Measurement and stability of the pointing of the BepiColombo Laser Altimeter under thermal load

The BepiColombo Laser Altimeter (BELA) has been selected to fly on ESA׳s BepiColombo mission to Mercury. The instrument will be the first European laser altimeter designed for interplanetary flight. This paper describes the setup used to characterize the angular movements of BELA under the simulated environmental conditions that the instrument will encounter when orbiting Mercury. The system comprises a laser transmitter and a receiving telescope, which can move with respect to each other under thermal load. Tests performed using the Engineering Qualification Model show that the setup is accurate enough to characterize angular movements of the instrument components to an accuracy of ≈10 μrad. The qualification instrument is thermally stable to operate during all mission phases around Mercury proving that the transmitter and receiver sections will remain within the alignment requirements during its mission.

Thermal comfort indices in individual shelters for dairy calves with different types of roofs

Dentre os materiais de construção utilizados nas instalações rurais, merecem destaque as coberturas, pois são grandes responsáveis pelo conforto térmico, influenciando no balanço térmico no interior das instalações. Este trabalho objetivou avaliar a influência das coberturas sobre a entalpia (H), Carga Térmica Radiante (CTR) e no Índice de Temperatura de Globo Negro e Umidade (ITGU), em abrigos individuais para bezerros leiteiros. O delineamento foi o inteiramente casualizado com três tratamentos: Z - telha de zinco; CA - telha de cimento amianto, e CAB - telha de cimento amianto pintada de branco na face superior. As médias foram comparadas pelo teste de Scott Knott, a 1% de probabilidade. Os resultados mostraram que não houve diferença estatística entre os tratamentos (P<0,01) e o ambiente externo, para a H. Para a CTR, houve diferença estatística entre todos os tratamentos, em que CAB demonstrou menor CTR, 489,28 W m-², seguido do tratamento CA, 506,72 W m-², e Z com maior valor de CTR, 523,55 W m-². Para o ITGU, observaram-se menores valores para CAB (76,8) e CA (77,4), diferindo-se, significativamente do Z, que obteve maior valor (81,6). As telhas com pintura branca em sua face superior promoveram menor CTR e menor ITGU, favorecendo o ambiente térmico da instalação.

Impact of thermal bridging on the performance of buildings using Light Steel Framing in Brazil

The Light Steel Framing building technology was introduced in Brazil in the late 1990s for the construction of residential houses. Because the design system was imported from the United States and is optimised to work well in that temperate climate, some modi fi cations must be made to adapt it for the Brazilian climate. The objective of this paper was to assess the impact of thermal bridging across enclosure elements on the thermal performance of buildings designed with Light Steel Framing in Brazil. The numerical simulation program EnergyPlus and a speci fi c method that considered the effects of metallic structures in the hourly simulations were used for the analysis. Two air-conditioned commercial buildings were used as case studies. The peak thermal load increased approximately 10% when an interior metal frame was included in the numerical simulations compared to non-metallic structures. Even when a metal frame panel was used only for vertical elements in the facade of a building with a conventional concrete structure, the simulations showed a 5% increase in annual energy use.

THERMAL EFFICIENCY OF INDIVIDUAL SHELTERS FOR GIROLANDO CALVES IN BRAZILIAN SEMI-ARID REGIONS

The objective of this research was to evaluate the thermal efficiency of roofs used on individual shelters during milk-feeding stage of Girolando calves. The research was conducted at a farm located in a dry region of Pernambuco state, Brazil. The experimental design was completely randomized, with 27 Holstein × Gir dairy crossbred calves housed in shelters with three roofing materials (fibre cement tile, recycled tile, and thatched roofs). The recycled tiles and thatched roofs provided reductions of 18.7 and 14.6% in radiant thermal load, respectively. Regardless the roofing material, all animals increased their respiratory rate to maintain thermal equilibrium.

Sleep quantity and quality during heat-based training and the effects of cold-water immersion recovery

