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.

Materiais de mudança de fase em revestimentos

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de especialização em Edificações

Análise experimental e numérica da solidificação direcional de materiais de mudança de fase

O presente trabalho apresenta uma análise da solidificação unidirecional a partir de um estudo experimental e numérico. A fim de possibilitar a visualização do processo são evitadas as altas temperaturas. Desta forma, materiais com baixo ponto de fusão, abaixo de 50°C, translúcidos e transparentes, são fundidos e solidificados em um solidificador direcional de forma cilíndrica. Visando um processo de solidificação controlado por difusão pura, este solidificador é resfriado pela sua base. São obtidos no experimento os campos de temperatura, além da posição da interface sólido-líquido ao longo do tempo. Na simulação numérica do processo é resolvida a equação da energia, formulada em termos da entalpia usando uma malha fixa. Os resultados são comparados e analisados de modo a validar a simulação, que passa assim a servir para a investigação de outras situações de interesse no âmbito da fusão-solidificação.

Simulação de sistemas solares passivos usando materiais de mudança de fase (PCMs)

O gradual consumo de energia primária a nível mundial deu origem a uma crise não só ambiental como também económica, proveniente das limitações das reservas energéticas e do fornecimento. Estas inquietações têm levado a um estudo cada vez mais aprofundado no que concerne à eficiência energética de edifícios. É neste contexto que surge o estudo da aplicação dos materiais de mudança de fase (PCM) na térmica dos edifícios. O presente trabalho consiste no estudo da influência da introdução de materiais de mudança de fase no comportamento térmico de um edifício. Foi analisada uma simulação numérica para um sistema solar passivo de ganho direto, por um programa de simulação designado EXTEND™. Efetuou-se, também, o estudo paramétrico de determinadas propriedades associadas aos materiais de mudança de fase. Após a análise, foi testado o impacto, em termos de conforto, da utilização de materiais de mudança de fase em sistemas solares passivos de ganho direto.

Análise experimental de um trocador de calor por mudança de fase e desenvolvimento de um modelo numérico simplificado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Portaferramentas para torneamento com refrigeração interna baseada na mudança de fase do fluido

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avanços no torneamento utilizando um porta-ferramentas refrigerado internamente com fluido em mudança de fase

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

NZEB e os novos revestimentos

Dissertação de natureza científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Argamassas funcionais para uma construção sustentável

A aposta na sustentabilidade tem conduzido o mercado da construção a procurar novas soluções técnicas e novos materiais, que por serem mais eficientes, conseguem dar resposta aos requisitos cada vez mais exigentes deste sector. A aplicação dos conceitos de sustentabilidade não se pode restringir a novas construções, tendo que prever também as renovações e a reabilitação de edifícios antigos. Assim, novos materiais que sejam desenvolvidos, devem contemplar todas estas vertentes de utilização. Neste trabalho desenvolveram-se argamassas com novas funcionalidades, que contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade dos edifícios, através da incorporação de nanomateriais para armazenamento de calor latente e degradação de poluentes do ar interior. Estudou-se não só o impacto da incorporação destas nanopartículas no estado fresco e endurecido, mas também o seu desempenho do ponto de vista funcional quando integrados na estrutura da argamassa. É possível obter argamassas com capacidade para armazenar calor latente através da incorporação de um material de mudança de fase. Este material constituído por uma mistura de parafinas, consegue armazenar calor e libertálo posteriormente. As composições desenvolvidas podem ser aplicadas em novos projectos ou na reabilitação de edifícios contribuindo para reduzir o consumo energético, melhorando o conforto térmico no interior. Com a redução da factura energética obtém-se uma efectiva diminuição do impacto ambiental, energético e económico do edifício. Para além do armazenamento de calor latente, também se desenvolveram argamassas capazes de eliminar poluentes do ar interior e, simultaneamente, com capacidade de auto-limpeza. Utilizaram-se nanopartículas de dióxido de titânio como aditivo fotocatalítico, tendo-se analisado o efeito da introdução deste aditivo nas argamassas. As composições testadas demonstraram elevada capacidade fotocatalítica e de auto-limpeza, sem comprometer as suas propriedades no estado endurecido. Ao aplicar estas composições na camada de acabamento interior melhora-se a qualidade do ar no interior das habitações e reduz-se a necessidade de utilização de sistemas de ventilação. As argamassas funcionais contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade da construção, tendo impacto económico e ambiental em todo o ciclo de vida do edifício.

Electrical characterization of metal-oxide-polymer devices for non-volatile memory applications

