Computational and experimental characterization of a low-cost piezoelectric valveless diaphragm pump

Flow pumps act as important devices in areas such as Bioengineering, Medicine, and Pharmacy, among other areas of Engineering, mainly for delivering liquids or gases at small-scale and precision flow rate quantities. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been widely studied, since they allow the construction of pump systems for displacement of small fluid volumes with low power consumption. This work studies valveless piezoelectric diaphragm pumps for flow generation, which uses a piezoelectric ceramic (PZT) as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. The direction of the flow is guaranteed by valveless configuration based on a nozzle-diffuser system that privileges the flow in just one pumping direction. Most research efforts on development of valveless flow pump deal either with computational simulations based on simplified models or with simplified physical approaches based on analytical models. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low-cost valveless piezoelectric diaphragm flow pump using computational simulations, parametric study, prototype manufacturing, and experimental characterization. The parametric study has shown that the eccentricity of PZT layer and metal layer plays a key role in the performance of the pump.

Comparação do desempenho de duas bombas acopladas diretamente a geradores fotovoltaicos

No Brasil, assim como em outros países que recebem abundantes quantidades de radiação solar durante todo o ano, há um grande potencial para os sistemas que usam a tecnologia fotovoltaica para promover o bombeamento de água. Entretanto, a escolha dos conjuntos de motores e bombas mais adequados para cada situação passa pela análise do desempenho dos sistemas de bombeamento. Portanto, devem ser analisadas tanto as melhores configurações de geradores fotovoltaicos destinados a operar os conjuntos formados pelos motores e bombas, quanto às eficiências das bombas e da conversão fotovoltaica. Nesse trabalho são apresentadas medidas e comparações do desempenho de dois sistemas de bombeamento diretamente acoplados a geradores fotovoltaicos. Para tanto, foi construída uma bancada destinada a realizar uma série de experimentos. Um dos sistemas usou uma bomba centrífuga acoplada a um gerador fotovoltaico formado por três módulos fotovoltaicos. O outro, utilizou uma bomba volumétrica de diafragma acoplada a um único módulo fotovoltaico. Os experimentos foram conduzidos em duas etapas distintas. A primeira foi feita com os motores acoplados a uma fonte de potência em corrente contínua e serviu para a determinação das curvas de desempenho de cada uma das bombas, das curvas dos sistemas, assim como das curvas de corrente (I) e de tensão (V) de cada um dos motores que acionavam as bombas. A segunda foi realizada com os sistemas acoplados diretamente aos geradores fotovoltaicos. A determinação da configuração dos geradores fotovoltaicos destinados a acionar os diferentes sistemas de bombeamento em análise nesse trabalho foi feita por meio da sobreposição das curvas de corrente e tensão dos motores e dos módulos fotovoltaicos. A parte experimental, estando os sistemas acoplados aos geradores, constou de medidas realizadas em intervalos de tempo de cinco segundos, para cada bomba e em várias alturas, das seguintes variáveis: temperatura ambiente, irradiância, temperatura dos módulos, corrente e tensão do motor, rotação do motor, temperatura da água, diferencial de pressão entre entrada e saída da bomba e vazão. As diversas alturas foram simuladas por meio da abertura e/ou fechamento de uma válvula de controle de vazão colocada na extremidade tubulação de descarga, operada manualmente. Os procedimentos adotados nessa dissertação permitiram caracterizar os sistemas de bombeamento propostos, assim como determinar quais os arranjos mais adequados para operar cada sistema. Verificou-se que o melhor arranjo para operar o conjunto motor e bomba centrífuga foi aquele formado por três módulos fotovoltaicos ligados em paralelo, enquanto que a melhor opção para operar o conjunto motor e bomba de diafragma foi com somente um módulo fotovoltaico. De posse dos dados medidos foi possível determinar as eficiências: instantâneas, máximas instantâneas e diárias da conversão fotovoltaica assim como dos conjuntos motores e bombas, em diferentes alturas. Relativamente à conversão fotovoltaica, verificou-se que o conjunto motor e bomba centrífuga operou com eficiência instantânea máxima de 5,74% e eficiência diária de 4,70%, enquanto que o conjunto motor e bomba volumétrica de diafragma operou com eficiência instantânea máxima de 7,66% e eficiência diária de 5,82%. Relativamente à eficiência dos conjuntos motores e bombas, verificou-se que o conjunto motor e bomba centrífuga operou com eficiência instantânea máxima de 19,19% e eficiência diária de 16,79%, enquanto que o conjunto motor e bomba volumétrica de diafragma operou com eficiência instantânea máxima de 38,88% e eficiência diária de 34,30%. Verificou-se ainda que a altura foi determinante na eficiência do conjunto motor e bomba centrífuga e pouco influenciou na eficiência do conjunto motor e bomba de diafragma. Além dessas, outras considerações sobre o comportamento dos sistemas de bombeamento ao longo de um dia também foram ser registrados, tais como: limiares de irradiância para início e final de vazão, correntes de pico ou de arranque dos motores e correntes de início de vazão ou escoamento.

Segurança das condições de aplicação de herbicidas com aerobarco em plantas daninhas aquáticas no lago da Hidrelétrica de Jupiá

Os objetivos deste trabalho foram quantificar as exposições dérmicas (EDs) e respiratórias (ERs) proporcionadas ao piloto e ao seu ajudante nas aplicações de herbicidas para o controle de plantas daninhas aquáticas com aerobarco; classificar essas condições de trabalho em seguras ou inseguras; e calcular a necessidade de controle das exposições (NCE) e o tempo de trabalho seguro (TTS). O aerobarco utilizado tinha casco de alumínio (4,85 x 2,42 m) e acionamento por hélice acoplada a motor a gasolina de 350 HP. O equipamento de pulverização era composto por bomba de diafragma com fluxo máximo de 49,69 L min-1, pressão máxima de 25 kg cm-2, acionada por motor a gasolina de 4 HP, e tanque de calda de 189 L. A barra de pulverização de alumínio era composta de duas seções laterais de 3 m, posicionadas na linha entre o encosto do banco do piloto e o início da estrutura protetora da hélice. Cada seção da barra tinha seis bicos com pontas de jato plano com indução de ar AI 100 03, espaçados de 0,5 m, e uma ponta OC 20 fixada em cada extremidade. O conjunto de pontas pulverizava faixas de 6 m de largura e aplicava o volume de calda de 200 L ha-1. O sistema tinha gerenciador de fluxo, controlado por central eletrônica acoplada a DGPS (com precisão submétrica), para corrigir automaticamente a vazão em função de alterações na velocidade real da embarcação. As EDs e ERs aos herbicidas foram calculadas com os dados substitutos das exposições às caldas, avaliadas com os traçadores cobre e manganês adicionados às caldas. As exposições foram extrapoladas para uma jornada de trabalho de seis horas. A segurança das condições de trabalho foi determinada com o cálculo da margem de segurança (MS), utilizando-se a fórmula MS = (NOEL x 70)/(QAE x 10), em que QAE = quantidade absorvível da exposição. As condições de trabalho foram classificadas em seguras, se MS>1, ou inseguras, se MS<1. As exposições proporcionadas pelas condições de trabalho foram de 10,65 mL de calda por dia para o piloto e de 16,80 mL por dia para o ajudante, que fica sentado em uma cadeira a 2,0 m à frente do piloto e da barra de pulverização. Classificaram-se como seguras as aplicações dos herbicidas glyphosate (Rodeo, 6 L ha-1), 2,4D (DMA 806 BR, 8 L ha-1) e fluridone (Sonar AQ, 0,4 L ha-1), para o piloto e o seu ajudante. Classificou-se como insegura a aplicação do herbicida diquat (Reward, 4,0 L ha-1) para as duas condições de trabalho, cujas necessidades de controle das exposições calculadas foram de 65% para o piloto e de 78% para o ajudante do piloto.

Operator, organizational, direct support, and general support maintenance manual : pump, reciprocating, power driven, diaphragm, gas engine driven, wheel mounted, 100 gpm, the Gorman-Rupp Company model 4D-2A016, FSN 4320-407-2582.

"March 1971."

Operator, organizational, direct support, and general support maintenance manual including repair parts and special tool lists : pump, reciprocating, diaphragm, 100 gpm, less mil std engine (Rex Chainbelt model 4DG), FSN 4320-063-7363.

"December 1968."

Operator, organizational, field, and depot maintenance manual : pump, reciprocating, diaphragm, gasoline driven, wheel mounted, rubber tires' 4 in., 100 GPM at 10 ft. suction lift (Rice Pump and Machine Co. model 4D-327), FSN 4320-829-8434, less MIL STD engine.

Includes index.

Electro-magnetically Actuated Minute Polymer Pump Fabricated using Packaging Technology

Design, fabrication and preliminary testing of a flat pump with millimetre thickness are described in this paper. The pump is entirely made of polymer materials barring the magnet and copper coils used for electromagnetic actuation. The fabrication is carried out using widely available microelectronic packaging machinery and techniques. Therefore, the fabrication of the pump is straightforward and inexpensive. Two types of prototypes are designed and built. One consists of copper coils that are etched on an epoxy plate and the other has wound insulated wire of 90 mu m diameter to serve as a coil. The overall size of the first pump is 25 mm x 25 mm x 3.6 mm including the 3.1 mm-thick NdFeB magnet of diameter 12 mm. It consists of a pump chamber of 20 mm x 20 mm x 0.8 mm with copper coils etched from a copper-clad epoxy plate using dry-film lithography and milled using a CNC milling machine, two passive valves and the pump-diaphragm made of Kapton film of 0.089 mm thickness. The second pump has an overall size of 35 mm x 35 mm x 4.4 mm including the magnet and the windings. A breadboard circuit and DC power supply are used to test the pump by applying an alternating square-wave voltage pulse. A water slug in a tube attached to the inlet is used to observe and measure the air-flow induced by the pump against atmospheric pressure. The maximum flow rate was found to be 15 ml/min for a voltage of 2.5 V and a current of 19 mA at 68 Hz.

Peristaltic pump-based low range pressure sensor calibration system

Peristaltic pumps were normally used to pump liquids in several chemical and biological applications. In the present study, a peristaltic pump was used to pressurize the chamber (positive as well negative pressures) using atmospheric air. In the present paper, we discuss the development and performance study of an automatic pressurization system to calibrate low range (millibar) pressure sensors. The system includes a peristaltic pump, calibrated pressure sensor (master sensor), pressure chamber, and the control electronics. An in-house developed peristaltic pump was used to pressurize the chamber. A closed loop control system has been developed to detect and adjust the pressure leaks in the chamber. The complete system has been integrated into a portable product. The system performance has been studied for a step response and steady state errors. The system is portable, free from oil contaminants, and consumes less power compared to existing pressure calibration systems. The veracity of the system was verified by calibrating an unknown diaphragm based pressure sensor and the results obtained were satisfactory. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Diaphragm muscle adaptation to sustained hypoxia: lessons from animal models with relevance to high altitude and chronic respiratory diseases

The diaphragm is the primary inspiratory pump muscle of breathing. Notwithstanding its critical role in pulmonary ventilation, the diaphragm like other striated muscles is malleable in response to physiological and pathophysiological stressors, with potential implications for the maintenance of respiratory homeostasis. This review considers hypoxic adaptation of the diaphragm muscle, with a focus on functional, structural, and metabolic remodeling relevant to conditions such as high altitude and chronic respiratory disease. On the basis of emerging data in animal models, we posit that hypoxia is a significant driver of respiratory muscle plasticity, with evidence suggestive of both compensatory and deleterious adaptations in conditions of sustained exposure to low oxygen. Cellular strategies driving diaphragm remodeling during exposure to sustained hypoxia appear to confer hypoxic tolerance at the expense of peak force-generating capacity, a key functional parameter that correlates with patient morbidity and mortality. Changes include, but are not limited to: redox-dependent activation of hypoxia-inducible factor (HIF) and MAP kinases; time-dependent carbonylation of key metabolic and functional proteins; decreased mitochondrial respiration; activation of atrophic signaling and increased proteolysis; and altered functional performance. Diaphragm muscle weakness may be a signature effect of sustained hypoxic exposure. We discuss the putative role of reactive oxygen species as mediators of both advantageous and disadvantageous adaptations of diaphragm muscle to sustained hypoxia, and the role of antioxidants in mitigating adverse effects of chronic hypoxic stress on respiratory muscle function.

Effects of gestational and postnatal exposure to chronic intermittent hypoxia on diaphragm muscle contractile function in the rat

Alterations to the supply of oxygen during early life presents a profound stressor to physiological systems with aberrant remodeling that is often long-lasting. Chronic intermittent hypoxia (CIH) is a feature of apnea of prematurity, chronic lung disease, and sleep apnea. CIH affects respiratory control but there is a dearth of information concerning the effects of CIH on respiratory muscles, including the diaphragm—the major pump muscle of breathing. We investigated the effects of exposure to gestational CIH (gCIH) and postnatal CIH (pCIH) on diaphragm muscle function in male and female rats. CIH consisted of exposure in environmental chambers to 90 s of hypoxia reaching 5% O2 at nadir, once every 5 min, 8 h a day. Exposure to gCIH started within 24 h of identification of a copulation plug and continued until day 20 of gestation; animals were studied on postnatal day 22 or 42. For pCIH, pups were born in normoxia and within 24 h of delivery were exposed with dams to CIH for 3 weeks; animals were studied on postnatal day 22 or 42. Sham groups were exposed to normoxia in parallel. Following gas exposures, diaphragm muscle contractile, and endurance properties were examined ex vivo. Neither gCIH nor pCIH exposure had effects on diaphragm muscle force-generating capacity or endurance in either sex. Similarly, early life exposure to CIH did not affect muscle tolerance of severe hypoxic stress determined ex vivo. The findings contrast with our recent observation of upper airway dilator muscle weakness following exposure to pCIH. Thus, the present study suggests a relative resilience to hypoxic stress in diaphragm muscle. Co-ordinated activity of thoracic pump and upper airway dilator muscles is required for optimal control of upper airway caliber. A mismatch in the force-generating capacity of the complementary muscle groups could have adverse consequences for the control of airway patency and respiratory homeostasis.

A quasi stationary approach to drying kinetics of cylindrical food particulates in a heat pump asisted fluid bed dryer

Experiments were undertaken to study drying kinetics of moist cylindrical shaped food particulates during fluidised bed drying. Cylindrical particles were prepared from Green beans with three different length:diameter ratios, 3:1, 2:1 and 1:1. A batch fluidised bed dryer connected to a heat pump system was used for the experimentation. A Heat pump and fluid bed combination was used to increase overall energy efficiency and achieve higher drying rates. Drying kinetics, were evaluated with non-dimensional moisture at three different drying temperatures of 30, 40 and 50o C. Numerous mathematical models can be used to calculate drying kinetics ranging from analytical models with simplified assumptions to empirical models built by regression using experimental data. Empirical models are commonly used for various food materials due to their simpler approach. However problems in accuracy, limits the applications of empirical models. Some limitations of empirical models could be reduced by using semi-empirical models based on heat and mass transfer of the drying operation. One such method is the quasi-stationary approach. In this study, a modified quasi-stationary approach was used to model drying kinetics of the cylindrical food particles at three drying temperatures.