DEMEC - Departamento do Curso de Engenharia Mecânica

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Análise do impacto da distribuição de ar em ambientes isolados climatizados para pacientes com doenças transmissíveis pelo ar via simulação computacional.
(2022) Pimenta, João Vitor Fernandes de Paula; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Machado, Luiz; Pimenta, Fausto Aloísio Pedrosa; Leal, Elisângela Martins; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Atualmente, o principal método de transmissão de doenças pelo ar é o aerossol. Em ambientes hospitalares tem-se uma grande preocupação no controle desse tipo de disseminação, principalmente no que diz respeito às contaminações cruzadas. Para isso, os estabelecimentos de saúde normalmente possuem ambientes denominados de quartos para isolamento de pacientes com infecção transmitida pelo ar. Esse tipo de ambiente tem por objetivo isolar o ar contaminado interno em relação às áreas e ambientes adjacentes. Para tanto, é necessário manter o quarto em um diferencial de pressão negativo, ou seja, retirar um volume de ar maior do que será insuflado. Mas, uma forma de contaminação cruzada normalmente negligenciada em projetos dessa área é a que atinge o acompanhante e/ou os profissionais que mantém contato com esse paciente. O objetivo desse trabalho é analisar a distribuição de ar nesses ambientes de forma a mitigar essas possíveis transmissões. As análises do ambiente isolado, em diferentes configurações de posicionamento de bocais de ar, são realizadas via simulações computacionais em CFD (Computational Fluid Dynamics), buscando avaliar quais configurações são mais eficientes, considerando a influência das posições do insuflamento e exaustão na distribuição do ar. Dessa forma, o estudo das localizações das aberturas de insuflamento e exaustão permitem estabelecer um controle mais efetivo da disseminação das contaminações, definindo a melhor configuração de distribuição de ar. Com os resultados obtidos, nota-se que, a grelha posicionada atrás da cama, a uma distância de 20cm abaixo do eixo de ocupação, torna o sistema de exaustão mais eficiente nesses ambientes, melhorando assim a mitigação de possíveis contaminações cruzadas. Além disso, a temperatura no ambiente para essa opção de posicionamento de grelha se manteve em um intervalo aceitável para o conforto de 21oC a 24°C.
Análise técnica e econômica do uso de dieselbiodiesel-etanol-hidrogênio como combustíveis em um motor de combustão interna
(2021) Silva, Wilian Nascimento; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Barros, José Eduardo Mautone; Santana, Cláudio Márcio; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Meios sustentáveis em todos os setores ganham cada vez mais destaque durante o passar dos anos, uma vez que a humanidade visa seu desenvolvimento. Porém, a degradação do meio ambiente exige ações e medidas controladas para a sua reconstrução. Embasado neste novo modelo de desenvolvimento, este trabalho tem como principal motivo demonstrar a viabilidade da substituição de combustíveis fósseis por combustíveis oriundos de fontes renováveis e suas misturas em um motor de combustão interna operando por injeção direta de combustível. A análise do uso destes combustíveis foi realizada de forma computacional pelo software Lotus Engine. A partir da análise computacional é realizada a avaliação energética, exergética e econômica, demonstrando com isto, o desempenho dos possíveis substitutos ao óleo diesel. O estudo é realizado em um motor Cummins IBS6.7 no qual os combustíveis são submetidos às simulações com diversos valores do fator  com o intuito de encontrar a melhor configuração de desempenho de cada combustível, uma vez que neste trabalho não éconsiderado qualquer alteração geométrica do motor. Os resultados mostram que as misturas contendo hidrogênio apresentam maiores valores de torque (+11,5%), potência (+14,35%), pressão média efetiva (+14,36%) e eficiências térmica (+3%) e exergética (+21,56%), menores consumos específicos (-35,72%) e custos de operação (variando de -10% a -1%). Por outro lado, apresentam maiores perdas exergéticas o que indica que há espaço para melhoria no equipamento. Os combustíveis contendo etanol apresentam valores intermediários entre as misturas e os combustíveis puros. Assim, a partir da realização de simulações em um software computacional, é mostrado através das análises energética, exergética e econômica a aplicabilidade técnica e econômica destes combustíveis em um motor de combustão interna.