The objective of this thesis is to study the properties of resistive switching effect based on bistable resistive memory which is fabricated in the form of Al2O3/polymer diodes and to contribute to the elucidation of resistive switching mechanisms. Resistive memories were characterized using a variety of electrical techniques, including current-voltage measurements, small-signal impedance, and electrical noise based techniques. All the measurements were carried out over a large temperature range. Fast voltage ramps were used to elucidate the dynamic response of the memory to rapid varying electric fields. The temperature dependence of the current provided insight into the role of trapped charges in resistive switching. The analysis of fast current fluctuations using electric noise techniques contributed to the elucidation of the kinetics involved in filament formation/rupture, the filament size and correspondent current capabilities. The results reported in this thesis provide insight into a number of issues namely: (i) The fundamental limitations on the speed of operation of a bi-layer resistive memory are the time and voltage dependences of the switch-on mechanism. (ii) The results explain the wide spread in switching times reported in the literature and the apparently anomalous behaviour of the high conductance state namely the disappearance of the negative differential resistance region at high voltage scan rates which is commonly attributed to a “dead time” phenomenon which had remained elusive since it was first reported in the ‘60s. (iii) Assuming that the current is filamentary, Comsol simulations were performed and used to explain the observed dynamic properties of the current-voltage characteristics. Furthermore, the simulations suggest that filaments can interact with each other. (iv) The current-voltage characteristics have been studied as a function of temperature. The findings indicate that creation and annihilation of filaments is controlled by filling and neutralizing traps localized at the oxide/polymer interface. (v) Resistive switching was also studied in small-molecule OLEDs. It was shown that the degradation that leads to a loss of light output during operation is caused by the presence of a resistive switching layer. A diagnostic tool that predicts premature failure of OLEDs was devised and proposed. Resistive switching is a property of oxides. These layers can grow in a number of devices including, organic light emitting diodes (OLEDs), spin-valve transistors and photovoltaic devices fabricated in different types of material. Under strong electric fields the oxides can undergo dielectric breakdown and become resistive switching layers. Resistive switching strongly modifies the charge injection causing a number of deleterious effects and eventually device failure. In this respect the findings in this thesis are relevant to understand reliability issues in devices across a very broad field.

Modelagem numérica de escoamento em padrão anular com transferência de calor e massa

Annular flow is the prevailing pattern in transport and energy conversion systems and therefore, one of the most important patterns in multiphase flow in ducts. The correct prediction of the pressure gradient and heat transfer coefficient is essential for optimizing the system s capacity. The objective of this work is to develop and implement a numerical algorithm capable of predicting hydrodynamic and thermal characteristics for upflow, vertical, annular flow. The numerical algorithm is then complemented with the physical modeling of phenomena that occurs in this flow pattern. These are, turbulence, entrainment and deposition and phase change. For the development of the numerical model, axial diffusion of heat and momentum is neglected. In this way the time-averaged equations are solved in their parabolic form obtaining the velocity and temperature profiles for each axial step at a time, together with the global parameters, namely, pressure gradient, mean film thickness and heat transfer coefficient, as well as their variation in the axial direction. The model is validated for the following conditions: fully-developed laminar flow with no entrainment; fully developed laminar flow with heat transfer, fully-developed turbulent flow with entrained drops, developing turbulent annular flow with entrained drops, and turbulent flow with heat transfer and phase change

Materiais híbridos argila-poli(metil metacrilato) obtidos através do método grafting

Pós-graduação em Química - IQ

Interações competitivas entre Epizoanthus gabrieli Carlgreen, 1951 (Ordem Zoanthidea) e corais na Baía de Todos os Santos e suas implicações para a comunidade recifal.

Alguns recifes de coral da Baía de Todos os Santos passaram a ser dominado pelo zoantídeo Epizoanthus gabrieli em 2003. Fenômeno resultante da degradação dos recife de coral que atinge 20% desses ecossistemas e ameaça outros 35% no mundo. Apesar de sua importância, apenas a mudança na comunidade para o domínio de macroalgas foi suficientemente estudado. Assim, torna-se urgente estudos sobres alterações envolvendo a dominância de outros organismos. Estes fornecem subsídios para produção de modelos funcionais que podem ajudar na tomada de decisão para o manejo destes ecossistemas tanto na prevenção destas alterações quanto na recuperação de suas comunidades. Os objetivos deste trabalho são (i) verificar se este fenômeno constitui uma mudança de fase, a partir da redução da abundância de corais e persistência da alta cobertura de E. gabrieli por pelo menos cinco anos, (ii) avaliar os efeitos da competição entre este zoantídeo e corais adultos e recrutas com experimentos manipulativos e (iii) investigar os efeitos desta dominância na assembleia de peixes recifais. Os resultados confirmaram a existência de uma mudança de fase, sugerindo que a abundância de E. gabrieli aumentou em 2003 ou antes e que até 2007 houve uma redução da cobertura de coral, condição que se mantêm pelo menos até 2013. As três espécies de corais testadas mostram-se muito sensíveis ao contato com E. gabrieli, com necrose em 78% das colônias e ocupação do esqueleto dos corais em 35% dos casos em um período de 118 dias. Além disso, um modelo feito a partir dos dados de proporção de colônias de corais em contato com este zoantídeo e a cobertura de E. gabrieli sugere que quando o zoantídeo atinge 6% de cobertura, 50% das colônias de corais entram em contato com o mesmo. Estes dados são fortes evidências de que a redução da cobertura de coral observada entre 2003 e 2007 foi causada por competição entre estes organismos. Não foi observado efeito negativo no recrutamento do coral em substrato artificial livre em recifes dominados por E. gabrieli, nem nas proximidades das suas colônias. Isso sugere que uma suposta redução da cobertura deste zoantídeo deve ser acompanhada pelo aumento da taxa de recrutamento de corais e que a competição com a inibição do recrutamento não suporta um efeito de histerese. Foi constatado que esta mudança de fase reduz a riqueza de espécies de peixes recifais, apresentando dez espécies a menos que os recifes normais, e que favorecem os invertívoros moveis em detrimento dos carnívoros e invertívoros sésseis. Contudo não se observou diferença na abundância de peixes.