Monte Carlo simulations for dosimetric verification in photon and electron beam radiotherapy

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Biomédica

In situ measured cross section geometry of old timber structures and its influence on structural safety

Old timber structures may show significant variation in the cross section geometry along the same element, as a result of both construction methods and deterioration. As consequence, the definition of the geometric parameters in situ may be both time consuming and costly. This work presents the results of inspections carried out in different timber structures. Based on the obtained results, different simplified geometric models are proposed in order to efficiently model the geometry variations found. Probabilistic modelling techniques are also used to define safety parameters of existing timber structures, when subjected to dead and live loads, namely self-weight and wind actions. The parameters of the models have been defined as probabilistic variables, and safety of a selected case study was assessed using the Monte Carlo simulation technique. Assuming a target reliability index, a model was defined for both the residual cross section and the time dependent deterioration evolution. As a consequence, it was possible to compute probabilities of failure and reliability indices, as well as, time evolution deterioration curves for this structure. The results obtained provide a proposal for definition of the cross section geometric parameters of existing timber structures with different levels of decay, using a simplified probabilistic geometry model and considering a remaining capacity factor for the decayed areas. This model can be used for assessing the safety of the structure at present and for predicting future performance.

Análise da atual unidade de desasfaltação pelo Propano para o tratamento de crudes não parafínicos

Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da simulação da unidade de destilação atmosférica e a vácuo da fábrica de óleos base da Petrogal, permitindo verificar que, uma vez conseguido um modelo num programa de simulação que traduz o comportamento real de um dado processo, é possível sem riscos operacionais avaliar o efeito da alteração das condições normais de funcionamento desse processo. O trabalho foi orientado pelo Eng.º Carlos Reis, no que diz respeito à empresa, e pelo Prof. Dr. Luís Silva, pelo ISEP. O trabalho foi dividido em duas partes, sendo a primeira direcionada à obtenção do novo crude a partir de dois crudes pesados e caracterização dessa mistura. Já a segunda parte reside na refinação deste novo crude através da plataforma Aspen Plus para obtenção do resíduo de vácuo, para posterior processamento na coluna de discos rotativos usando um método de separação por extração liquido-liquido. Estudaram-se as propriedades físicas dos fluidos e verificou-se que na destilação atmosférica as curvas de destilação encontram-se muito próximas comparativamente com os resultados obtidos pela empresa, enquanto na destilação a vácuo os valores encontram-se mais afastados, apresentando uma variação de 30ºC a 100ºC em relação aos valores obtidos pelo Petro-Sim. Com a finalidade de cumprir um dos objetivos em falta, irão ser realizadas futuramente simulações no extrator de discos rotativos para otimização do processo para crudes pesados, sendo os resultados facultados, posteriormente, à Petrogal. Durante a realização do trabalho foi atingido um modelo real representativo da unidade de destilação atmosférica e a vácuo da Petrogal, podendo obter-se resultados para qualquer tipo de crude, fazendo apenas variar o assay da corrente de alimentação.

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

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

Proposta de modelo para obtenção do Work Index das rochas

Este trabalho pretende estabelecer uma relação entre o Work Index e algumas propriedades das rochas. Através da pesquisa bibliográfica foram identificadas varias propriedades com possível influência no valor do Work Index, das quais foram seleccionadas a massa volúmica aparente, a resistência à carga pontual, a composição química, a composição mineralógica e a abrasividade. Adicionalmente a porosidade aberta e resistência à compressão também foram analisadas. Assim foram analisadas 10 amostras de rocha, quatro de granitos, uma de quartzodiorito, uma de ardósia, uma de serpentinito, uma de calcário, uma de mármore e uma de sienito nefelínico, sobre as quais já eram conhecidos os valores de cinco das propriedades referidas previamente, tendo sido determinados os valores das ainda desconhecidas, resistência à carga pontual e a abrasividade que está representada através do resultado do ensaio capon. Devido à dificuldade de execução do ensaio de determinação do Work Index de Bond foram recolhidos dados bibliográficos de valores do Work Index para as amostras de rocha seleccionadas e adoptado o valor médio para cada uma. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente através do método de análise de componentes principais assim como através de regressões lineares simples e múltiplas. A análise de componentes principais permitiu identificar várias propriedades da rocha com possível influência sobre o Work Index de entre as analisadas. Foi possível estabelecer uma relação entre o Work Index e quatro das propriedades seleccionadas, designadamente a porosidade aberta, a resistência à compressão, a resistência à carga pontual e a abrasividade.

