Categoria: 2018

Título

    ANÁLISE NUMÉRICA DA CONDUÇÃO TÉRMICA TRANSIENTE PARA DIFERENTES FLUIDOS EM UM TUBO ABSORVEDOR

Orientador(a)

    Profª. Elisa Pinto da Rocha

Resumo

    Esse trabalho apresenta a simulação do perfil de temperatura no tubo absorvedor de uma calha parabólica solar, o qual poderá ser usado para determinar a viabilidade térmica do projeto CSP na UFRJ-Macaé. As simulações foram desenvolvidas pelo próprio autor utilizando o programa Matlab aplicando o método das Diferenças Finitas, onde são analisados os fenômenos térmicos que ocorrem no fluido presente no interior do tubo, durante o processo de aquecimento feito pela estrutura. Foram analisados 3 fluidos (Therminol66, Syltherm 800 e Therminol VP-01) sendo exposto a dois valores diferentes de fluxo de calor, um máximo e um mínimo, de acordo com dados experimentais de irradiação fornecidos pelo LaMet (Laboratório de Meteorologia) da UENF para a região de Macaé. Posteriormente foi realizado um estudo na variação do coeficiente convectivo todos os fluidos, objetivando observar o comportamento deles sobre diferentes situações climáticas. Com os resultados obtidos foi possível observar que o Syltherm 800 apresentou a maior temperatura obtida em menor tempo quando comparado aos outros fluidos; enquanto que o Therminol VP-01 apresentou um comportamento de estabilidade que também pode ser interessante. Também foi notado que a definição da operação depende de estudos que vão além da transferência de calor, buscando um ponto que correlacione da melhor forma tempo, temperatura e energia elétrica gerada.

Abstract

    This work presents the simulation of the temperature profile in the absorber tube of a solar parabolic trough, which can be used to determine the thermal viability of the CSP project at UFRJ-Macaé. The simulations were developed by the author using the Matlab program applying the Finite Difference method, where the thermal phenomena that occur in the fluid inside the tube during the heating process are analyzed. Three fluids (Therminol66, Syltherm 800 and Therminol VP-01) were analyzed and exposed to two different values of heat flux, a maximum and a minimum, according to experimental data from the UENF LaMet (Meteorology Laboratory) for the region of Macaé. Afterwards a study was carried out on the variation of the convective coefficient of all fluids, aiming to observe their behavior on different climatic situations. With the results obtained it was possible to observe that the Syltherm 800 presented the highest temperature obtained in a shorter time when compared to the other fluids; while Therminol VP-01 showed a stability behavior that may also be interesting. It was also noted that the definition of the operation depends on studies that go beyond the transfer of heat, seeking a point that correlates in the best way time, temperature and electric energy generated.

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Título

    CONFIGURAÇÃO DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO DE 5 KW E DIMENSIONAMENTO TÉRMICO DE SEU CONDENSADOR

Orientador(a)

    Prof. Diego Cunha Malagueta

Resumo

    Atualmente o aumento da demanda energética mundial, a instabilidade dos preços de combustíveis convencionais e a crescente preocupação com o meio ambiente vem tornando cada vez mais necessária a diversificação da matriz energética voltada para fontes renováveis. Uma dessas opções é a energia solar térmica de alta potência, na forma de plantas de geração de energia elétrica através de concentradores solares (CSP). Plantas CSP que operam através de um Ciclo Rankine Orgânico (ORC) têm demonstrado grande viabilidade para o cenário brasileiro, pelo fato de poderem operar com relativamente boa flexibilidade para lidar com variações da DNI (Irradiação solar direta normal) e da carga, num ciclo termodinâmico com temperaturas relativamente baixas e com instalações modulares de fácil implementação.
    O objetivo principal deste trabalho é a configuração do ciclo termodinâmico ORC de 5KW de potência útil, a seleção do fluido de trabalho e o dimensionamento de um condensador que atenderá às demandas deste ciclo. O estudo apresentado possui como principal justificativa o projeto da construção de um protótipo de planta CSP de 5KW no campus UFRJ – Macaé. A metodologia utilizada para as análises do ciclo ORC e seleção do fluido orgânico de trabalho é baseada principalmente nos trabalhos de Tchanche et al. (2009) e Sotomonte (2015). Todo o dimensionamento equacionado do condensador é realizado de acordo com o método presente em Kern (1965). Como resultado deste trabalho foi possível obter o dimensionamento adequado e a apresentação de análises e comentários pertinentes referentes aos resultados e metodologias utilizadas, de maneira que espera-se contribuir para a fabricação deste protótipo, incentivando a nacionalização dos componentes de uma planta CSP-ORC.

