. The pattern of correlation of the temperature with cardiovascular mortality was U-shaped and that with respiratory mortality was J-shaped, indicating an increased relative risk at high temperatures. The values for the interaction term indicated a higher relative risk for cardiovascular and respiratory mortalities at low temperatures and high temperatures, respectively, when the pollution levels reached approximately 60 μg/m3. CONCLUSIONS The positive association standardized in the Poisson regression model for pollutant concentration is not confounded by temperature, and the effect of temperature is not confounded by the pollutant levels in the time-series analysis. The simultaneous exposure to different levels of environmental factors can create synergistic effects that are as disturbing as those caused by extreme concentrations.