- Introduction Heat-based training (HT) is becoming increasingly popular as a means of inducing acclimation before athletic competition in hot conditions and/or to augment the training impulse beyond that achieved in thermo-neutral conditions. Importantly, current understanding of the effects of HT on regenerative processes such as sleep and the interactions with common recovery interventions remain unknown. This study aimed to examine sleep characteristics during five consecutive days of training in the heat with the inclusion of cold-water immersion (CWI) compared to baseline sleep patterns. - Methods Thirty recreationally-trained males completed HT in 32 ± 1 °C and 60% rh for five consecutive days. Conditions included: 1) 90 min cycling at 40 % power at VO2max (Pmax) (90CONT; n = 10); 90 min cycling at 40 % Pmax with a 20 min CWI (14 ± 1 °C; 90CWI; n = 10); and 30 min cycling alternating between 40 and 70 % Pmax every 3 min, with no recovery intervention (30HIT; n = 10). Sleep quality and quantity was assessed during HT and four nights of 'baseline' sleep (BASE). Actigraphy provided measures of time in and out of bed, sleep latency, efficiency, total time in bed and total time asleep, wake after sleep onset, number of awakenings, and wakening duration. Subjective ratings of sleep were also recorded using a 1-5 Likert scale. Repeated measures analysis of variance (ANOVA) was completed to determine effect of time and condition on sleep quality and quantity. Cohen's d effect sizes were also applied to determine magnitude and trends in the data. - Results Sleep latency, efficiency, total time in bed and number of awakenings were not significantly different between BASE and HT (P > 0.05). However, total time asleep was significantly reduced (P = 0.01; d = 1.46) and the duration periods of wakefulness after sleep onset was significantly greater during HT compared with BASE (P = 0.001; d = 1.14). Comparison between training groups showed latency was significantly higher for the 30HIT group compared to 90CONT (P = 0.02; d = 1.33). Nevertheless, there were no differences between training groups for sleep efficiency, total time in bed or asleep, wake after sleep onset, number of awakenings or awake duration (P > 0.05). Further, cold-water immersion recovery had no significant effect on sleep characteristics (P > 0.05). - Discussion Sleep plays an important role in athletic recovery and has previously been demonstrated to be influenced by both exercise training and thermal strain. Present data highlight the effect of HT on reduced sleep quality, specifically reducing total time asleep due to longer duration awake during awakenings after sleep onset. Importantly, although cold water recovery accelerates the removal of thermal load, this intervention did not blunt the negative effects of HT on sleep characteristics. - Conclusion Training in hot conditions may reduce both sleep quantity and quality and should be taken into consideration when administering this training intervention in the field.

Thermo-mechanical characterization of surface-micromachined microheaters using in-line digital holography

This paper describes the application of lensless in-line digital holographic microscopy (DHM) to carry out thermo-mechanical characterization of microheaters fabricated through PolyMUMPs three-layer polysilicon surface micromachining process and subjected to a high thermal load. The mechanical deformation of the microheaters on the electrothermal excitation due to thermal stress is analyzed. The numerically reconstructed holographic images of the microheaters clearly indicate the regions under high stress. A double-exposure method has been used to obtain the quantitative measurements of the deformations, from the phase analysis of the hologram fringes. The measured deformations correlate well with the theoretical values predicted by a thermo-mechanical analytical model. The results show that lensless in-line DHM with Fourier analysis is an effective method for evaluating the thermo-mechanical characteristics of MEMS components.

A parametric study on the buckling of functionally graded material plates with internal discontinuities using the partition of unity method

In this paper, the effect of local defects, viz., cracks and cutouts on the buckling behaviour of functionally graded material plates subjected to mechanical and thermal load is numerically studied. The internal discontinuities, viz., cracks and cutouts are represented independent of the mesh within the framework of the extended finite element method and an enriched shear flexible 4-noded quadrilateral element is used for the spatial discretization. The properties are assumed to vary only in the thickness direction and the effective properties are estimated using the Mori-Tanaka homogenization scheme. The plate kinematics is based on the first order shear deformation theory. The influence of various parameters, viz., the crack length and its location, the cutout radius and its position, the plate aspect ratio and the plate thickness on the critical buckling load is studied. The effect of various boundary conditions is also studied. The numerical results obtained reveal that the critical buckling load decreases with increase in the crack length, the cutout radius and the material gradient index. This is attributed to the degradation in the stiffness either due to the presence of local defects or due to the change in the material composition. (C) 2013 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Robust Reentry Guidance of a Reusable Launch Vehicle Using Model Predictive Static Programming

A robust suboptimal reentry guidance scheme is presented for a reusable launch vehicle using the recently developed, computationally efficient model predictive static programming. The formulation uses the nonlinear vehicle dynamics with a spherical and rotating Earth, hard constraints for desired terminal conditions, and an innovative cost function having several components with associated weighting factors that can account for path and control constraints in a soft constraint manner, thereby leading to smooth solutions of the guidance parameters. The proposed guidance essentially shapes the trajectory of the vehicle by computing the necessary angle of attack and bank angle that the vehicle should execute. The path constraints are the structural load constraint, thermal load constraint, bounds on the angle of attack, and bounds on the bank angle. In addition, the terminal constraints include the three-dimensional position and velocity vector components at the end of the reentry. Whereas the angle-of-attack command is generated directly, the bank angle command is generated by first generating the required heading angle history and then using it in a dynamic inversion loop considering the heading angle dynamics. Such a two-loop synthesis of bank angle leads to better management of the vehicle trajectory and avoids mathematical complexity as well. Moreover, all bank angle maneuvers have been confined to the middle of the trajectory and the vehicle ends the reentry segment with near-zero bank angle, which is quite desirable. It has also been demonstrated that the proposed guidance has sufficient robustness for state perturbations as well as parametric uncertainties in the model.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Effect of Turbine Inlet Temperature on Rotor Blade Tip Leakage Flow and Heat Transfer