Abstract

    Currently, the worldwide increased energy demand, the instability of conventional fuels prices and the rising environmental concerns make the diversification of the energy system focused in renewable sources increasingly necessary. One of these options is the high power solar energy, shaped in concentrated solar power plants (CSP). CSP power plants operating through an Organic Rankine Cycle (ORC) have shown great viability in the Brazilian scenery, due to the fact that it can operate with relatively good flexibility to deal with variable DNI (Direct Normal Irradiance) and load, with relatively low temperatures thermodynamic cycle and modular system of easy implementation.
    The main objective of this project is the configuration of an ORC thermodynamic cycle that generate 5KW of useful power, the working fluid selection and the thermal design of a condenser that meets the demands of the cycle. The major reason of this study is the construction of a 5KW CSP power plant prototype in the UFRJ – Macaé campus. The methodologies used in the analysis of the ORC and selection of the organic working fluid are mainly based in the papers of Tchanche et al. (2009) e Sotomonte (2015). All of the equations used in the condenser design are according with the methodology described by Kern (1965). As result, this work provides a proper design and presents pertinent comments and analysis of the applied methodologies, that contribute to the fabrication of this prototype, encouraging the nationalization of the components of a ORC-CSP power plant.

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    DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE DE MECÂNICA DOS FLUIDOS UTILIZANDO A TÉCNICA SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS

Orientador(a)

    Prof. Bernado Mattos Tavares

Resumo

   Desenvolvido em 1977, por duas linhas de pesquisa paralelas para a resolução de problemas astrofísicos tridimensionais de elevada assimetria, o SPH é um método numérico de abordagem lagrangeana, de partículas e sem malha. A versatilidade do método despertou um intenso interesse da comunidade científica e possibilitou uma rápida extensão de sua aplicação para diversas áreas da ciência e da indústria. A natureza do SPH é representar o fluido por um conjunto de partículas, as quais carregam informações sobre as propriedades físicas e termodinâmicas. As aproximações dos campos de interesse se dão por meio da representação integral de uma função através da convolução da mesma com uma função de suavização que em seguida é discretizada para a implementação computacional. Isto permite que as equações diferenciais parciais sejam reduzidos a simples sistemas equações ordinárias que podem ser resolvidos através de métodos de integração de segunda ordem já consolidados na literatura. Neste trabalho foi desenvolvido um código em C++ para a aplicação do método SPH em 2D a problemas simples de hidrodinâmica de fluidos viscosos sob o efeito do campo gravitacional. E a partir dos dados obtidos foram feitas animações para visualização dos resultados e então disponibilizado o acesso remoto através de códigos QR. O ambiente utilizado para programação foi o Geany, para o tratamento de dados o Gnuplot e para as as animações o GIMP, sendo todos softwares livres. As decisões tomadas acerca da formulação empregada e as rotinas pertinentes do algoritmo foram detalhadas. Foi feito um apanhado do formalismo básico do método e exposto em detalhes, incluindo demonstrações e digressões de tópicos pertinentes para a compreensão da essência do SPH.