Análise termoeconômica e ambiental da central termelétrica de uma usina siderúrgica integrada a coque simulando numericamente o uso do hidrogênio como combustível auxiliar.
(2021) Coura, Dimas Pereira; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Assis, Paulo Santos; Bortolaia, Luis Antônio; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
A siderurgia apresenta fundamental importância no contexto energético do Brasil, sendo caracterizada como um dos grandes consumidores de eletricidade no país. Para ter competitividade no mercado global, uma indústria siderúrgica precisa apresentar um excelente plano estratégico. Este plano inclui um planejamento energético eficiente, buscando um melhor aproveitamento dos recursos, baixos impactos ambientais e custos operacionais. As centrais termelétricas em ciclo Rankine das usinas siderúrgicas integradas demonstram grande potencial econômico, uma vez que fazem uso dos próprios gases residuais do processo. O objetivo principal deste trabalho é analisar, do ponto de vista termoeconômico, a central termoelétrica de uma indústria siderúrgica, observando a influência da adição de hidrogênio juntamente com os gases do processo siderúrgico. A geração de hidrogênio é pela eletrólise da água, alimentada eletricamente por placas fotovoltaicas. A metodologia compreende o uso de um modelo computacional criado através do software Cycle Tempo versão 5.0. Para validação do modelo, os dados da central termoelétrica são usados, como parâmetro operacionais, variáveis do fluido de trabalho e a descrição dos equipamentos. Após, é realizada a introdução do hidrogênio como combustível auxiliar na caldeira, com avaliação do impacto dessa adição. A modelagem termoeconômica tem como finalidade obter um sistema de equações de custos que representa matematicamente o processo de formação de custos na planta. Em 39 simulações computacionais e 7 cenários de misturas de combustíveis possíveis e realizando a mistura com o gás de alto forno, o gás de coqueria e o gás de aciaria com hidrogênio além da uma análise termoeconômica. Os resultados apontam que até 30% de hidrogênio com o gás de alto forno é possível de se obter eficiência energética e exergética equivalente ao cenário zero, que mais representa a operação na central termoelétrica e ainda reduzir o custo com combustível.
Avaliação de transientes hidráulicos em dutos utilizados para transporte de rejeito de mineração – estudo de caso.
(2022) Alves, Maycon Silva; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Rocha, Luiz Joaquim Cardoso; Bortolaia, Luis Antônio; Santana, Cláudio Márcio; Teixeira, Eder Daniel
O transporte hidráulico de polpas minerais utilizando tubulações, conhecido como mineroduto ou rejeitoduto é um dos principais modais utilizados nos processos de beneficiamento de minérios de ferro. O entendimento dos fenômenos transientes relacionados a tais transportes são de grande importância para otimização de operações e projetos. O trabalho em questão apresenta um estudo de caso que utiliza um software comercial (AFT Impulse) para modelagem dos fenômenos transientes. Tal software utiliza o método das características para solução das equações diferenciais que são discretizadas em pontos específicos da malha, além disso, utiliza o fator de atrito proposto por Brunore para contabilizar as flutuações de velocidade. O modelo computacional é calibrado utilizando-se os dados de vazão, pressão, densidade, nível e rotação, medidos em campo, sendo considerada a condição de parada dos conjuntos motor/bombas para estudo das oscilações de pressão. O trabalho engloba 3 cenários operacionais distintos sendo determinado para cada um deles, as oscilações de pressão em três pontos da rota de tubulação, os valores de celeridade utilizando as teorias de Wood e Kao, Thorley e Liou e os fatores de atrito do primeiro pulso de pressão utilizando um método indireto de decremento logarítmico. Para os casos estudados, as teorias de Wood e Kao e Liou apresentam erros da mesma ordem de grandeza enquanto a teoria de Thorley destoa dos resultados operacionais com maiores erros atribuídos. Não se observa uma diferença significativa nas pressões do sistema em virtude da adoção dos fatores de atrito em regime permanente e transiente, além disso, apesar do método indireto e por similaridade utilizado na determinação dos fatores de atrito reais, os resultados apresentam-se coerentes com o esperado. As pressões transientes calculadas por sua vez, têm bastante discrepância em relação aos valores medidos especialmente na estação de bomba, onde os efeitos de fechamento de válvulas e variação de condições de contorno são mais evidentes. Para os demais pontos de medição considerados, os resultados calculados são aderentes aos medidos. Todas as análises levam a conclusão da possibilidade de aplicação do software para modelagem de sistemas com características similares, exceto quando a vazão de recalque está próxima à velocidade de sedimentação das partículas. Vale salientar a necessidade de correção da rigidez do tubo ao ser adotado revestimento na tubulação.
