Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Hybridizing concentrated solar power (CSP) with biogas and biomethane as an alternative to natural gas: Analysis of environmental performance using LCA

Concentrating Solar Power (CSP) plants typically incorporate one or various auxiliary boilers operating in parallel to the solar field to facilitate start up operations, provide system stability, avoid freezing of heat transfer fluid (HTF) and increase generation capacity. The environmental performance of these plants is highly influenced by the energy input and the type of auxiliary fuel, which in most cases is natural gas (NG). Replacing the NG with biogas or biomethane (BM) in commercial CSP installations is being considered as a means to produce electricity that is fully renewable and free from fossil inputs. Despite their renewable nature, the use of these biofuels also generates environmental impacts that need to be adequately identified and quantified. This paper investigates the environmental performance of a commercial wet-cooled parabolic trough 50 MWe CSP plant in Spain operating according to two strategies: solar-only, with minimum technically viable energy non-solar contribution; and hybrid operation, where 12 % of the electricity derives from auxiliary fuels (as permitted by Spanish legislation). The analysis was based on standard Life Cycle Assessment (LCA) methodology (ISO 14040-14040). The technical viability and the environmental profile of operating the CSP plant with different auxiliary fuels was evaluated, including: NG; biogas from an adjacent plant; and BM withdrawn from the gas network. The effect of using different substrates (biowaste, sewage sludge, grass and a mix of biowaste with animal manure) for the production of the biofuels was also investigated. The results showed that NG is responsible for most of the environmental damage associated with the operation of the plant in hybrid mode. Replacing NG with biogas resulted in a significant improvement of the environmental performance of the installation, primarily due to reduced impact in the following categories: natural land transformation, depletion of fossil resources, and climate change. However, despite the renewable nature of the biofuels, other environmental categories like human toxicity, eutrophication, acidification and marine ecotoxicity scored higher when using biogas and BM.

Investigación sobre la aplicación de energía solar a una depuradora convencional de fangos activos

El consumo de energía es responsable de una parte importante de las emisiones a la atmósfera de CO2, que es uno de los principales causantes del efecto invernadero en nuestro planeta. El aprovechamiento de la energía solar para la producción de agua caliente, permite economizar energía y disminuir el impacto del consumo energético sobre el medio ambiente y por tanto un menor impacto medioambiental. El objetivo de la presente investigación consiste en estudiar el aprovechamiento solar para el calentamiento de los fangos en los digestores anaerobios mediante agua caliente circulando en el interior de un serpentín que rodea la superficie de dicho digestor, como apoyo a los métodos convencionales del calentamiento de fangos como la resistencia eléctrica o el intercambiador de calor mediante la energía obtenida por el gas metano producido en la digestión anaerobia. Para el estudio se utilizaron 3 digestores, dos delos cuales se calentaron con agua caliente en el interior de un serpentín (uno aislado mediante una capa de fibra de vidrio y poliuretano y otro sin aislar).El tercer digestor no tenía calentamiento exterior con el objetivo de observar su comportamiento y comparar su evolución con el resto de los digestores .La comparación de los digestores 1 y 2 nos permitió estudiar la conveniencia de proveer de aislamiento al digestor. La transferencia de calor mediante serpentín de cobre dio valores comprendidos entre 83 y 92%. La aplicación de la instalación a una depuradora a escala real para mantenimiento en el interior del digestor a T=32ºC en diferentes climas: climas templados, cálidos y fríos, consistió en el cálculo de la superficie de colectores solares y superficie de serpentín necesario para cubrir las necesidades energéticas anuales de dicho digestor, así como el estudio de rentabilidad de la instalación, dando los mejores resultados para climas cálidos con períodos de retorno de 12 años y una tasa interna de rentabilidad (TIR) del 16% obteniendo una cobertura anual del 79% de las necesidades energéticas con energía solar térmica. Energy consumption accounts for a significant part of the emissions of CO2, which is one of the main causes of the greenhouse effect on our planet. The use of solar energy for hot water production. can save energy and reduce the impact of energy consumption on the environment and therefore a reduced environmental impact. The objective of this research is to study the solar utilization for heating the sludge in anaerobic digesters by hot water circulating inside a coil surrounding the surface of digester, to support conventional heating methods sludge as the electrical resistance or heat exchanger by energy generated by the methane gas produced in the anaerobic digestion. To study 3 digesters used two models which are heated with hot water within a coil (one insulated by a layer of fiberglass and polyurethane and other uninsulated) .The third digester had no external heating in order to observe their behavior and compare their evolution with the rest of the .The comparison digesters digesters 1 and 2 allowed us to study the advisability of providing insulation to the digester. Heat transfer through copper coil gave values between 83 and 92%. The installation application to a treatment for maintaining full scale within the digester at T = 32ºC in different climates: temperate, warm and cold climates, consisted of calculating the surface area of solar collectors and coil required to cover the annual energy needs of the digester, and the study of profitability of the installation, giving the best results for hot climates with return periods of 12 years and an internal rate of return (IRR) of 16% achieving an annual coverage of 79 % of energy needs with solar energy.

Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellite’s temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.

Simulation of thermal performance of glazing in architecture using scale models = Simulación del comportamiento térmico de los acristalamientos en la arquitectura mediante modelos a escala

El propósito de esta tesis es estudiar la aproximación a los fenómenos de transporte térmico en edificación acristalada a través de sus réplicas a escala. La tarea central de esta tesis es, por lo tanto, la comparación del comportamiento térmico de modelos a escala con el correspondiente comportamiento térmico del prototipo a escala real. Los datos principales de comparación entre modelo y prototipo serán las temperaturas. En el primer capítulo del Estado del Arte de esta tesis se hará un recorrido histórico por los usos de los modelos a escala desde la antigüedad hasta nuestro días. Dentro de éste, en el Estado de la Técnica, se expondrán los beneficios que tiene su empleo y las dificultades que conllevan. A continuación, en el Estado de la Investigación de los modelos a escala, se analizarán artículos científicos y tesis. Precisamente, nos centraremos en aquellos modelos a escala que son funcionales. Los modelos a escala funcionales son modelos a escala que replican, además, una o algunas de las funciones de sus prototipos. Los modelos a escala pueden estar distorsionados o no. Los modelos a escala distorsionados son aquellos con cambios intencionados en las dimensiones o en las características constructivas para la obtención de una respuesta específica por ejemplo, replicar el comportamiento térmico. Los modelos a escala sin distorsión, o no distorsionados, son aquellos que mantienen, en la medida de lo posible, las proporciones dimensionales y características constructivas de sus prototipos de referencia. Estos modelos a escala funcionales y no distorsionados son especialmente útiles para los arquitectos ya que permiten a la vez ser empleados como elementos funcionales de análisis y como elementos de toma de decisiones en el diseño constructivo. A pesar de su versatilidad, en general, se observará que se han utilizado muy poco estos modelos a escala funcionales sin distorsión para el estudio del comportamiento térmico de la edificación. Posteriormente, se expondrán las teorías para el análisis de los datos térmicos recogidos de los modelos a escala y su aplicabilidad a los correspondientes prototipos a escala real. Se explicarán los experimentos llevados a cabo, tanto en laboratorio como a intemperie. Se han realizado experimentos con modelos sencillos cúbicos a diferentes escalas y sometidos a las mismas condiciones ambientales. De estos modelos sencillos hemos dado el salto a un modelo reducido de una edificación acristalada relativamente sencilla. Los experimentos consisten en ensayos simultáneos a intemperie del prototipo a escala real y su modelo reducido del Taller de Prototipos de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (ETSAM). Para el análisis de los datos experimentales hemos aplicado las teorías conocidas, tanto comparaciones directas como el empleo del análisis dimensional. Finalmente, las simulaciones nos permiten comparaciones flexibles con los datos experimentales, por ese motivo, hemos utilizado tanto programas comerciales como un algoritmo de simulación desarrollado ad hoc para esta investigación. Finalmente, exponemos la discusión y las conclusiones de esta investigación. Abstract The purpose of this thesis is to study the approximation to phenomena of heat transfer in glazed buildings through their scale replicas. The central task of this thesis is, therefore, the comparison of the thermal performance of scale models without distortion with the corresponding thermal performance of their full-scale prototypes. Indoor air temperatures of the scale model and the corresponding prototype are the data to be compared. In the first chapter on the State of the Art, it will be shown a broad vision, consisting of a historic review of uses of scale models, from antiquity to our days. In the section State of the Technique, the benefits and difficulties associated with their implementation are presented. Additionally, in the section State of the Research, current scientific papers and theses on scale models are reviewed. Specifically, we focus on functional scale models. Functional scale models are scale models that replicate, additionally, one or some of the functions of their corresponding prototypes. Scale models can be distorted or not. Scale models with distortion are considered scale models with intentional changes, on one hand, in dimensions scaled unevenly and, on the other hand, in constructive characteristics or materials, in order to get a specific performance for instance, a specific thermal performance. Consequently, scale models without distortion, or undistorted scale models scaled evenly, are those replicating, to the extent possible, without distortion, the dimensional proportions and constructive configurations of their prototypes of reference. These undistorted and functional scale models are especially useful for architects because they can be used, simultaneously, as functional elements of analysis and as decision-making elements during the design. Although they are versatile, in general, it is remarkable that these types of models are used very little for the study of the thermal performance of buildings. Subsequently, the theories related to the analysis of the experimental thermal data collected from the scale models and their applicability to the corresponding full-scale prototypes, will be explained. Thereafter, the experiments in laboratory and at outdoor conditions are detailed. Firstly, experiments carried out with simple cube models at different scales are explained. The prototype larger in size and the corresponding undistorted scale model have been subjected to same environmental conditions in every experimental test. Secondly, a step forward is taken carrying out some simultaneous experimental tests of an undistorted scale model, replica of a relatively simple lightweight and glazed building construction. This experiment consists of monitoring the undistorted scale model of the prototype workshop located in the School of Architecture (ETSAM) of the Technical University of Madrid (UPM). For the analysis of experimental data, known related theories and resources are applied, such as, direct comparisons, statistical analyses, Dimensional Analysis and last, but not least important, simulations. Simulations allow us, specifically, flexible comparisons with experimental data. Here, apart the use of the simulation software EnergyPlus, a simulation algorithm is developed ad hoc for this research. Finally, the discussion and conclusions of this research are exposed.