Abstract

   Developed simultaneously by two research lines in 1977 to solve astrophysical problems of high asymmetry on a three dimensional space, the SPH is a meshfree particle method that makes use of the Lagrangian approach. Its adaptability aroused an intense interest from the scientific community and made possible a quick extension of its applications to an wide set of industrial and science fields. The SPH nature is to represent the fluid as a set of particles, and each of them carry information about physical and thermodynamic properties. The fields of interest are approximated by the concept of integral representation, wich takes the convolutional integral of that field with a smoothing function. Then it is discretized for implementation purposes. This allows partial differential equations to be reduced into a simple set of ordinary differential equations, which can be solved through the application of any well known integration method. In this work a C++ code was developed to apply the SPH method on a two dimensional space to simple hydrodynamics problems with viscous fluids under the effect of gravitational field. Some animations was created from the obtained data to better visualize the results and then released for remote access through QR codes. The programming environment used was the Geany, for data processing the Gnuplot and for animation’s creation the GIMP, being all of then free softwares. The taken decisions beyond the employed formulation and pertinent algorithm routines were detailed. The basic method formalism was fully approached and exposed in details, including some demonstrations and digressions about some important topics for the comprehension of the SPH’s essence.

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    SOLUÇÕES DE SANEAMENTO ECOLÓGICO PARA AS INSTALAÇÕES DO PARQUE NATURAL MUNICIPAL DO ATALAIA, MACAÉ/RJ.

Orientador(a)

    Prof^a. Beatriz Rohden Becker

Resumo

    O tratamento de esgotos é de interesse mundial por questões sociais, ambientais e econômicas. Dentro de áreas ambientalmente protegidas, como as Unidades de Conservação, o tema tem igual importância e exigências específicas. Sendo assim, os projetos de implantação de Tanques de Evapotranspiração, Wetlands e Banheiros Secos como sistemas de tratamento ecológico de esgoto tornam-se uma alternativa sustentável que proporciona experimentação e educação ambiental aos visitantes da unidade, além da melhoria da qualidade ambiental. Neste trabalho, tais sistemas foram dimensionados para o Parque Natura Municipal do Atalaia, localizado na região de Macaé/RJ e, para tal, foram utilizados dados internos de número de visitantes, plantas das edificações, visitas técnicas e comunicação com funcionários. Os projetos e a orçamentação foram feitos a partir dos dados obtidos, com o auxílio de trabalhos já publicados e de normas ABNT. As soluções particulares às instalações do Parque se mostraram economicamente viáveis e em conformidade com o Plano de Manejo da Unidade de Conservação, colaborando também com seus propósitos e suas normas internas.

Abstract

  Sewage treatment is of global concern because of its social, environmental and economic issues. Within the environmentally protected areas, the so-called “Conservation Units” in Brazil, the subject has the same importance and specific requirements. The implementation of solutions such as Evapotranspiration Tanks, Wetlands and Dry Toilets as ecological sewage treatment systems become a sustainable alternative that provides experimentation and environmental education to the visitors inside the Unit, as well as environmental improvement. In this work, these ecological sewage treatments are proposed to be implemented in the Parque Natura Municipal do Atalaia, located in the region of Macaé/RJ. To dimension the system, internal data such as the number of visitors, building projects, technical visits and communication with employees were used. The projects and the budgeting were performed with the data collected and using published works and technical standards. The private solutions to the Park were economically feasible and in agreement with the Management Plan of the Conservation Unit, also collaborating with its internal purposes and rules.