Avaliação técnica, econômica e ambiental de uma planta de captura e uso de carbono empregando os gases provenientes de um processo siderúrgico : estudo de caso com uma turbina a gás.
(2022) Ribeiro, Natália; Leal, Elisângela Martins; Leal, Elisângela Martins; Guimarães, Luiz Gustavo Monteiro; Assis, Paulo Santos; Bortolaia, Luis Antônio
O presente trabalho visa a análise técnica, econômica e ambiental de uma planta de captura e uso de carbono dos gases de exaustão de um processo siderúrgico para sua conversão em hidrocarbonetos e álcoois de interesse. Nesse sentido, é utilizado inicialmente o fluxograma COFE do CAPE-OPEN para avaliar os parâmetros operacionais a fim de obter um ponto ótimo para a conversão do gás de síntese em metanol. Na primeira análise, são simuladas as seguintes taxas de conversão de carbono em metanol a partir do gás de síntese: 58%-23% CO-CO2; 64%- 17% CO-CO2 e 70%-11% CO-CO2. Na segunda análise, o número de estágios na coluna de destilação é variado de 20 a 60 estágios. Para essas condições, a conversão de 58% de monóxido de carbono e 23% de dióxido de carbono em metanol é a menos atrativa. Em relação a alteração do número de estágios da coluna de destilação, a de 20 estágios representa a melhor opção. Posteriormente, o software CEA é utilizado para avaliar o comportamento das frações molares do gás de síntese em um reator de deslocamento água-gás. A melhor faixa de parâmetros operacionais obtidos é de 200 a 250oC para temperatura e 4,5 MPa para pressão e relação H2/CO2 de 2,0. Em seguida, é realizado um estudo sobre a cinética e a influência do reator de leito fixo adiabático e do catalisador comercial Cu/ZnO/Al2O3 na síntese de Fischer Tropsch para a formação de metanol e etanol. Através desse, é observado que, para a conversão em metanol, quanto maior a razão H2/CO2 maior a formação desse produto e menor a fração de CO2. Já para a formação de etanol, percebe-se que as frações desse combustível e de CO2 diminuem com o aumento da razão H2/CO2. Por fim, é realizado um estudo de caso contendo as análises exergoeconômica e exergoambiental de uma turbina a gás tendo como combustível o metanol. A menor eficiência exergética obtida no ciclo é a do compressor (27,02%) enquanto a maior é da câmara de combustão (48,63%). Em relação ao fator exergoeconômico, o menor valor é apresentado pela câmara de combustão, o que representa uma menor possibilidade de reduzir as irreversibilidades no equipamento. A turbina é o componente que apresenta a maior taxa de impacto ambiental, enquanto a câmara de combustão é o equipamento que demonstra maior facilidade de redução desse tipo de impacto, uma vez que apresentou um valor de indicador superior aos demais. Dessa forma, os resultados mostram que é possível a partir do gás de síntese produzir combustíveis que podem ser aplicados em equipamentos como a turbina a gás e além disso promover alterações que visam aumentar a eficiência com vistas a sustentabilidade.
Estudo técnico-econômico da implementação de sistemas de aquecimento em biodigestores anaeróbicos de modelo indiano.