Global air-sea flux of CO2: An estimate based on measurements of sea–air pCO2 difference

Approximately 250,000 measurements made for the pCO2 difference between surface water and the marine atmosphere, ΔpCO2, have been assembled for the global oceans. Observations made in the equatorial Pacific during El Nino events have been excluded from the data set. These observations are mapped on the global 4° × 5° grid for a single virtual calendar year (chosen arbitrarily to be 1990) representing a non-El Nino year. Monthly global distributions of ΔpCO2 have been constructed using an interpolation method based on a lateral advection–diffusion transport equation. The net flux of CO2 across the sea surface has been computed using ΔpCO2 distributions and CO2 gas transfer coefficients across sea surface. The annual net uptake flux of CO2 by the global oceans thus estimated ranges from 0.60 to 1.34 Gt-C⋅yr−1 depending on different formulations used for wind speed dependence on the gas transfer coefficient. These estimates are subject to an error of up to 75% resulting from the numerical interpolation method used to estimate the distribution of ΔpCO2 over the global oceans. Temperate and polar oceans of the both hemispheres are the major sinks for atmospheric CO2, whereas the equatorial oceans are the major sources for CO2. The Atlantic Ocean is the most important CO2 sink, providing about 60% of the global ocean uptake, while the Pacific Ocean is neutral because of its equatorial source flux being balanced by the sink flux of the temperate oceans. The Indian and Southern Oceans take up about 20% each.

Contêineres metálicos para canteiros de obras: análise experimental de desempenho térmico e melhorias na transferência de calor pela envoltória.

