Tubular and Sector Heat Pipes with Interconnected Branches for Gas Turbine and/or Compressor Cooling

Designing turbines for either aerospace or power production is a daunting task for any heat transfer scientist or engineer. Turbine designers are continuously pursuing better ways to convert the stored chemical energy in the fuel into useful work with maximum efficiency. Based on thermodynamic principles, one way to improve thermal efficiency is to increase the turbine inlet pressure and temperature. Generally, the inlet temperature may exceed the capabilities of standard materials for safe and long-life operation of the turbine. Next generation propulsion systems, whether for new supersonic transport or for improving existing aviation transport, will require more aggressive cooling system for many hot-gas-path components of the turbine. Heat pipe technology offers a possible cooling technique for the structures exposed to the high heat fluxes. Hence, the objective of this dissertation is to develop new radially rotating heat pipe systems that integrate multiple rotating miniature heat pipes with a common reservoir for a more effective and practical solution to turbine or compressor cooling. In this dissertation, two radially rotating miniature heat pipes and two sector heat pipes are analyzed and studied by utilizing suitable fluid flow and heat transfer modeling along with experimental tests. Analytical solutions for the film thickness and the lengthwise vapor temperature distribution for a single heat pipe are derived. Experimental tests on single radially rotating miniature heat pipes and sector heat pipes are undertaken with different important parameters and the manner in which these parameters affect heat pipe operation. Analytical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipes have an incredibly high effective thermal conductance and an enormous heat transfer capability. Concurrently, the heat pipe has an uncomplicated structure and relatively low manufacturing costs. The heat pipe can also resist strong vibrations and is well suited for a high temperature environment. Hence, the heat pipes with a common reservoir make incorporation of heat pipes into turbo-machinery much more feasible and cost effective.

Control system design for flexible rotors supported by actively lubricated bearings

This article presents a methodology for calculating the gains of an output feedback controller for active vibration control of flexible rotors. The methodology is based on modal reduction. The proportional and derivative gains are obtained by adjusting the first two damping factors of the system and keeping the lengths of the two eigenvalues constant in the real-imaginary plane. The methodology is applied to an industrial gas compressor supported by active tilting-pad journal bearings. The unbalance response functions and mode shapes of the flexible rotor with and without active control are presented, showing significative improvement in damping reserve with the control. The importance of sensor location is emphasized, on the basis of the energy necessary to operate the active system over the entire frequency range studied. The best results are obtained by a decentralized controller, observing displacement and velocity of the shaft at the bearing positions.

Reliability Analysis in Reciprocating Compressors for Refrigeration Systems

The most-used refrigeration system is the vapor-compression system. In this cycle, the compressor is the most complex and expensive component, especially the reciprocating semihermetic type, which is often used in food product conservation. This component is very sensitive to variations in its operating conditions. If these conditions reach unacceptable levels, failures are practically inevitable. Therefore, maintenance actions should be taken in order to maintain good performance of such compressors and to avoid undesirable stops of the system. To achieve such a goal, one has to evaluate the reliability of the system and/or the components. In this case, reliability means the probability that some equipment cannot perform their requested functions for an established time period, under defined operating conditions. One of the tools used to improve component reliability is the failure mode and effect analysis (FMEA). This paper proposes that the methodology of FMEA be used as a tool to evaluate the main failures found in semihermetic reciprocating compressors used in refrigeration systems. Based on the results, some suggestions for maintenance are addressed.

Simple thermodynamics of jet engines

We use the first and second laws of thermodynamics to analyze the behavior of an ideal jet engine. Simple analytical expressions for the thermal efficiency, the overall efficiency, and the reduced thrust are derived. We show that the thermal efficiency depends only on the compression ratio r and on the velocity of the aircraft. The other two performance measures depend also on the ratio of the temperature at the turbine to the inlet temperature in the engine, T-3/T-i. An analysis of these expressions shows that it is not possible to choose an optimal set of values of r and T-3/T-i that maximize both the overall efficiency and thrust. We study how irreversibilities in the compressor and the turbine decrease the overall efficiency of jet engines and show that this effect is more pronounced for smaller T-3/T-i.

Lubrificação de compressores que aspiram fluido frigorigéneo a temperaturas inferiores a -30° C

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

Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Maquinagem não convencional sobre placas compósitas

A utilização de materiais compósitos tem crescido nas últimas décadas em virtude do seu baixo peso, elevada resistência e rigidez. A furação de placas compósitas é um desafio que se coloca às indústrias que trabalham com este tipo de materiais, sendo frequente o recurso a ferramentas convencionais, normalmente utilizadas na construção mecânica, com adaptações. Neste trabalho, apresenta-se uma técnica não convencional baseada na furação por jacto de areia sendo avaliadas as descontinuidades causadas em placas compósitas. Durante este processo de furação, as camadas da placa não resistem o tempo necessário para concluir a perfuração, aquecendo e fragmentando- se, e a areia, com o impacto, perde rapidamente o poder abrasivo. Além disso, o tempo necessário para completar com sucesso a operação seria superior a 5 horas, uma vez que a primeira etapa de jateamento durou aproximadamente uma hora, sendo necessário no fim da mesma repor um novo isolamento devido desgaste sofrido. Nesse momento da operação o progresso obtido era imperceptível. O trabalho experimental realizado permite concluir que a furação por jacto de areia, utilizando um compressor com um caudal de 1700 l/min e jateadora de sucção, não se mostra uma ferramenta promissora para executar operações de furação em placas compósitas.

SYPEC: construção de um protótipo

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Estudo de Avarias em Compressores de Ar

As instalações de ar comprimido são uma constante em quase todo o tipo de indústria, já que o ar comprimido assume cada vez mais importância como fonte de energia para a movimentação de dispositivos com cargas moderadas ou médias. O uso cada vez mais frequente da pneumática por via da automação de sistemas e processos de fabrico, é outro fator que tem incrementado fortemente o uso de instalações de ar comprimido. A utilização de ar comprimido tem subjacente um ou mais compressores, responsáveis por captar o ar e criar as condições necessárias de pressão na rede que vai abastecer uma qualquer instalação industrial, ou mesmo comercial, como no caso dos serviços de reparação automóvel, entre outras. Desta forma, cria-se uma forte dependência em torno desta fonte de energia, sendo a avaria do compressor um fator extremamente limitativo do processo produtivo ou dos serviços a prestar. As empresas fabricantes de compressores, cientes deste facto, têm primado pela fiabilidade. No entanto, os utilizadores nem sempre criam as condições ideais para o funcionamento desses compressores, conduzindo a problemas de funcionamento. Neste trabalho pretendeu-se elaborar um estudo que permitisse identificar quais as causas que estão por detrás das avarias mais frequentes de alguns dos modelos mais vendidos pela Ingersoll-Rand no nosso país, através da Comingersoll, analisando as mesmas e tentando encontrar soluções que evitassem essas avarias. O estudo permitiu dissecar as avarias registadas em cinco diferentes modelos nos últimos anos, identificar possíveis causas, perceber a frequência com que ocorrem e sugerir melhorias que pudessem minimizar a ocorrência dessas mesmas avarias.

SYPEC: Desenvolvimento de uma aplicação Android para controlo e avaliação postural

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Validation of NASA rotor 67 with openFOAM's transonic density-based solver

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

SYPEC: desenvolvimento de classificadores para identificação automática da postura de sentado

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Contribuição para a otimização do fabrico de compressores scroll

A indústria automóvel é um meio extremamente competitivo, onde existe uma procura constante por novas soluções, sempre com a necessidade de redução de custos e otimização de recursos. A Halla Visteon Climate Control (HVCC), que se trata de uma empresa líder na sua área de atuação, verificou a existência de problemas no processo de fabrico de alguns componentes do seu compressor Scroll, na sequência da alteração da matéria-prima para uma liga AA 6082-T6. Na presente Dissertação realizou-se uma análise comparativa entre o material corrente e um novo material, AA 7075-T6, sem que tenham sido alterados quaisquer parâmetros do processo produtivo, tornando possível a avaliação do potencial de utilização do novo material. Foram testados diversos parâmetros, tendo em conta as diferentes etapas do processo produtivo, como a dureza e a rugosidade superficial, o estado do revestimento aplicado por Electroless e o comportamento da camada obtida por Anodização. A utilização da liga 7075 permitiu obter melhores resultados após as etapas de maquinagem, podendo contribuir para a eliminação dos problemas verificados nesta etapa do processo. No que diz respeito aos testes realizados após aplicação tanto dos revestimentos Ni-P, como da camada anodizada, os resultados revelaram-se semelhantes aos da liga 6082, sendo de destacar a melhoria de adesão verificada, comprovando assim o potencial de utilização deste material, especialmente num processo que possa ver os parâmetros otimizados para o mesmo.

On-line event detection by recursive dynamic principal component analysis and gas sensor arrays under drift conditions

Leakage detection is an important issue in many chemical sensing applications. Leakage detection hy thresholds suffers from important drawbacks when sensors have serious drifts or they are affected by cross-sensitivities. Here we present an adaptive method based in a Dynamic Principal Component Analysis that models the relationships between the sensors in the may. In normal conditions a certain variance distribution characterizes sensor signals. However, in the presence of a new source of variance the PCA decomposition changes drastically. In order to prevent the influence of sensor drifts the model is adaptive and it is calculated in a recursive manner with minimum computational effort. The behavior of this technique is studied with synthetic signals and with real signals arising by oil vapor leakages in an air compressor. Results clearly demonstrate the efficiency of the proposed method.