One of the most critical gas turbine engine components, the rotor blade tip and casing, is exposed to high thermal load. It becomes a significant design challenge to protect the turbine materials from this severe situation. The purpose of this paper is to study numerically the effect of turbine inlet temperature on the tip leakage flow structure and heat transfer. In this paper, the effect of turbine inlet temperature on the tip leakage flow structure and heat transfer has been studied numerically. Uniform low (LTIT: 444 K) and high (HTIT: 800 K) turbine inlet temperature, as well as non-uniform inlet temperature have been considered. The results showed the higher turbine inlet temperature yields the higher velocity and temperature variations in the leakage flow aerodynamics and heat transfer. For a given turbine geometry and on-design operating conditions, the turbine power output can be increased by 1.33 times, when the turbine inlet temperature increases 1.80 times. Whereas the averaged heat fluxes on the casing and the blade tip become 2.71 and 2.82 times larger, respectively. Therefore, about 2.8 times larger cooling capacity is required to keep the same turbine material temperature. Furthermore, the maximum heat flux on the blade tip of high turbine inlet temperature case reaches up to 3.348 times larger than that of LTIT case. The effect of the interaction of stator and rotor on heat transfer features is also explored using unsteady simulations. The non-uniform turbine inlet temperature enhances the heat flux fluctuation on the blade tip and casing.

Effects of Inlet Temperature Uniformity and Nonuniformity on the Tip Leakage Flow and Rotor Blade Tip and Casing Heat Transfer Characteristics

High thermal load appears at the blade tip and casing of a gas turbine engine. It becomes a significant design challenge to protect the turbine materials from this severe situation. As a result of geometric complexity and experimental limitations, computational fluid dynamics tools have been used to predict blade tip leakage flow aerodynamics and heat transfer at typical engine operating conditions. In this paper, the effect of turbine inlet temperature on the tip leakage flow structure and heat transfer has been studied numerically. Uniform low (444 K) and high (800 K) inlet temperatures and nonuniform (parabolic) temperature profiles have been considered at a fixed rotor rotation speed (9500 rpm). The results showed that the change of flow properties at a higher inlet temperature yields significant variations in the leakage flow aerodynamics and heat transfer relative to the lower inlet temperature condition. Aerodynamic behavior of the tip leakage flow varies significantly with the distortion of turbine inlet temperature. For more realistic inlet condition, the velocity range is insignificant at all the time instants. At a high inlet temperature, reverse secondary flow is strongly opposed by the tip leakage flow and the heat transfer fluctuations are reduced greatly.

Effect of turbine inlet temperature on blade tip leakage flow and heat transfer

One of the most critical gas turbine engine components, rotor blade tip and casing, are exposed to high thermal load. It becomes a significant design challenge to protect the turbine materials from this severe situation. As a result of geometric complexity and experimental limitations, Computational Fluid Dynamics (CFD) tools have been used to predict blade tip leakage flow aerodynamics and heat transfer at typical engine operating conditions. In this paper, the effect of turbine inlet temperature on the tip leakage flow structure and heat transfer has been studied numerically. Uniform low (LTIT: 444 K) and high (HTIT: 800 K) turbine inlet temperature have been considered. The results showed the higher turbine inlet temperature yields the higher velocity and temperature variations in the leakage flow aerodynamics and heat transfer. For a given turbine geometry and on-design operating conditions, the turbine power output can be increased by 1.48 times, when the turbine inlet temperature increases 1.80 times. Whereas the averaged heat fluxes on the casing and the blade tip become 2.71 and 2.82 times larger, respectively. Therefore, about 2.8 times larger cooling capacity is required to keep the same turbine material temperature. Furthermore, the maximum heat flux on the blade tip of high turbine inlet temperature case reaches up to 3.348 times larger than that of LTIT case. The effect of the interaction of stator and rotor on heat transfer features is also explored using unsteady simulations.

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Projecto e concepção de instalação frigorífica a NH3, para uma unidade de congelação de frangos em contínuo, na Venezuela

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