Os contêineres metálicos foram desenvolvidos para a utilização no setor de logística e transporte, mas por sua escala adaptável à das edificações e pela mobilidade e praticidade de instalação, tiveram sua utilização apropriada também pelo setor da construção civil. Essas instalações possuem diversas qualidades ambientalmente amigáveis, mas seu aspecto térmico é extremamente insuficiente: sem isolamento térmico, demandam alta carga térmica de refrigeração e aquecimento, no verão e inverno, respectivamente e, consequentemente, um alto consumo energético. Tal característica foi crucial para que se determinassem como objetivos da presente pesquisa investigar o comportamento térmico dessas construções metálicas, avaliar seus parâmetros de desempenho, conforto e estresse térmicos, por meio de uma ampla coleta de dados experimentais. O experimento com duração de um ano - contou com três tipologias de contêiner em escala real, sendo o primeiro em aço Tipo X sem isolamento térmico, o segundo com um isolamento térmico para o fenômeno da condução e o terceiro com isolamento térmico para o fenômeno da radiação. Os diferentes tipos de tratamentos térmicos proporcionaram melhorias à envoltória dos contêineres, chegando a uma diferença nas temperaturas internas de até 9 °C. Constatou-se a extrema necessidade de adequação do tipo de isolamento térmico dos contêineres ao uso a que tais instalações se destinam escritório ou alojamento, no caso dos canteiros de obras para que as características da envoltória minimizem de fato a demanda ou mesmo atinjam a eliminação da necessidade de condicionamento artificial.

Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

Intensificação da transferência de calor e otimização de trocadores de calor compactos tipo venezianas com geradores de vórtices tipo delta-winglets.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente.

Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores infravermelhos.

Atualmente, há poucas aplicações de uso de combustíveis renováveis em queimadores, apesar de representarem grande parte do consumo de energia primária. O etanol se apresenta como uma alternativa com grande potencial para substituição de combustíveis não-renováveis em queimadores no Brasil. Tendo em vista este potencial, foi realizado um estudo de possíveis aplicações de queimadores a etanol, com potência inferior a 50 kW, do ponto de vista ambiental, econômico e tecnológico. Foi selecionada uma churrasqueira como a aplicação mais viável. Tendo em vista a necessidade de troca de calor por radiação, foram selecionados queimadores porosos infravermelhos em conjunto com bicos pulverizadores. Durante os testes, a combustão incompleta com gotejamento de combustível se mostrou um problema freqüente. Foi construída uma série de protótipos até se chegar a uma solução final do problema. Este protótipo final, com itens de baixo custo, foi testado avaliando-se potência e emissões, apresentando performance adequada. Foram também estabelecidas diretrizes para desenvolvimento de um produto.

Aplicação de mapas auto-organizáveis na classificação de padrões de escoamento bifásico

O escoamento bifásico de gás-líquido é encontrado em muitos circuitos fechados que utilizam circulação natural para fins de resfriamento. O fenômeno da circulação natural é importante nos recentes projetos de centrais nucleares para a remoção de calor. O circuito de circulação natural (Circuito de Circulação Natural - CCN), instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN / CNEN, é um circuito experimento concebido para fornecer dados termo-hidráulicos relacionados com escoamento monofásico ou bifásico em condições de circulação natural. A estimativa de transferência de calor tem sido melhorada com base em modelos que requerem uma previsão precisa de transições de padrão de escoamento. Este trabalho apresenta testes experimentais desenvolvidos no CCN para a visualização dos fenômenos de instabilidade em ciclos de circulação natural básica e classificar os padrões de escoamento bifásico associados aos transientes e instabilidades estáticas de escoamento. As imagens são comparadas e agrupadas utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), aplicados em diferentes características da imagem digital. Coeficientes da Transformada Discreta de Cossenos de Quadro Completo (FFDCT) foram utilizados como entrada para a tarefa de classificação, levando a bons resultados. Os protótipos de FFDCT obtidos podem ser associados a cada padrão de escoamento possibilitando uma melhor compreensão da instabilidade observada. Uma metodologia sistemática foi utilizada para verificar a robustez do método.