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  PROJETO DE MÁQUINA TRITURADORA DE GARRAFAS PET

Orientador(a)

Esdras Pereira de Oliveira

Coorientador: Maurício Aguilar Nepomuceno

Resumo

    Este projeto é baseado na necessidade de reciclagem de garradas PET (Polietileno Tereftalato), visando o máximo aproveitamento de espaço posterior para armazenagem, além de proporcionar sua reciclagem para outros fins. Será desenvolvido uma máquina trituradora para granular as garrafas PET. O material é colocado no alimentador e desliza para o rotor, sendo triturado por um conjunto de lâminas rotativas e fixas. O que define a granulometria do material é a peneira posicionada abaixo do rotor. Utiliza-se recursos como softwares, normas, livros e dados empíricos para seleção e dimensionamento de todos os componentes que compõem o sistema. Essa temática foi escolhida para desenvolver e aprofundar os conceitos aprendidos nas disciplinas do segmento de Elementos de Máquinas cursadas ao longo da graduação em Engenharia Mecânica. Como resultado obteve-se um bom projeto de máquina, com peças como chavetas, engrenagens, eixos, mancais, rolamentos e lâminas bem dimensionados e respaldados por normas, que estão alinhados entre si para facilitar uma montagem futura e bom funcionamento da máquina.

Abstract

  This project is based on the need to recycle PET (Polyethylene Terephthalate) bottles, aiming at the maximum utilization of posterior space for storage, besides providing its recycling for other purposes. A crushing machine will be developed to granulate the PET bottles. The material is placed in the feeder and slides to the rotor, being crushed by a set of rotating and fixed blades. The granulometry of the material is define the sieve positioned below the rotor. We use resources such as softwares, standards, books and empirical data to select and scale all the components the make up the system. This theme was chosen to develop and deepen the concepts learned in the disciplines of the Machine Elements segment studied during Mechanical Engineering. As a result, parts such as keys, gears, shafts, bearings and blades are well dimensioned and backed by standards, which are aligned with each other to facilitate assembly and smooth operation of the machine.

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    ANÁLISE DO PERFIL DE TEMPERATURA DO TUBO ABSORVEDOR DE CONCENTRADORES SOLARES POR MEIO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Orientador(a)

    Profª. Elisa Pinto da Rocha

Resumo

    Esse estudo tem como objetivo a descrição do perfil de temperatura no tubo absorvedor de uma calha parabólica solar, o qual será utilizado como dados de entrada para o projeto CSP na UFRJ-Macaé. Foram desenvolvidas simulações através do software COMSOL Multiphysics® analisando os fenômenos de escoamento e transferência de calor entre o fluido térmico e o tubo. As simulações foram realizadas no regime turbulento, modelo k-ε, avaliando-se a eficiência térmica do sistema para quatro fluidos térmicos distintos (Therminol 66, Therminol VP-01, Therminol VP-59 e Syltherm 800) e em função de variações em parâmetros físicos, tais quais a velocidade e temperatura média de entrada. Para finalizar, foram inseridas aletas longitudinais retangulares para análise da intensificação da troca térmica. O Therminol VP-01 se mostrou o mais eficiente para o modelo criado e a aleta de 6 mm de altura e 6 mm de largura promoveu um aumento de eficiência térmica segundo parâmetros da literatura.

Abstract

    This study objectives the description of the temperature profile in the absorber tube of a parabolic trough concentrator which will be used as an input to the CSP project at UFRJ-Macaé. Simulations were developed with COMSOL Multiphysics® analyzing fluid flow and heat transfer phenomena. A turbulent flow was used, with the k-ε model, evaluating the thermal efficiency of the system for four heat transfer fluids (Therminol 66, Therminol VP-01, Therminol VP-59, and Syltherm 800) and for the variation of physical parameters as the inlet velocity and inlet mean temperature. A tube with longitudinal rectangular fins were built to analyze the heat transfer enhancement. Therminol VP-01 were the most efficient heat transfer fluid and the 6 mm height and 6 mm 6 mm width fin increased the thermal efficiency according to the literature.

