Teses em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (Doutorado) - PRODERNA/ITEC

URI Permanente para esta coleçãohttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/4045

O Doutorado Acadêmico inicou-se em 2006 e pertence ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (PRODERNA) do Instituto de Tecnologia da UFPA (ITEC) da Universidade Federal do Pará (UFPA).

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Acesso aberto (Open Access)
Uma abordagem matemática aplicada ao projeto de turbinas hidrocinéticas e eólicas com difusor utilizando a teoria do elemento de pá
(Universidade Federal do Pará, 2019-04-30) VAZ, Déborah Aline Tavares Dias do Rio; VAZ, Jerson Rogério Pinheiro; http://lattes.cnpq.br/1623983294183975
Estudos têm demonstrado que é possível aumentar significativamente a potência gerada por uma turbina quando se utiliza um difusor. Este efeito desperta interesse, pois mostra teoricamente a possibilidade de atingir um coeficiente de potência cerca de 2 vezes maior que uma turbina comum. No entanto, o efeito da eficiência do difusor não havia sido implementado até então na Teoria do Elemento de Pá (BEM), bem como a otimização de rotores eólicos e hidrocinéticos sob efeito difusor. Assim, este trabalho apresenta uma nova abordagem matemática destinada ao projeto de turbinas hidrocinéticas considerando o efeito difusor. Com base no BEM, novas expressões para o fator de indução axial e empuxo foram obtidas, nas quais tanto a eficiência quanto o carregamento gerado sobre um difusor foram considerados, além da utilização do critério do coeficiente mínimo de pressão para evitar cavitação no processo de otimização da corda de um rotor hidrocinético. Uma extensão da formulação existente na literatura para o cálculo do coeficiente de potência a casos em que a perda no difusor é considerada através da inclusão dos termos de eficiência (𝜂𝑑) e razão de área (β) no balanço de energia para turbinas ideais em dutos foi desenvolvida. Para avaliar o modelo proposto, um estudo comparativo de dois difusores diferentes (difusor cônico-flangeado e difusor lenteflangeado) foram realizados. Avaliações para turbina e difusor foram realizadas usando dados experimentais disponíveis na literatura. Resultados numéricos e teóricos foram comparados para uma turbina equipada com um difusor de eficiência 83%. A diferença relativa observada para o coeficiente de potência máximo entre o modelo proposto e um modelo de disco atuador com difusor foi de cerca de 5,3%. Para a turbina hidrocinética com difusor cônico-flangeado, a vazão mássica é cerca de 20% maior do que para uma turbina de escoamento livre, enquanto que para a turbina com difusor lente-flangeado, o aumento foi de apenas 2,4%. Além disso, para o difusor cônico-flangeado, a potência foi aumentada em 53%. Observou-se que o modelo do elemento de pá proposto com difusor obteve boa concordância com o modelo numérico, proporcionando melhores resultados em comparação com outras abordagens disponíveis na literatura. O modelo de otimização de corda proposto demonstra resultados satisfatórios em relação a prevenção da cavitação.
Acesso aberto (Open Access)
Aço inoxidável nanoestruturado produzido via soldagem a arco elétrico.