(2023) Lopes, Felipe Fernandes; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Valdieiro, Antônio Carlos; Leal, Elisângela Martins
A conversão de resíduos orgânicos em biogás pelo processo de digestão anaeróbia gera bene- fícios ambientais ao reduzir as emissões de metano e econômicos pelo aproveitamento do gás produzido. Em pequenas propriedades rurais esta conversão pode ser realizada por biodiges- tores anaeróbios de baixo custo, como os de modelo indiano, processando dejetos de animais. Conforme sustentado pela bibliografia, melhores eficiências de conversão podem ser obtidas ao se estabelecer condições ótimas de temperatura para a atividade das bactérias metanogêni- cas. Diferentes metodologias podem ser aplicadas para o aquecimento do substrato orgânico nos biodigestores, neste trabalho são avaliados parâmetros técnicos e econômicos da proposta de implementação de dois sistemas de aquecimento em um biodigestor anaeróbio de modelo indiano tomado como base para o estudo de caso. São coletados dados experimentais de pro- dução volumétrica de biogás, composição química e séries temporais de temperaturas internas e externas. A partir dos dados experimentais é verificada a correlação entre as temperaturas internas e externas e a produção de biogás associada, sendo obtidas correlações positivas mo- deradas entre a temperatura do solo e as temperaturas interna e do ar ambiente. As correlações envolvendo a produção de biogás são positivas fracas. Os dados experimentais de temperatura são utilizados para determinar o aporte térmico necessário para manutenção da temperatura ótima no substrato. Para fornecer o aporte térmico requerido são propostos dois sistemas de aquecimento, um baseado no aproveitamento da energia solar por meio de coletores solares de tubos evacuados ou placas planas e outro baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape de um conjunto motogerador alimentado com biogás. Os sistemas baseados em coletores solares incluem reservatórios térmicos equipados com apoios elétricos para manutenção da temperatura em períodos de insuficiência de energia solar coletada. São realizadas simulações da operação do sistema de aquecimento solar para determinar o consumo de energia elétrica associado à ativação do apoio elétrico. Para o cálculo dos parâmetros econômicos, a produção adicional de biogás obtida pelo aquecimento é estimada a partir dos resultados da bibliografia e a receita associada é estimada pela equivalência energética do biogás produzido para com o gás liquefeito de petróleo. Os cálculos econômicos indicam inviabilidade do sistema de aquecimento baseado nos coletores solares. O sistema de aquecimento baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape do conjunto motogerador apresenta viabilidade financeira, mas é considerado tecnicamente inviável devido a insuficiência de produção volumétrica de biogás para abastecimento do conjunto, conforme especificações do fabricante e dados experimentais obtidos. A instalação de coletores solares adicionais viabiliza a implementação do sistema de aquecimento solar. Entretanto, a construção de uma unidade duplicata do biodigestor objeto do estudo de caso apresenta resultado financeiro 146% maior e período para retorno do investimento 65% menor, sendo portanto a solução recomendada para otimização da produção de biogás.
Modelo de simulação e análise termodinâmica e econômica de microturbinas a gás em operação com biogás e gás natural e acionamento fotovoltaico do compressor.