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   CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA EM LABORATÓRIO DA AREIA DA PRAIA DOS CAVALEIROS – MACAÉ/RJ

Orientador(a)

    Prof. Gustavo Vaz de Mello Guimarães

Resumo

    O presente trabalho apresenta um estudo geotécnico da areia da Praia dos Cavaleiros – Macaé / RJ. Foram realizados diversos ensaios de laboratório com objetivo de caracterizar a areia dessa praia, que pode ser classificada como uma areia média, bem graduada e uniforme. É composta majoritariamente por quartzo e apresenta uma elevada presença de grãos finos, de cor preta, identificados por microscopia digital eletrônica. Seus grãos apresentam formatos subarredondados a arredondados, com densidade real determinada em laboratório. Foram testados seis métodos para obtenção dos valores limites para índice de vazios, comparando métodos da literatura técnica e da norma ASTM. Foi realizada uma bateria de ensaios de cisalhamento direto em três compacidades distintas da areia, variando a tensão normal aplicada ao corpo de prova. O método de pluviação sobre peneiras foi adotado para moldar os corpos de prova nas compacidades pré-determinadas. Os ângulos de atritos foram calculados para cada domínio de compacidade, apresentando variações satisfatórias. O ângulo de atrito no repouso também foi obtido através de um método experimental.

Abstract

     This work presents a geotechnical characterization of a sand of Cavaleiros Beach – Macaé / RJ. A few laboratory tests were carried out to characterize the sand, which can be classified as medium sand, well graded and uniform. It is mainly composed by quartz and contains a high amount of fine grains, of black color, identified by electronic digital microscopy. Its grains have sub rounded to round shapes, with a specific gravity determined in the laboratory. Six methods were tested to obtain limit values of void ratios, comparing methods from the technical literature and the ASTM. Several direct shear tests were performed for three distinct relative densities, varying the normal stress applied to the specimen. The sieving method was used to shape the specimens in the pre-determined relative densities. Friction angles were calculated for each of the three distinct relative densities, presenting satisfactory variations. The friction angle of repose was also obtained by an experimental method.

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    PROJETO ESTRUTURAL DE UM EDIFÍCIO GARAGEM EM ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO E CONCRETO

Orientador(a)

    Prof. Esdras Pereira de Oliveira

Resumo

    Com grandes indústrias a nível mundial no ramo da siderurgia e da mineração o Brasil possui um enorme potencial. Isso unido com os benefícios que uma construção em aço traz, como agilidade e maior precisão na obra, as tornaria muito atrativas se não fosse seu elevado custo. Uma forma de solucionar esta problemática é a utilização de perfis mistos, que com o auxílio do concreto, um material mais barato, conseguem vencer grandes distâncias, com perfis de aço menores e mais baratos. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver um projeto estrutural de um edifício garagem utilizando o sistema construtivo em estruturas mistas de aço e concreto, apresentar uma revisão bibliográfica para o desenvolvimento de um projeto estrutural. Com o intuito de desenvolver novos conhecimentos e exercitar os conceitos aprendidos em sala de aula, esta temática foi escolhida. Foram realizadas pesquisas em manuais do CBCA, livros, dissertações e softwares de análise estrutural, para que a realização deste trabalho fosse possível.

Abstract

    With great industries at a global level in the steel industry and in the mining industry, Brazil has a huge potential which has to be better exploited. This united with the benefits that a steel building comes along with, like agility and more precision in work, would turn them very more attractive if their not so expensive. A way of solving this problem is using mixed structures of steel and concrete, which with concrete helps, a cheaper material, can stand along great distances, with a smaller and lighter steel beam. Thus, this work had as objective to develop a structural project of a garage building using mixed structures of steel and concrete as construction system and to present a bibliographical revision for the development of a structural project. With the intention of developing new knowledge and exercising the concepts learned in the classroom, this theme was chosen. Researches were conducted in CBCA manuals, books, dissertations and structural analysis software, in order to make this work possible.