(Universidade Federal do Pará, 2021-07-08) LOAYZA, Cristhian Ricardo; BRAGA, Eduardo de Magalhães; http://lattes.cnpq.br/4783553888547500
Métodos de fabricação de compósitos de aço inoxidável nanoestruturados (CAIN) ainda não foram desenvolvidos com aplicabilidade industrial. Para corrigir tal carência, investigou-se a possibilidade de incorporar nanopartículas por soldagem a arco elétrico, usando uma vareta tubular preenchida com fluxo nanoestruturado composto de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) e partículas de aço inoxidável 304L. Este fluxo foi fabricado por dois métodos diferentes: síntese mecânica (SM) e tratamento químico (TQ) com peróxido de hidrogênio. O segundo mostrou resultados mais promissores usando controle dos parâmetros cinéticos de tempo e temperatura, obtendo um menor grau de carbono amorfo, impurezas e defeitos, incrementando por sua vez a cristalinidade e interação dos nanotubos com a matriz metálica. A adição de NTCPM diminuiu em 64% o tamanho do grão, quando comparado com o revestimento de aço inoxidável, possuindo uma matriz austenítica com precipitação de carbonetos nos espaços interdendríticos e contornos do grão. A microdureza incrementou 45% e a taxa de erosão por cavitação vibratória decresceu 64%, em relação ao revestimento de AISI 304L. Adicionalmente, as análises por raios X mostraram uma redução da fase γ(200) e um crescimento da γ(111), após o processo de cavitação. O método de fabricação dos nanocompósitos se mostrou viável economicamente e com possibilidade de imediata aplicação a grande escala.
Acesso aberto (Open Access)
Adsorção de ciprofloxacino e norfloxacino em solução aquosa por carvão ativado produzido a partir da casca do cupuaçu (theobroma grandiflorum)
(Universidade Federal do Pará, 2024-09-19) NASCIMENTO, Rafael Alves do; COSTA, Cristiane Maria Leal; http://lattes.cnpq.br/0581730621014796; FARIA, Lênio José Guerreiro de; http://lattes.cnpq.br/7428609361678173; https://orcid.org/0000-0002-9534-9998
O uso extensivo de antibióticos tem causado diversas consequências negativas para o meio ambiente e a saúde humana. As fluoroquinolonas (FQs), presentes no ambiente aquático, são especialmente preocupantes. Este estudo investigou a remoção de ciprofloxacino (CIP) e norfloxacino (NOR) de soluções aquosas utilizando carvão ativado derivado da casca do cupuaçu (CAC), um adsorvente não convencional e de baixo custo. O CAC foi caracterizado fisico-quimicamente e os experimentos de adsorção seguiram o planejamento de BoxBehnken, avaliando os efeitos do tempo de contato, concentração de adsorvato e dosagem de adsorvente sobre a remoção e capacidade de adsorção de CIP e NOR. As condições ótimas do processo de adsorção foram determinadas pela função de desejabilidade, e sob essas condições foram realizados os experimentos cinéticos, isotérmicos e termodinâmicos de adsorção. O CAC apresentou um rendimento similar (50,22%) ao de outros carvões ativados com H3PO4, baixa umidade (4,81%) e cinzas (4,27%). Grupos funcionais ácidos foram identificados no CAC em maior quantidade (3,982 mg Eq/g) do que os básicos (0,092 mg Eq/g), e o pHPcz encontrado foi de 3,85. Uma alta área superficial foi quantificada (1335,66 m²/g), com volume e diâmetro médio de poros de 0,753 cm³/g e 2,206 nm, respectivamente. Devido às características zwiteriônicas de CIP e NOR, a adsorção foi mais eficiente em pH 5,0. Nessa condição, o CAC assume um caráter básico e como as moléculas de CIP e NOR estão predominantemente em suas formas catiônicas, a interação eletrostática é facilitada. As condições ótimas para a adsorção de CIP foram: tempo de 266,40 min, concentração de 192 mg/L e dosagem de 0,57 g/L; para NOR, 273,60 min, 186 mg/L e 0,55 g/L. O modelo de pseudo-segunda ordem (PSO) e o modelo de resistência à transferência de massa externa (EMTR) melhor ajustaram-se aos dados experimentais, indicando que a difusão de massa externa foi a etapa controladora da adsorção. O modelo de Langmuir indicou