(2021) Trindade, Gustavo Sana; Bortolaia, Luis Antônio; Bortolaia, Luis Antônio; Machado, Luiz; Leal, Elisângela Martins; Murta, Jorge Luiz Brescia
O crescente aumento da demanda por eletricidade no Brasil e no mundo aliado à preocupação ambiental devido à emissão de poluentes está motivando a investigação e desenvolvimento de fontes sustentáveis de energia e a interação entre elas. Nesse contexto, a geração de energia elétrica por meio do aproveitamento da energia oriunda do Sol e de resíduos sólidos urbanos pode ser uma opção efetiva para diversificação da matriz energética brasileira. Portanto, no intuito de ratificar essa tendência, o foco deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo de simulação termodinâmico para análise de microturbinas a gás de 30 kWe, 65 kWe e 200 kWe sob operação com biogás ou gás natural e acionamento fotovoltaico do compressor. Em termos metodológicos, o software Engineering Equation Solver foi utilizado como ferramenta de cálculo para resolução do modelo termodinâmico em regime permanente elaborado para a construção de tabelas paramétricas e gráficos que permitem avaliar o desempenho das máquinas térmicas convencional e híbrida em cidades escolhidas como representantes para as 5 regiões brasileiras. O software Radiasol 2 foi utilizado para aquisição dos dados de insolação ao longo do ano. As microturbinas híbridas apresentam menor consumo específico de combustível, visto que não há necessidade de descontar a potência produzida na turbina para acionar o compressor quando a eletricidade produzida pelos painéis fotovoltaicos é suficiente. Além disso, uma análise econômica é proposta para avaliar a viabilidade econômica dos projetos. Os resultados termodinâmicos mostraram que o consumo específico de combustível para microturbinas híbridas é sempre menor que metade do determinado para microturbinas convencionais. Os resultados econômicos mostraram que a hibridização de microturbinas a gás com energia fotovoltaica é sempre vantajosa para os parâmetros de entrada considerados, mesmo na região sul, onde a radiação solar é menos intensa e a energia adquirida pelas concessionárias é mais barata. Tempos de retorno do investimento são menores que o tempo de vida útil dos equipamentos, receitas positivas são encontradas e o valor da eletricidade gerada pelos meios propostos em muitos casos é menor que o pago atualmente para as concessionárias. Em Belém (PA), por exemplo, tempos de retorno do investimento menores que seis anos e receitas financeiras para 25 anos da ordem de dezenas de milhões de reais são encontrados.
Study of the project parameters influence in the performance of solar collectors.
(2019) Mapa, Lidianne de Paula Pinto; Mendes, Bárbara de Morais; Bortolaia, Luis Antônio; Leal, Elisângela Martins
This paper aims to observe the influence of design parameters on the performance of plane solar collectors. From the energy balance of the plane solar collector, the mathematical model was implemented varying the following design parameters: (i) Thickness of the absorber plate; (ii) Distance between the absorber and the cover; (iii) Edge insulation thickness; (iv) Absorber emittance; (v) Conductivity of the absorber; (vi) Convective heat transfer coefficient inside the tubes; (vii) Distance between tubes; (viii) Wind velocity; (ix) Solar radiation incident; and (x) Back insulation thickness. These parameters were altered observing the influence on the optical efficiency; the coefficient of energy loss; the instantaneous efficiency; and the useful energy gain. From the results, it is possible to see that the parameters that most influence the performance of the solar collector are the distance between the absorber and the cover, the absorber emittance, the thermal conductivity of the absorber, the distance between tubes, wind speed and solar radiation incident.
Technical analysis of a hybrid solid oxide fuel cell/gas turbine cycle.
(2019) Leal, Elisângela Martins; Bortolaia, Luis Antônio; Leal Júnior, Amauri Menezes
The relatively high operating temperature of the solid oxide fuel cell allows for a highly efficient conversion to power, internal reforming, and high-quality by-product heat for cogeneration or a bottoming cycle. Besides, high-temperature fuel cells offer a good opportunity for coupling to a gas turbine. Fuel cell systems have demonstrated minimal air pollutant emissions and low greenhouse gas emissions. This paper focuses on the investigation and technical analysis of a direct internal reforming solid oxide fuel cell (DIR-SOFC) and a gas turbine (GT) system. The technical analysis comprises of an energy and exergy analysis of the hybrid cycle, using the Gibbs function minimization technique for the methane steam reforming process. The assessment is performed to determine the influence of the hybrid cycle operating temperature and pressure, steam-to-carbon ratio and fuel and oxidant usage in the fuel cell. Equilibrium calculations are made to find the ranges of inlet steam-to-carbon ratio and the operating current density of the fuel cell. After that, a hybrid system consists of a DIR-SOFC and a GT is evaluated using computer simulation. The results showed that the fuel cell is the main power producer system at the design point. The high-energy efficiency (around 62%) and exergy efficiency (around 58%) are achieved by the hybrid cycle compared to fuel cell efficiency (about 40%) and the GT (around 38%). The power ratio (SOFC/GT) found was 1.50. An analysis varying the fuel cell current density and the GT pressure ratio was performed showing that the fuel cell power production decreases about 7% with increasing current density when the GT becomes the main power-producing equipment. However, the system energy efficiency decreases with the reduction of power produced by the fuel cell.

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