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    PROJETO ESTRUTURAL DE UM EDIFÍCIO RESIDENCIAL EM WOOD FRAME

Orientador(a)

    Prof. Esdras Pereira de Oliveira

Resumo

    A indústria da construção civil no Brasil precisa se modernizar e melhorar a sua produtividade. O sistema estrutural convencional é o concreto armado, um sistema majoritariamente artesanal e mais suscetível a apresentar elevados índices de desperdício. O desperdício tem impactos em diferentes áreas dentro e fora desta indústria. Além de gerar atrasos no cronograma, comprometer o orçamento e alterar a qualidade do serviço, algumas cidades brasileiras já não possuem locais adequados para dispor os resíduos da construção civil. Os impactos ambientais deste setor são altos desde a extração da matéria prima até o encerramento do ciclo de vida do edifício. Seja na liberação de gases durante fabricação do cimento e dos aços ou, como já citado, na grande quantidade de resíduo gerada. Uma alternativa para todo esse cenário negativo é a utilização da madeira como elemento estrutural. A extração do material, se manejada corretamente, pode auxiliar no combate ao acúmulo de gás carbônico na atmosfera, e o planejamento que a utilização deste material exige, diminuí drasticamente o desperdício no canteiro. Este trabalho tem como objetivo dimensionar um edifício residencial de quatro pavimentos utilizando o wood frame como sistema estrutural, além de apresentar material bibliográfico para futuros trabalhos sobre o tema.

Abstract

   The construction industry in Brazil needs to improve its methods to become more competitive. The main structural system used here is the reinforced concrete, a system predominantly handcrafted and more susceptible to waste. The waste impacts different areas, inside and outside of the construction industry. It can cause delays, affect the budget and jeopardize the quality of the building. In addition to that, some Brazilian cities don’t have a proper place to dispose the rubbish anymore. And the environmental impacts of this sector are high since the extraction and the processing of the raw material. The production of cement and steel emits a large amount of harmful gases, originated in thermal processes. An alternative to this scenario is the use of wood as a structural element. Its production, if done properly, can absorb carbon dioxide from the atmosphere, and the planning that the use of this material requires decreases sharply the waste in construction site. The mains objectives of this work are to design a residential building of four floors using wood frame as the structural system and introduce some bibliography to future works with this theme.

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    PROJETO ESTRUTURAL DE UM GALPÃO EM LIGHT STEEL FRAMING

Orientador(a)

    Prof. Esdras Pereira de Oliveira

Resumo

   A indústria de construção civil sofre aprimoramentos diários e neste sentido o emprego de estruturas leves, em Light Steel Framing, encaixa-se cada vez mais como uma alternativa pratica e sustentável para redução de desperdícios e prazos. Apesar do seu uso já consagrado em estruturas residências de pequeno porte, a adoção deste método construtivo ainda enfrenta resistência quando utilizado em edificações comerciais devido ao desconhecimento das capacidades resistentes destes materiais. Neste sentido, este trabalho busca mostrar que os perfis formados a frio podem desempenhar as mesmas funções dedicadas aos perfis soldados ou laminados. Tendo em vista tal objetivo, realizou-se o dimensionamento de um galpão comercial dotado de ponte rolante com capacidade nominal de 100 kN. Neste trabalho contempla-se a definição dos subsistemas construtivos, esforços, análise estrutural e dimensionamento da estrutura. Para tanto, são utilizado manuais, dissertações e softwares de análise comerciais e desenvolvidos pelo autor ou orientador.

Abstract

    The civil construction industry undergoes daily improvements and in this sense the use of lightweight structures in Light Steel Framing fits increasingly as a practical and sustainable alternative to reduce waste and deadlines. Despite its already conspicuous use in small residential structures, the adoption of this constructive method still faces resistance when used in commercial buildings due to the lack of knowledge of the resistant capacities of these materials. In this sense, this work tries to show that the profiles formed in the cold can perform the same functions dedicated to the welded or rolled profiles. In order to do so, it is
possible to design a commercial shed, equipped with a crane, with a nominal capacity of 100 kN. In this work, it is contemplated the definition of the constructive subsystems, efforts, structural analysis and structure dimensioning. For this, manuals, dissertations and commercial analysis software will be used and developed by the author or supervisor.

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