Influência da substituição de matérias primas nas propriedades dos fluxantes para lingotamento contínuo de aços médio carbono

O fluxante é uma escória sintética que influencia na qualidade superficial do aço e na estabilidade do processo de lingotamento contínuo. Este produto é aplicado diretamente sobre o aço líquido na região do molde de cobre refrigerado a água e atua diretamente no resfriamento primário do aço. O fluxante tem as propriedades físico-químicas adaptadas para cada tipo de aço e também para as condições de lingotamento. Na superfície do aço líquido, o fluxante funde e forma uma poça líquida, atuando como isolante térmico, protegendo o aço da reoxidação e absorvendo inclusões principalmente de Al2O3. A poça líquida escoa, lubrificando e controlando a transferência de calor na interface entre o molde e a pele de aço em solidificação. O problema de qualidade superficial do aço, quando relacionado ao fluxante, se resume a alarmes de colamento, trincas de quina, marcas de oscilação profundas e trincas longitudinais, sendo este último um problema particular do aço médio carbono. Neste trabalho, foram analisados diferentes fluxantes baseados inicialmente no fluxante comercial aplicado no lingotamento contínuo de placas de aço médio carbono. Todos os fluxantes foram desenvolvidos com composições químicas similares. O objetivo foi avaliar o impacto da substituição de fontes de matérias-primas em diferentes composições de modo a avaliar as propriedades físico-químicas com base no fluxante comercial de referência. Como resultado, de todas as propriedades físico-químicas, foi a temperatura de cristalização que sofreu a alteração mais significativa.

Estudo do processo de absorção e dessorção de CO2 na solução aquosa de metildietanolamina e piperazina.

Estudou-se o processo de absorção e dessorção de CO2 em solução aquosa da mistura de metildietanolamina (MDEA) e piperazina (PZ). Os ensaios de absorção foram realizados numa coluna de parede molhada com promotor de película, e, os ensaios de dessorção num sistema de semibatelada, ambos em escala de laboratório. Os testes experimentais de absorção foram realizados a 298 K e pressão atmosférica, com vazão de gás (CO2 e ar atmosférico) de 2,2.10-4 m3 s-1 e as seguintes vazões de líquido: 1,0.10-6; 1,3.10-6 e 1,7.10-6 m3 s-1. O sistema de absorção foi caracterizado através da determinação da área interfacial, a, o coeficiente volumétrico de transferência de massa, kGa, e o coeficiente volumétrico global médio de transferência de massa, KGa. No caso dos ensaios de dessorção, estes foram realizados nas temperaturas de 353, 363 e 368 K, onde empregou-se uma solução carbonatada de 10% PZ-20% MDEA e uma corrente de ar atmosférico nas vazões de 1,1.10-5 m3 s-1 e 2,7.10-5 m3 s-1. Este sistema foi caracterizado através da determinação do coeficiente volumétrico global de transferência de massa, KLa. Os resultados experimentais da área interfacial mostram que este é função da vazão do líquido, sugerindo uma maior área de irrigação como o aumento desta, onde teve-se uma maior área de transferência de massa. O resultado do parâmetro, KGa, indica uma dependência da vazão de líquido, a qual está associada à variação da área interfacial e à dependência do parâmetro KG com o perfil das concentrações da MDEA e PZ ao longo da coluna. A partir da teoria do duplo filme e pelo conhecimento dos parâmetros KGa, a e kGa, estimou-se um parâmetro cinético-difusivo associado à fase líquida, (( ) ) . Os resultados experimentais mostram que esse parâmetro varia pouco com a vazão de líquido, indicando tratar-se de um processo independente da hidrodinâmica do líquido, característico de sistemas com reação rápida. A concentração das aminas e carbamatos, nos ensaios de absorção e dessorção, foi determinada através dos modelos de calibração obtidas pela técnica de espectroscopia no infravermelho. Nos ensaios de absorção, foram observados que a concentração de PZ teve uma variação considerável (4 a 5% massa massa-1), entanto que a de MDEA variou pouco (0,3 a 0,5% massa massa-1), sugerindo que o processo de absorção de CO2 na mistura MDEA-PZ é controlado principalmente pela PZ, e supõe-se que a MDEA tem um papel de receptor de prótons procedentes da reação entre a PZ e o CO2. Nos ensaios de dessorção, observou-se que esse processo é afetado pela temperatura, sendo que, em temperaturas perto da ebulição (372 K), a taxa de dessorção de CO2 é maior do que em temperaturas menores, em certa forma é devido à dependência da velocidade de reação química com a temperatura. Os resultados do parâmetro KLa indicam que este diminui em função da concentração de carbamato de PZ (por exemplo, na temperatura de 368 K, de 7,5.10-4 a 1,0.10-4 s-1), devido a que este componente é decomposto em altas temperaturas gerando o CO2 e as aminas, sugerindo uma diminuição na velocidade de dessorção de CO2. Assim também, os resultados experimentais do parâmetro KLa indicam que este aumenta ligeiramente com a vazão do gás.