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Aplicação de um software de cálculo automático na verificação aos estados limites de utilização em estruturas de Betão Armado

Actualmente e cada vez mais, são concebidos e utilizados programas de cálculo automático de Engenharia na realização de projectos de edifícios, que proporcionam aos engenheiros uma possibilidade avançada e rápida de execução, simulação e análise de edifícios para estruturas complexas e de elevada dimensão. Contudo, será necessário que os resultados deverão ser fiáveis de modo a não existirem consequências no comportamento real da estrutura a longo prazo. O presente relatório de estágio, refere-se à verificação aos estados limites de utilização (tensões, fendilhação e deformação) segundo o Eurocódigo 2, de uma estrutura porticada em betão armado, nomeadamente de um pórtico central pertencente a essa mesma estrutura recorrendo ao programa de cálculo automático da Autodesk o Robot Structural Analysis Professional 2014. O objectivo principal do presente trabalho consiste na comparação de resultados referente aos estados limites últimos e de utilização, pelos diferentes módulos de dimensionamento Required e Provided Reinforcement presentes no programa Robot. É destacado no final do relatório, considerando uma disposição de armadura optada analiticamente para o pórtico, uma análise comparativa de resultados referente aos estados limites de utilização entre o comando Typical Reinforcement do módulo Provided Reinforcement e por expressões analíticas. Refere-se contudo que, o procedimento do método analítico teve como base de cálculo uma aplicação desenvolvida para a verificação de elementos de betão armado aos estados limites de utilização segundo o Eurocódigo 2, com o nome de XD-Conserv tendo sido também comparado os resultados finais do mesmo.

Avaliação numérica e experimental da carga admissível de vigas compostas para monocarris de sistemas de elevação

Este trabalho foi realizado com o apoio, e em colaboração da empresa Flexcrane, que constrói e comercializa soluções flexíveis de pontes rolantes para cargas ligeiras. Com cargas máximas de 2 toneladas estas pontes e seus caminhos de rolamento são construídas essencialmente enformados a frio. O objetivo deste trabalho é a verificação numérica e experimental das cargas que este tipo de estrutura suporta, nas suas diferentes configurações. Numa aproximação por engenharia inversa, com a realização deste trabalho, foi possível determinar a carga admissível das vigas compostas utilizadas, assim como o seu comportamento quando em carga. Para obtenção destes resultados foram realizadas simulações computacionais recorrendo ao método de elementos finitos, utilizando para isso o software Ansys Workbench e ainda ensaios experimentais que permitiram validar os resultados obtidos numericamente e consolidar o conhecimento sobre o comportamento desta solução comercial. Por ser de construção modular, são possíveis diferentes combinações para o produto final, por esta razão foram estudados numericamente diferentes configurações possíveis, com e sem reforços. Foi realizada a validação experimental para a configuração mais usual, fazendo recurso a um dispositivo para ensaio de estruturas e componentes, pertencente ao Isep. Foi ainda utilizada a técnica extensométrica para avaliar as tensões em pontos selecionados e compara-los com os obtidos numericamente. Concluiu-se pelo ótimo desempenho dos produtos Flexcrane.

Stochastic modeling of the thermal and catalytic degradation of polyethylene using simultaneous DSC/TG analysis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica