Simulação de problemas de transferência de calor em regime permanente com uma relação entre condutividade térmica e temperatura constante por partes.

Este trabalho estuda a transferência de calor por condução considerando a condutividade térmica como uma função constante por partes da temperatura. Esta relação, embora fisicamente mais realista que supor a condutividade térmica constante, permite obter uma forma explícita bem simples para a inversa da Transformada de Kirchhoff (empregada para tratar a não linearidade do problema). Como exemplo, apresenta-se uma solução exata para um problema com simetria esférica. Em seguida, propôe-se uma formulação variacional (com unicidade demonstrada) que introduz um funcional cuja minimização é equivalente à solução do problema na forma forte. Finalmente compara-se uma solução exata obtida pela inversa da Transformada de Kirchhoff com a solução obtida via formulação variacional.

Estudo das variáveis de rugosidade, dureza e condutividade térmica aplicado à percepção tátil em design de produto

Este trabalho apresenta um estudo sobre a relação existente entre as variáveis de rugosidade, dureza e condutividade térmica de alguns materiais utilizados em design de produto e a percepção tátil. Inicialmente, foram realizadas pesquisas de descritores subjetivos que os usuários relacionavam com o ato de tocar. A partir destes resultados, foram identificadas características superficiais dos materiais que estavam ligadas a estes descritores. Foi possível então, desenvolver amostras em diferentes materiais (cerâmicos, poliméricos, metálicos e naturais), para serem testadas em ensaios diversos. Os primeiros testes realizados, permitiam a visualização das amostras. Posteriormente, foram realizados ensaios de forma que os entrevistados não podiam visualizar as amostras. Desta forma, somente a percepção tátil era testada sem influência dos demais órgãos dos sentidos. Nestes testes, os entrevistados verificavam entre as variáveis abordadas no trabalho (rugosidade, dureza e condutividade térmica), se haviam diferenças entre as amostras e ordenavam de maior à menor conforme o que era percebido. Com base nas respostas obtidas, e também nos valores atribuídos às amostras para as variáveis já relacionadas anteriormente, foi possível verificar limiares de percepção e também, a relação existente entre o que é percebido e os valores atribuídos às respectivas variáveis tecnológicas. Os resultados obtidos indicam que a percepção de diferentes texturas, foi mais facilmente detectada do que diferenças de condutividade térmica e principalmente de dureza. A preferência por texturas menos rugosas foi detectada em grande parte das respostas obtidas Da mesma forma, pode-se dizer que a temperatura ambiente de realização dos testes para condutividade térmica, teve influência direta nas respostas obtidas. Para os ensaios aplicados, não houve diferença grande entre respostas de adultos e de crianças e também entre crianças com deficiência visual e crianças sem deficiência. A investigação da percepção tátil, e posteriormente a relação que se pode fazer desta com algumas das propriedades dos materiais, contribui tanto na seleção de materiais para projeto de produtos, como para seleção de processos de fabricação. Sendo assim, este estudo pode servir como mais uma ferramenta no processo de criação, considerando assim os futuros usuários. Desta maneira, o vínculo entre o usuário e o produto torna-se mais forte, já que este atende às necessidades e também considera a percepção do usuário em relação aos materiais utilizados, podendo, inclusive, evitar um descarte rápido contribuindo para aumentar a sustentabilidade. Além disto, este estudo permite também que a produção nas indústrias de determinados segmentos (têxtil, brinquedos, utensílios, etc.) possa ser orientada de forma que considere limiares de percepção, evitando assim investimentos desnecessários em processos de produção que resultariam em mudanças que podem não ser percebidas pelos usuários. Em suma, os resultados obtidos neste estudo, podem ser utilizados em diversas áreas da Engenharia e do Design, agregando a estas uma ferramenta na orientação de projetos.

Condutividade térmica de rochas: uma aplicação para granitos ornamentais

This dissertation focuses on rock thermal conductivity and its correlations with petrographic, textural, and geochemical aspects, especially in granite rocks. It aims at demonstrating the relations of these variables in an attempt to enlighten the behavior of thermal effect on rocks. Results can be useful for several applications, such as understanding and conferring regional thermal flow results, predicting the behavior of thermal effect on rocks based upon macroscopic evaluation (texture and mineralogy), in the building construction field in order to provide more precise information on data refinement on thermal properties emphasizing a rocky material thermal conductivity, and especially in the dimension stone industry in order to open a discussion on the use of these variables as a new technological parameter directly related to thermal comfort. Thermal conductivity data were obtained by using Anter Corporation s QuicklineTM -30 a thermal property measuring equipment. Measurements were conducted at temperatures ranging between 25 to 38 OC in samples with 2cm in length and an area of at least 6cm of diameter. As to petrography data, results demonstrated good correlations with quartz and mafics. Linear correlation between mineralogy and thermal conductivity revealed a positive relation of a quartz percentage increase in relation to a thermal conductivity increase and its decrease with mafic minerals increase. As to feldspates (K-feldspate and plagioclase) they show dispersion. Quartz relation gets more evident when compared to sample sets with >20% and <20%. Sets with more than 20% quartz (sienogranites, monzogranites, granodiorites, etc.), exhibit to a great extent conductivity values which vary from 2,5 W/mK and the set with less than 20% (sienites, monzonites, gabbros, diorites, etc.) have an average thermal conductivity below 2,5 W/mK. As to textures it has been verified that rocks considered thick/porphyry demonstrated in general better correlations when compared to rocks considered thin/medium. In the case of quartz, thick rocks/porphyry showed greater correlation factors when compared to the thin/medium ones. As to feldspates (K-feldspate and plagioclase) again there was dispersion. As to mafics, both thick/porphyry and thin/medium showed negative correlations with correlation factor smaller than those obtained in relation to the quartz. As to rocks related to the Streckeisen s QAP diagram (1976), they tend to fall from alcali-feldspates granites to tonalites, and from sienites to gabbros, diorites, etc. Thermal conductivity data correlation with geochemistry confirmed to a great extent mineralogy results. It has been seen that correlation is linear if there is any. Such behavior could be seen especially with the SiO2. In this case similar correlation can be observed with the quartz, that is, thermal conductivity increases as SiO2 is incremented. Another aspect observed is that basic to intermediate rocks presented values always below 2,5 W/mK, a similar behavior to that observed in rocks with quartz <20%. Acid rocks presented values above 2,5 W/mK, a similar behavior to that observed in rocks with quartz >20% (granites). For all the other cases, correlation factors are always low and present opposite behavior to Fe2O3, CaO, MgO, and TiO2. As to Al2O3, K2O, and Na2O results are not conclusive and are statistically disperse. Thermal property knowledge especially thermal conductivity and its application in the building construction field appeared to be very satisfactory for it involves both technological and thermal comfort aspects, which favored in all cases fast, cheap, and precise results. The relation between thermal conductivity and linear thermal dilatation have also shown satisfactory results especially when it comes to the quartz role as a common, determining phase between the two variables. Thermal conductivity studies together with rocky material density can function as an additional tool for choosing materials when considering structural calculation aspects and thermal comfort, for in the dimension stone case there is a small density variation in relation to a thermal conductivity considerable variation

Estimativas da condutividade térmica dos minerais e rochas e influência de parâmetros térmicos e petrofísicos na resistividade aparente da formação

O presente estudo realiza estimativas da condutividade térmica dos principais minerais formadores de rochas, bem como estimativas da condutividade média da fase sólida de cinco litologias básicas (arenitos, calcários, dolomitos, anidritas e litologias argilosas). Alguns modelos térmicos foram comparados entre si, possibilitando a verificação daquele mais apropriado para representar o agregado de minerais e fluidos que compõem as rochas. Os resultados obtidos podem ser aplicados a modelamentos térmicos os mais variados. A metodologia empregada baseia-se em um algoritmo de regressão não-linear denominado de Busca Aleatória Controlada. O comportamento do algoritmo é avaliado para dados sintéticos antes de ser usado em dados reais. O modelo usado na regressão para obter a condutividade térmica dos minerais é o modelo geométrico médio. O método de regressão, usado em cada subconjunto litológico, forneceu os seguintes valores para a condutividade térmica média da fase sólida: arenitos 5,9 ± 1,33 W/mK, calcários 3.1 ± 0.12 W/mK, dolomitos 4.7 ± 0.56 W/mK, anidritas 6.3 ± 0.27 W/mK e para litologias argilosas 3.4 ± 0.48 W/mK. Na sequência, são fornecidas as bases para o estudo da difusão do calor em coordenadas cilíndricas, considerando o efeito de invasão do filtrado da lama na formação, através de uma adaptação da simulação de injeção de poços proveniente das teorias relativas à engenharia de reservatório. Com isto, estimam-se os erros relativos sobre a resistividade aparente assumindo como referência a temperatura original da formação. Nesta etapa do trabalho, faz-se uso do método de diferenças finitas para avaliar a distribuição de temperatura poço-formação. A simulação da invasão é realizada, em coordenadas cilíndricas, através da adaptação da equação de Buckley-Leverett em coordenadas cartesianas. Efeitos como o aparecimento do reboco de lama na parede do poço, gravidade e pressão capilar não são levados em consideração. A partir das distribuições de saturação e temperatura, obtém-se a distribuição radial de resistividade, a qual é convolvida com a resposta radial da ferramenta de indução (transmissor-receptor) resultando na resistividade aparente da formação. Admitindo como referência a temperatura original da formação, são obtidos os erros relativos da resistividade aparente. Através da variação de alguns parâmetros, verifica-se que a porosidade e a saturação original da formação podem ser responsáveis por enormes erros na obtenção da resistividade, principalmente se tais "leituras" forem realizadas logo após a perfuração (MWD). A diferença de temperatura entre poço e formação é a principal causadora de tais erros, indicando que em situações onde esta diferença de temperatura seja grande, perfilagens com ferramentas de indução devam ser realizadas de um a dois dias após a perfuração do poço.

Modelos de condutividade térmica em rochas silicáticas, com ênfase em rochas da província Borborema, NE do Brasil

A practical approach to estimate rock thermal conductivities is to use rock models based just on the observed or expected rock mineral content. In this study, we evaluate the performances of the Krischer and Esdorn (KE), Hashin and Shtrikman (HS), classic Maxwell (CM), Maxwell-Wiener (MW), and geometric mean (GM) models in reproducing the measures of thermal conductivity of crystalline rocks.We used 1,105 samples of igneous and metamorphic rocks collected in outcroppings of the Borborema Province, Northeastern Brazil. Both thermal conductivity and petrographic modal analysis (percent volumes of quartz, K-feldspar, plagioclase, and sum of mafic minerals) were done. We divided the rocks into two groups: (a) igneous and ortho-derived (or meta-igneous) rocks and (b) metasedimentary rocks. The group of igneous and ortho-derived rocks (939 samples) covers most the lithologies de_ned in the Streckeisen diagram, with higher concentrations in the fields of granite, granodiorite, and tonalite. In the group of metasedimentary rocks (166 samples), it were sampled representative lithologies, usually of low to medium metamorphic grade. We treat the problem of reproducing the measured values of rock conductivity as an inverse problem where, besides the conductivity measurements, the volume fractions of the constituent minerals are known and the effective conductivities of the constituent minerals and model parameters are unknown. The key idea was to identify the model (and its associated estimates of effective mineral conductivities and parameters) that better reproduces the measures of rock conductivity. We evaluate the model performances by the quantity  that is equal to the percentage of number of rock samples which estimated conductivities honor the measured conductivities within the tolerance of 15%. In general, for all models, the performances were quite inferior for the metasedimentary rocks (34% <  < 65%) as compared with the igneous and ortho-derived rocks (51% <  < 70%). For igneous and ortho-derived rocks, all model performances were very similar ( = 70%), except the GM-model that presented a poor performance (51% <  < 65%); the KE and HS-models ( = 70%) were slightly superior than the CM and MW-models ( = 67%). The quartz content is the dominant factor in explaining the rock conductivity for igneous and ortho-derived rocks; in particular, using the MW-model the solution is in practice vi UFRN/CCET– Dissertação de mestrado the series association of the quartz content. On the other hand, for metasedimentary rocks, model performances were different and the performance of the KEmodel ( = 65%) was quite superior than the HS ( = 53%), CM (34% <  < 42%), MW ( = 40%), and GM (35% <  < 42%). The estimated effective mineral conductivities are stable for perturbations both in the rock conductivity measures and in the quartz volume fraction. The fact that the metasedimentary rocks are richer in platy-minerals explains partially the poor model performances, because both the high thermal anisotropy of biotite (one of the most common platy-mineral) and the difficulty in obtaining polished surfaces for measurement coupling when platyminerals are present. Independently of the rock type, both very low and very high values of rock conductivities are hardly explained by rock models based just on rock mineral content.

Desenvolvimento de um compósito de espuma rígida de poliuretana de mamona e fibras de sisal para isolação térmica

The search for sustainable technologies that can contribute to reduce energy consumption is a great challenge in the field of insulation materials. In this context, composites manufactured from vegetal sources are an alternative technology. The principal objectives of this work are the development and characterization of a composite composed by the rigid polyurethane foam derived from castor oil (commercially available as RESPAN D40) and sisal fibers. The manufacture of the composite was done with expansion controlled inside a closed mold. The sisal fibers where used in the form of needlepunched nonwoven with a mean density of 1150 g/m2 and 1350 g/m2. The composite characterization was performed through the following tests: thermal conductivity, thermal behavior, thermo gravimetric analysis (TG/DTG), mechanical strength in compression and flexural, apparent density, water absorption in percentile, and the samples morphology was analyzed in a MEV. The density and humidity percentage of the sisal fiber were also determined. The thermal conductivity of the composites was higher than the pure polyurethane foam, the addition of nonwoven sisal fibers will become in a higher level of compact foam, reducing empty spaces (cells) of polyurethane, inducing an increase in k value. The apparent density of the composites was higher than pure polyurethane foam. In the results of water absorption tests, was seen a higher absorption percent of the composites, what is related to the presence of sisal fibers which are hygroscopic. From TG/DTG results, with the addition of sisal fibers reduced the strength to thermal degradation of the composites, a higher loss of mass was observed in the temperature band between 200 and 340 °C, related to urethane bonds decomposition and cellulose degradation and its derivatives. About mechanical behavior in compression and flexural, composites presented a better mechanical behavior than the rigid polyurethane foam. An increase in the amount of sisal fibers induces a higher rigidity of the composites. At the thermal behavior tests, the composites were more mechanically and thermally resistant than some materials commonly used for thermal insulation, they present the same or better results. The density of nonwoven sisal fiber had influence over the insulation grade; this means that, an increaser in sisal fiber density helped to retain the heat

Desenvolvimento de compósito de pu de mamona com carga de resíduo de couro para isolação térmica

The standardization of the bovine skin thickness in the leather industry generates a residue known as wet-blue . At the end of twentieth century, the brazilian industry discarded about 131 thousand tons of this residue in nature, provoking a great environmental liability. In this paper is presented the analyses of the termophysical properties, thermal and volumetric expansion performance of a composite of vegetable resin of castor oil plant (Ricinus communis) with load of industrial residue of leather "wet-blue", for application as thermal isolation material of warm surfaces. There were considered four percentile levels of residue load in the proportions in mass of 0%, 5%, 10% and 15%, added to the expansible resin of castor oil plant in two configurations: sawed leather and crushed leather in a smaller particle (powder) by grinding in a mill of balls. Twenty-one proof bodies were produced for termophysical properties analysis (three for each configuration) and four proof bodies for rehearsals of thermal acting. Analyses of thermal acting were done in test cameras. The results of the rehearsals were compared to those obtained considering the castor oil plant foam without residue addition. A small reduction of the thermal conductivity of the composite was observed in the proportion of 10% of leather residue in both configurations. Regarding thermal conductivity, calorific capacity and diffusivity, it was verified that the proposed composite showed very close values to the commercial insulating materials (glass wool, rock wool, EPS). It was still demonstrated the technical viability of the use of composite as insulating thermal for systems of low potency. The composite presented larger volumetric expansion with 15% of sawed residue of leather.

Caracterização geoquímica e efeito térmico de intrusão de diabásio na matéria orgânica da Formação Irati, poço FP-12-SP, bacia do Paraná

O estudo visou à caracterização geoquímica orgânica detalhada (carbono orgânico total, resíduo insolúvel, enxofre, pirólise Rock-Eval e biomarcadores) da Formação Irati através do furo pioneiro FP-12-SP localizado próximo da região de Anhembi (SP), e à análise das alterações destes parâmetros devido ao efeito térmico de intrusões de diabásio. A partir destes dados definiu-se 8 (oito) unidades quimioestratigráficas, determinou se o potencial gerador de cada unidade, o tipo de querogênio e a assinatura geoquímica através de parâmetros dos biomarcadores saturados e, por último, indicou-se as alterações causadas pelo efeito térmico de intrusivas nos sedimentos. O Membro Taquaral possui baixo teor de carbono orgânico total, querogênio tipo III/IV, com alta proporção de alcanos lineares e cicloalcanos, predominância dos esteranos C27 em relação ao C29, com indicações de ambiente marinho com salinidade normal. O Membro Assistência é caracterizado por apresentar valores de carbono orgânico total relativamente alto com aumento para o topo, intercalação de níveis siliciclásticos com carbonáticos, potencial gerador que chega a excelente e índice de hidrogênio predominante para óleo e condensado, baixa proporção de n-alcanos em relação aos cicloalcanos e alcanos ramificados, aparecimento do gamacerano, indicando ambiente marinho hipersalino com afogamento para o topo. O efeito térmico é visto a partir de 3 metros abaixo e 10 metros acima da soleira com maturação da matéria orgânica nos 9,5m mais próximos da soleira. A propagação de calor acima da soleira foi maior do que abaixo devido à diferença de condutividade térmica entre o carbonato e o folhelho, onde a máxima restrição com o aumento da salinidade na Unidade Quimioestratigráfica E, indicada pela presença de gamacerano, pode ter amplificado a passagem de calor para o topo.

Estimativas a priori para problemas não lineares de condução de calor, com o uso da transformada de Kirchhoff.

Este trabalho apresenta uma estimativa a priori para o limite superior da distribuição de temperatura considerando um problema em regime permanente em um corpo com uma condutividade térmica dependente da temperatura. A discussão é realizada supondo que as condições de contorno são lineares (lei de Newton do resfriamento) e que a condutividade térmica é constante por partes (quando considerada como uma função da temperatura). Estas estimativas consistem em uma ferramenta poderosa que pode prescindir da necessidade de uma simulação numérica cara de um problema de transferência de calor não linear, sempre que for suficiente conhecer o valor mais alto de temperatura. Nestes casos, a metodologia proposta neste trabalho é mais eficaz do que as aproximações usuais que assumem tanto a condutividade térmica quanto as fontes de calor como constantes.

Nanofluids development and characterization for heat exchanging intensification

A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade através do desenvolvimento científico e tecnológico. O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável. Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade, assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a deterioração da morfologia das nanopartículas. Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas. Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com segurança a condutividade térmica de nanofluidos.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Processamento de materiais carbonáceos por pulsos intensos de laser em alta pressão

Neste trabalho foi desenvolvida uma câmara de alta pressão com janela de safira para processamento de filmes finos com pulsos de laser de alta potência, num regime de resfriamento ultra-rápido e geometria confinada. As amostras estudadas consistiram de filmes finos de carbono amorfo depositados sobre substratos de cobre. Os processamentos foram realizados com um laser pulsado Nd:YAG com energia de até 500 mJ por pulso, com duração de 8 ns, focalizada numa região de cerca de 1,5mm2, gerando uma região de elevada temperatura na superfície da amostra durante um intervalo de tempo bastante curto, da ordem do tempo de duração do pulso do laser. Para evitar a evaporação do filme de carbono, aplicava-se através da câmara, uma pressão de 0,5 a 1,0 GPa, confinando a amostra e eliminando o efeito da ablação. Este sistema tornou possível produzir taxas de resfriamento extremamente elevadas, com supressão da formação de uma pluma durante a incidência do laser, sendo o calor dissipado rapidamente pelo contato com os substratos de cobre e safira, ambos com elevada condutividade térmica. As amostras processadas foram analisadas por micro-espectroscopia Raman e os resultados revelaram a formação de estruturas com cadeias lineares de carbono, “carbynes”, caracterizadas pela presença de um pico Raman intenso na região de 2150 cm-1. Outro conjunto de picos Raman foi observado em 996 cm-1, 1116 cm-1 e 1498 cm-1 quando o filme fino de carbono amorfo foi processado dentro da câmara, com uma seqüência de mais de três pulsos consecutivos de laser. Várias tentativas foram feitas para investigar a natureza da fase que origina estes picos. Apesar da similaridade com o espectro Raman correspondente ao poliacetileno (CnHn), não foi possível constatar evidências experimentais sobre a presença de hidrogênio nos filmes de carbono processados. Estes picos Raman não foram observados quando o filme de carbono era depositado sobre outros substratos metálicos, a não ser em cobre. O conjunto de resultados experimentais obtidos indica que estes picos estariam relacionados a pequenos aglomerados lineares de átomos de carbono, diluídos numa matriz de átomos de cobre, formados durante os pulsos subseqüentes de laser e retidos durante o resfriamento ultra-rápido da amostra. A comparação dos resultados experimentais com a simulação do espectro Raman para diferentes configurações, permite propor que estes aglomerados seriam pequenas cadeias lineares, com poucos átomos, estabilizadas frente à formação de grafenos pela presença de átomos de cobre em abundância. Foram também realizados processamentos de materiais carbonáceos por pulsos de laser em meios líquidos, através de câmaras especialmente construídas para este fim. Os resultados, em diversos materiais e configurações, mostraram apenas a formação de estruturas grafíticas, sem evidência de outras fases.

Avaliação da utilização de transdutores magnéticos para determinação de cementação em ligas HP40

Ligas da classe HP40 e similares são empregados em ambientes petroquímicos on-de a agressividade do meio provém da atividade do carbono a altas temperaturas. Normal-mente a pirólise de metano, etileno ou nafta apresentam como subproduto formação de carbono na forma de coque. Com a elevação de temperatura local, ocasionada pela baixa condutividade térmica do coque, a camada de óxido de cromo interna torna-se instável, eliminando a barreira à difusão de carbono. O carbeto de cromo criado pela difusão de car-bono apresenta dilatação térmica diferente da matriz causando tensões internas que em caso extremo ocasiona o rompimento do tubo. Este rompimento pode comprometer a ativi-dade do forno e a segurança da unidade petroquímica.. Neste trabalho foram criados transdutores magnéticos capazes de medir espessura de camada cementada. A determinação da porcentagem de material cementado, através de instrumentos precisos é primordial ao planejamento da manutenção e estudo de custo-benefício à substituição destes materiais. Sua confecção visou empregar materiais de baixo custo, facilidade de manuseio e adequação ao ambiente petroquímico.

Simulação computacional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio

A análise do comportamento estrutural sob incêndio constitui uma parte importante da engenharia de proteção contra incêndio, especialmente no caso de estruturas de aço, por sua alta condutividade térmica e relativa esbeltez das seções. As dificuldades econômicas e práticas, associadas à avaliação do comportamento estrutural, por meio de ensaios em escala real, têm estimulado o desenvolvimento e uso de métodos de simulação numérica. Esta tese trata da simulação numérica do comportamento de estruturas de aço sob condições de incêndio e se divide em três partes. As duas primeiras partes foram desenvolvidas na Universidade de Liége, na Bélgica, usando-se o programa SAFIR como ferramenta numérica. A terceira parte foi desenvolvida de forma independente, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Na primeira parte, é feito um estudo comparativo entre o uso de elementos finitos de viga e de casca, na modelagem de vigas simplesmente apoiadas, sujeitas a flambagem lateral por torção. Os esforços de torção, presentes no caso de flambagem lateral, podem levar a uma plastificação da seção transversal e à conseqüente redução da rigidez à torção da seção. Da mesma forma, a degradação das propriedades do material, com o aumento da temperatura, leva à redução da rigidez à torção Havia dúvidas se o modelo com elementos de viga, com uma rigidez à torção constante, poderia fornecer uma resposta aceitável. O estudo mostrou que uma resposta com boa precisão pode ser conseguida, usando-se elementos de viga, desde que o módulo de elasticidade transversal seja ajustado para refletir seu valor correspondente à temperatura de falha. Isso implica um processo iterativo, uma vez que a temperatura de falha não é previamente conhecida. Por outro lado, a degradação da rigidez à torção, por efeitos de plastificação, pode ser ignorada. Na segunda parte, é feita a comparação entre as modelagens bidimensional e tridimensional, de galpões industriais de um andar, sob incêndio. Comumente, a estrutura de galpões industriais é composta por pórticos-tipo, dispostos em paralelo. A análise desses galpões é comumente feita pela simulação no plano do pórtico de aço ou, simplesmente, da treliça da cobertura Na análise bidimensional, importantes efeitos fora do plano são ignorados, como a redistribuição de esforços devido à degradação do material ou à expansão térmica, ou instabilidade lateral dos elementos. A importância desses efeitos e a adequabilidade do modelo 2D para representar o comportamento real são discutidas. Na terceira parte, um modelo numérico para a simulação tridimensional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio é apresentado. O modelo é baseado no conceito de rótulas plásticas generalizadas, com modificações para melhor representar a formação e expansão da plastificação no elemento. A descrição cinemática adotada permite obter bons resultados, mesmo com o uso de poucos elementos. A determinação do vetor de esforços internos no elemento, incluindo os efeitos da temperatura, é detalhada. O procedimento foi validado por comparação com ensaios e com modelos numéricos mais sofisticados, como o programa SAFIR. Os resultados demonstram que o procedimento proposto pode ser usado como uma forma alternativa de análise 3D de estruturas sob incêndio, com precisão razoável e baixo esforço computacional.

Transferência de calor e controle de temperatura em tubos capilares utilizados em eletroforese capilar

Este trabalho tem por objetivo estudar a transferência de calor em tubos capilares cilíndricos utilizados na técnica de separação de moléculas denominada Eletroforese Capilar. Esta técnica é usada, por exemplo, na análise de biomoléculas e no sequenciamento de DNA, onde o controle da temperatura está diretamente ligado ao desempenho destes métodos e à qualidade dos resultados. Para empregar esta técnica, tensões elétricas da ordem de 20 kV são aplicadas entre as extremidades dos tubos capilares, que possuem normalmente 50 cm de comprimento, 350 µm de diâmetro externo e 50 µm de diâmetro interno, preenchidos por uma solução aquosa. Tais tensões geram uma corrente elétrica na solução, provocando aquecimento distribuído por Efeito Joule. Os tubos capilares são construídos em quartzo amorfo e protegidos por uma camada de material polimérico (poliimida). Para implementar o controle da temperatura, os tubos capilares são colocados em contato com um fluido de resfriamento. Num primeiro momento, os estudos são realizados por simulação numérica, empregando o Método dos Volumes Finitos em rotinas escritas em FORTRAN. São simulados casos onde os tubos são recobertos por camadas cilíndricas de materiais com uma condutividade térmica relativamente boa, com o objetivo de aumentar a superfície de troca de calor com o fluido de resfriamento. Como resultado, obtêm-se curvas da temperatura no centro dos tubos capilares em função do coeficiente de transferência de calor por convecção. Um caso de interesse é quando os tubos capilares são posicionados excentricamente ao recobrimento cilíndrico Num segundo momento, é utilizado o software de simulação numérica ANSYS CFX®, onde é simulado o resfriamento dos mesmos tubos capilares expostos a um escoamento transversal de ar a 15°C. Neste caso, também são aplicados os recobrimentos cilíndricos e, além disso, opta-se por simular o resfriamento de um arranjo de vários tubos (sistema multicapilar) dispostos entre placas de vidro, no formato de um sanduíche. Como resultados mais importantes salientam-se: a) o aumento do raio do recobrimento resulta no aumento da transferência de calor, fazendo com que a temperatura no núcleo do capilar fique estacionada em valores baixos que não comprometem as separações/análises; b) chegou-se a um valor de raio crítico da ordem de 10 mm para a condição de operação mais típicas na área da Eletroforese Capilar; c) as montagens com o tubo capilar concêntrico e excêntrico ao recobrimento não apresentam diferenças significativas no perfil de temperatura da solução tampão; e finalmente d) observa-se que o uso de duas placas de material dielétrico com os capilares posicionados em forma de sanduíche entre elas permite uma eficiente dissipação do calor gerado na solução tampão.