Modelo cinético para curvas de calorimetría diferencial de barrido (DSC): aplicación a diferentes polímeros y mezclas

En el presente trabajo se han estudiado mediante DSC, las reacciones involucradas en el tratamiento térmico de los principales componentes en las formulaciones de materiales espumados como son EVA, PE, azodicarbonamida y α- α’-bis(tertbutil-peroxi)-m/p-diisopropilbenceno. Los ensayos se han realizado a una velocidad de calefacción constante de 10 ºC/min en atmósfera inerte de N2. Por otro lado, también se proponen una serie de modelos cinéticos mecanísticos que contemplan la existencia de una o más fracciones reactivas y/o reacciones. Además se ha introducido la variación de las capacidades caloríficas con la temperatura, consiguiendo de esta forma una mejora considerable del ajuste de los datos experimentales. Los modelos presentados son capaces de representar los diferentes procesos observados (con varios picos) y pueden ser de gran interés para la compresión de este tipo de fenómenos, así como para el modelado de la transferencia de calor que se produce durante los procesos industriales de espumado. (Nota: se incluye al final un lisado actualizado con bibliografía específica sobre modelado cinético).

Evidence of different thermoregulatory mechanisms between two sympatric Scarabaeus species using infrared thermography and micro-computer tomography

In endotherms insects, the thermoregulatory mechanisms modulate heat transfer from the thorax to the abdomen to avoid overheating or cooling in order to obtain a prolonged flight performance. Scarabaeus sacer and S. cicatricosus, two sympatric species with the same habitat and food preferences, showed daily temporal segregation with S. cicatricosus being more active during warmer hours of the day in opposition to S. sacer who avoid it. In the case of S. sacer, their endothermy pattern suggested an adaptive capacity for thorax heat retention. In S. cicatricosus, an active ‘heat exchanger’ mechanism was suggested. However, no empirical evidence had been documented until now. Thermographic sequences recorded during flight performance showed evidence of the existence of both thermoregulatory mechanisms. In S. sacer, infrared sequences showed a possible heat insulator (passive thermal window), which prevents heat transfer from meso- and metathorax to the abdomen during flight. In S. cicatricosus, infrared sequences revealed clear and effective heat flow between the thorax and abdomen (abdominal heat transfer) that should be considered the main mechanism of thermoregulation. This was related to a subsequent increase in abdominal pumping (as a cooling mechanism) during flight. Computer microtomography scanning, anatomical dissections and internal air volume measurements showed two possible heat retention mechanisms for S. sacer; the abdominal air sacs and the development of the internal abdominal sternites that could explain the thermoregulation between thorax and abdomen. Our results suggest that interspecific interactions between sympatric species are regulated by very different mechanisms. These mechanisms create unique thermal niches for the different species, thereby preventing competition and modulating spatio-temporal distribution and the composition of dung beetle assemblages.