que a adsorção ocorreu em monocamada, com capacidades de adsorção de CIP de 6,02 mg/g e NOR de 5,70 mg/g. A análise termodinâmica revelou que a adsorção de CIP e NOR em CAC envolve predominantemente fisissorção. O mecanismo sugerido para a adsorção de CIP e NOR em CAC pode envolver forças eletrostáticas, interações π-π e ligações de hidrogênio. A regeneração do CAC foi mais eficaz com NaOH, mas após dois ciclos de utilização, a porcentagem de remoção de CIP e NOR diminui para menos de 50%. Assim, o CAC se mostrou um adsorvente eficaz e de baixo custo para a remoção de CIP e NOR, contribuindo também para o reaproveitamento da biomassa do cupuaçu
Acesso aberto (Open Access)
Análise da transferência de calor convectiva por transformada integral em canais com paredes onduladas
(Universidade Federal do Pará, 2019-12-13) MIYAGAWA, Helder Kiyoshi; QUARESMA, João Nazareno Nonato; http://lattes.cnpq.br/7826389991864785; https://orcid.org/0000-0001-9365-7498
A abordagem híbrida numérica-analítica conhecida como Técnica de Transformação Integral Generalizada (GITT) é empregada na solução das equações de Navier-Stokes e de energia que matematicamente modelam a transferência de calor convectiva em canais com paredes onduladas. O escoamento é considerado laminar, incompressível e bidimensional envolvendo um fluido newtoniano com propriedades físicas independentes da temperatura, enquanto as temperaturas das paredes são mantidas constantes ao longo do comprimento do canal. É adotada a formulação de função corrente, que elimina o campo de pressão e satisfaz automaticamente a equação de continuidade. Extensivas análises de convergência são realizadas para os campos de função corrente e de temperatura, bem como para o produto do fator de atrito pelo número de Reynolds e para o número de Nusselt local, a fim de demonstrar a robustez do método. A verificação dos resultados da GITT também é realizada comparando a velocidade da linha central, o produto do fator de atrito pelo número de Reynolds, a temperatura média e o número de Nusselt local com resultados obtidos com o software comercial de simulação COMSOL Multiphysics demonstrando boa concordância. Também é analisada a influência dos parâmetros, como o número de Reynolds, amplitude da parede ondulada, número de ondas e fase entre as corrugações das paredes nos campos de velocidade, temperatura e geração de entropia, demonstrando sua importância para a intensificação de transferência de calor convectiva e para a otimização energética.
Acesso aberto (Open Access)
Análise das distorções e tensões residuais em painéis enrijecidos soldados com FCAW robotizado e CW-FCAW
(Universidade Federal do Pará, 2022-04-22) RODRIGUES, Lino Alberto Soares; BRAGA, Eduardo de Magalhães; http://lattes.cnpq.br/4783553888547500
Comprovada a influência das imperfeições de soldagem sob a forma de distorções e tensões residuais na resistência de painéis enrijecidos, o monitoramento dos níveis destas imperfeições torna-se um critério de segurança, tendo em vista a incerteza das perdas reais de resistência do painel, sem ter medido as magnitudes destas imperfeições de soldagem. Assim, este trabalho trata da medição dos níveis de distorções e tensões residuais por difração de raios X e birrefringência ultrassônica em painéis enrijecidos. Primeiramente, selecionou-se a melhor de três sequências de soldagem utilizando soldagem FCAW robotizado. A sequência 03 apresentou níveis de distorções até 10 vezes menos e um nível de tensões residuais mais próxima da neutralidade (±100 MPa) comparada as sequências 01 e 02. Em seguida, utilizando a sequência 03 foram soldados painéis utilizando o processo CW-FCAW com 40% de arame frio e velocidades de soldagem de 100 m/min e 120 m/min. Os resultados mostraram que o percentual de arame frio com elevadas velocidades de soldagem não diminuíram as distorções, porém influenciam no nível de tensões residuais, levando a tensões mais próximas da linha neutra (±100 MPa) em média.
Acesso aberto (Open Access)
Análise de vibrações mecânicas em estruturas esbeltas e flexíveis, como cordas e vigas, sujeitas à movimentação axial utilizando a técnica da transformada integral generalizada
(Universidade Federal do Pará, 2024-05-28) PORFÍRIO, Rogilson Nazaré da Silva; MACÊDO, Emanuel Negrão; http://lattes.cnpq.br/8718370108324505; QUARESMA, João Nazareno Nonato; http://lattes.cnpq.br/7826389991864785; https://orcid.org/0000-0001-9365-7498
A análise dinâmica das vibrações em estruturas flexíveis é de extrema importância na engenharia e representa um desafio significativo para sua resolução. Este estudo tem como objetivo investigar estruturas esbeltas e flexíveis, como cordas e vigas, que oscilam em apoios do tipo engastado-engastado e engastado-massa concentrada, os quais determinam as condições de contorno do problema em análise. Utilizando a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), para converter a equação diferencial parcial desenvolvida nessa pesquisa pelo método de Hamilton em uma equação diferencial ordinária, otimiza o processo numérico e controla eficientemente o erro relativo dos cálculos. Neste estudo, desenvolveu-se e aplicou-se um método inovador que trata as condições de contorno sem recorrer ao uso de filtros para homogeneizar a equação. A metodologia de cálculo estabelecida foi implementada em Fortran, utilizando a sub-rotina DIVPAG da IMSL. Uma análise abrangente da convergência e estabilidade do método foi conduzida, considerando o comportamento de quatro modelos de cordas e dois modelos de vigas como referência. A validação do método abordou aspectos funcionais, como deslocamento transversal, velocidades do sistema, frequências e amortecimento, comparando os resultados obtidos pela GITT com outros estudos anteriores que empregaram as mesmas condições de simulação. Os resultados foram satisfatórios, evidenciando a relevância da aplicação dessa técnica de análise. Além disso, avaliou-se a aplicabilidade do método em diferentes configurações vibracionais de cada modelo, demonstrando seu grande potencial como uma solução para problemas envolvendo as estruturas analisadas. Portanto, este estudo representa uma contribuição significativa para o avanço do conhecimento na modelagem dinâmica de estruturas esbeltas e flexíveis e destacar a influência das condições de contorno nas características vibracionais dessas estruturas. Além disso, introduz uma metodologia inovadora ao tratar as condições de contorno sem o uso de filtros, ampliando as possibilidades de análise e compreensão desse campo específico da engenharia.
Acesso aberto (Open Access)
Análise do escoamento magnetohidrodinâmico micropolar de sangue e da captura magnética de nanopartículas em vasos sanguíneos
(Universidade Federal do Pará, 2025-05-09) PONTES, Fábio de Andrade; MIYAGAWA, Helder Kiyoshi; http://lattes.cnpq.br/5848592858919971; MACÊDO, Emanuel Negrão; http://lattes.cnpq.br/8718370108324505
O objetivo do presente trabalho é analisar numericamente o escoamento pulsátil magnetohidrodinâmico bidimensional transiente de sangue micropolar considerando as transferências de calor, massa e quantidade de movimento através de um vaso sanguíneo na presença de campo magnético aplicado na região de uma estenose simétrica. O escoamento é considerado laminar e incompressível e as nanopartículas magnéticas são injetadas no vaso sanguíneo e capturadas pela ação do campo magnético na estenose. O Método das Linhas (MOL) foi aplicado na discretização espacial da variável radial do modelo original 2Dtransiente transformando-o em um sistema de EDPs 1D-transientes, o qual foi resolvido numericamente pela subrotina NDSolve do software Mathematica 13.1. Os resultados do MOL convergido são verificados com os resultados gerados pela subrotina NDSolve aplicada diretamente no modelo original 2D-transiente e ambas são também comparadas com uma solução analítica obtida para o caso limite, obtendo uma boa concordância entre elas. São estudados os efeitos de parâmetros do modelo físico como os números de Lewis, Hartmann e Womersley, a constante cinética de morte de nanopartículas e o número de Biot de massa. Os resultados evidenciam que na estenose o escoamento é desacelerado devido ao campo magnético, bem como a microrrotação. O campo de fração de nanopartículas também é afetado pela presença do campo magnético, sendo a concentração aumentada na região da estenose. A velocidade e a microrrotação médias aumentam na estenose devido ao estreitamento do lúmen arterial. A temperatura e fração volumétrica de nanopartículas médias também são elevadas na região estenótica devido à ação do campo magnético.
Acesso aberto (Open Access)
Análise do processo de despolimerização de resíduos de resinas dentárias à base de pmma em diferentes escalas de produção
(Universidade Federal do Pará, 2024-06-26) RIBEIRO, Haroldo Jorge da Silva; MACHADO, Nélio Teixeira; http://lattes.cnpq.br/5698208558551065; BORGES, Luiz Eduardo Pizarro; http://lattes.cnpq.br/8756886156388456; https://orcid.org/0000-0002-2337-4238
Nos últimos anos, o uso crescente de plásticos trouxe benefícios econômicos e industriais, mas também gerou um aumento significativo na quantidade de resíduos, representando um desafio ambiental global. Nesse contexto, a pirólise emerge como uma tecnologia promissora, oferecendo potenciais soluções para lidar com o problema crescente dos resíduos plásticos e promover uma economia circular mais sustentável. Este trabalho investigou a decomposição térmica de resíduos dentários à base de poli(metacrilato de metila) (PMMA), com foco na caracterização termodinâmica e na otimização dos processos de pirólise em diferentes escalas de produção. As análises de Termogravimetria (TG) mostraram que os resíduos de PMMA são estáveis até 200 ºC, iniciando a degradação com perda progressiva de massa a partir dessa temperatura. A decomposição térmica foi observada em um único estágio, com um pico de decomposição a 366 ºC, dentro da faixa de 327 ºC a 405 ºC, predominantemente devido à despolimerização radical sob atmosferas inertes de nitrogênio e argônio. A análise de calor por DSC indicou um pico endotérmico entre 370 ºC e 433 ºC, destacando a complexidade dos processos envolvidos na pirólise. A caracterização energética revelou valores de 423 J/g para o calor integral, 1748 J/g para o calor de gaseificação e aproximadamente 820 J/g para o calor de decomposição, evidenciando discrepâncias que requerem investigações adicionais para compreensão completa. Em estudos com reatores de leito fixo semibatelada, observou-se que o gradiente de temperatura ao longo do leito teve impacto adverso no rendimento líquido e na concentração de MMA, especialmente nas escalas técnica e piloto, onde o gradiente foi mais pronunciado devido à espessura maior do leito. Duas variáveis críticas foram identificadas: a carga do reator e a carga de potência, cuja redução em escalas maiores resultou em temperaturas de pirólise mais baixas, impactando negativamente a produção de MMA. Além disso, foi constatado que as bordas do leito fixo apresentavam temperaturas mais altas, o que aumentou a produção de gás e reduziu o rendimento líquido. A análise da fração líquida revelou uma predominância de MMA no início da reação, com uma transição gradual para hidrocarbonetos aromáticos nos estágios finais, associada à pirolise de carvão remanescente, que se forma em maior quantidade com o aumento da escala de produção. Os resultados destacam a eficácia de temperaturas abaixo de 450 ºC na produção de frações líquidas ricas em MMA, mesmo em condições de gradiente de temperatura, ressaltando a importância de taxas de aquecimento moderadas para uma despolimerização eficiente em sistemas semibatelada. Essas descobertas oferecem informações valiosas para o design de reatores e são fundamentais para a avaliação econômica e otimização de processos de reciclagem de PMMA via pirólise em diferentes escalas de produção
Acesso aberto (Open Access)
Análise energética, exergética e tecnoeconômica de um sistema de condicionamento de ar baseado na regulação natural da energia solar em condições climáticas da Amazônia
(Universidade Federal do Pará, 2023-09-01) SANTOS, Elson Costa dos; MACÊDO, Wilson Negrão; http://lattes.cnpq.br/3386249951714088
Este trabalho investiga o comportamento de um sistema de condicionamento de ar fotovoltaico, sem baterias ou conexão à rede elétrica, operando de acordo com a regulação natural da energia solar, em condições climáticas da Amazônia, uma região com desafios energéticos significativos, onde em muitas localidades, crianças, adolescentes, adultos e idosos vivem sem um dos principais insumos para o desenvolvimento das atividades produtivas, educacionais, de lazer e até mesmo de subsistência. Os resultados da simulação indicam que um sistema alimentado por um gerador fotovoltaico de 1400 Wp pode manter condições de conforto térmico, com temperaturas entre 20 °C e 26 °C e umidade relativa entre 40% e 80%, por quase metade do tempo de operação e sem nenhum controle ativo. Análises exergéticas revelam variações de eficiência e irreversibilidade dos componentes ao longo do dia, com maior impacto no sistema fotovoltaico, seguido pelo compressor, condensador, evaporador e válvula de expansão. Além disso, a análise econômica mostra que a implementação desses sistemas em paralelo a sistemas alimentados pela rede elétrica convencional pode reduzir o consumo de energia da rede em 60,76%, e tem forte relação com o valor da tarifa praticada pela concessionária de energia. Por fim, a pesquisa demonstra o uso de sistemas de condicionamento de ar fotovoltaicos como uma solução sustentável para o resfriamento, mostrando sua eficácia com a regulação natural da energia solar e sua contribuição econômica na redução do consumo de energia não renovável.
Acesso aberto (Open Access)
Análise quase-estacionária de pequena turbina eólica com pás curvadas
(Universidade Federal do Pará, 2023-10-20) VELOSO, Mauro José Guerreiro; CHAVES NETO, Antônio Maia de Jesus; http://lattes.cnpq.br/3507474637884699; VAZ, Jerson Rogério Pinheiro; http://lattes.cnpq.br/1623983294183975
Nos últimos anos, o crescimento da potência instalada em energia renovável tem se destacado no Brasil, em particular a energia eólica, que registou um crescimento de 14,3% entre os anos de 2021 e 2022, segundo dados do anuário estatístico energético nacional de 2023. Apesar desse contexto, relatos mostram que o Brasil enfrenta diversos entraves na geração por energia eólica dentre eles a pesquisa e o desenvolvimento nessa temática. Nesse ambiente, pesquisadores têm realizado estudos em energia renováveis, e, especialmente, em análise de desempenho e projeto em turbinas eólicas, com o propósito de mitigar tal lacuna. Entretanto, essas pesquisas não contemplam análise de desempenho na partida de pequenas turbinas eólicas com diferentes curvaturas de pás. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo principal analisar a influência de diferentes ângulos de curvatura da pá no desempenho durante a partida do conjunto acoplado turbina-gerador, a partir da aplicação da hipótese de regime quase-estacionário, do método estendido de Palmgren e da teoria do elemento de pá. Os resultados experimentais de medições em turbinas de pás retas, disponíveis na literatura, foram empregados como referência e para validação da metodologia. As simulações numéricas mostram que, durante a partida, as turbinas de pás retas e pás curvadas para frente partem em menor tempo, são cerca de 19,9% mais rápidas na partida, e a velocidade do vento mínima necessária para partida é 10,7% menor que das turbinas de pás curvadas para trás. Os resultados mostram, ainda, que as turbinas de pás em arco e curvadas para trás incrementam em até 5,86% o torque dissipativo e aumentam em 22% os esforços dinâmicos em relação às turbinas de pás retas. Esses resultados refletem a importância da geometria da pá no desempenho da turbina e ressaltam a existência de um ângulo de curvatura na qual a turbina apresenta melhor desempenho em relação a outras configurações de curvaturas de pás.

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