Desenvolvido na década de 1990 na Inglaterra, o processo de soldagem por fricção, conhecido como Friction Stir Welding (FSW), foi uma das inovações tecnológicas mais importantes na área de metalurgia da soldagem até então. A solda por fricção é um processo de junção de materiais que acontece a baixa temperatura, com os metais ainda no estado sólido. Atualmente as pesquisas e aplicações industriais do processo FSW estão mais desenvolvidas para o alumínio e suas ligas, porém já há registro de soldas por FSW em outros materiais como cobre, magnésio e, até mesmo, aço-carbono. O funcionamento do processo é baseado em uma ferramenta rotativa, com perfil característico, que penetra na linha da junção das chapas em alta rotação. Com as chapas previamente fixas, o calor gerado pelo atrito da ferramenta faz com que o metal base tenha um aumento na ductilidade, o que permite o escoamento ao redor da ferramenta, provocando a mistura mecânica entre os metais e, consequentemente, acontece a união. O grande desafio do processo está em aperfeiçoar os parâmetros do equipamento que realiza a soldagem, juntamente com um perfil satisfatório da ferramenta, pois estes fatores são dependentes uns dos outros e, além de influenciarem na geração de calor no processo, são responsáveis pela qualidade da solda. O escopo do trabalho está focado na adaptação do processo para centros de usinagem CNC usuais nas indústrias e também em braços robóticos. Para isso serão feitas análises e otimizações dos parâmetros de soldagem para o processo. Para tal serão caracterizadas as propriedades metalúrgicas do material base e da junta soldada com ensaios mecânicos de tração, dobramento, ultrassom, metalografia, ensaio de dureza e composição química.
Dentre as possibilidades tecnológicas existentes figura a gasificação do carvão mineral. Esta é um meio para diversos produtos, entre eles energia elétrica, energia térmica e matéria-prima como gás de síntese. Os principais compostos gerados pela gasificação são monóxido de carbono e hidrogênio. As propriedades e composição do gás variam segundo parâmetros de processo como: - Agente gasificante: ar, oxigênio puro, vapor ou misturas destes; - Pressão: Atmosférica, ou pressurizado (normalmente acima de 20 bar); - Temperatura de operação; - Geometria e regime de escoamento: leito fixo, leito fluidizado ou leito arrastado; - Matéria-prima. Suas aplicações dependem da composição do gás gerado. O gás pode ser de baixo poder calorífico, quando utilizado ar como agente oxidante; ou de alto poder calorífico, se utilizado oxigênio como oxidante. Para uso como gás de síntese, é necessário que o gás atenda uma relação especial entre hidrogênio e monóxido de carbono. A fim de dar base para novos estudos, a reatividade do carvão ao vapor deve ser estudada de acordo com suas possíveis aplicações. Para tanto, a faixa de temperatura, pressão, concentrações de vapor devem também ser estudadas, a fim de garantir que o estudo cubra a faixa operacional para suas aplicações. Com este entendimento, sabe-se que a temperatura varia de 800 a 1200 graus Celsius, dependendo, além do processo, das regiões no reator. Para estes estudos, um analisador termogravimétrico é necessário. Neste equipamento serão medidas a temperatura e peso da amostra de acordo com o tempo. O controle de temperatura pode ser feito como rampa, na qual existe um aumento contínuo da temperatura, e como patamar, no qual a temperatura é mantida constante. O carvão passará por três etapas dentro de um equipamento de termogravimetria. Nas duas primeiras etapas será utilizado o controle de temperatura tipo rampa, durante este aquecimento ocorrerão as etapas de secagem do carvão seguida de sua devolatilização. Nestas etapas o gás injetado será inerte. Posterior a isto, o equipamento controlará a temperatura para patamar e alterará gás para mistura vapor-nitrogênio. Desta etapa serão obtidos os resultados de perda de massa do carvão através da reação com vapor. Obtidos e analisados os resultados, poder-se-á realizar cálculos computacionais para prever o comportamento da gasificação do carvão. O modelo obtido para reação de vapor será incorporado a um modelo que prevê, além da reação em estudo, reações heterogêneas com oxigênio, dióxido de carbono, devolatilização, entre outras com menor influência. Conhecido o gás gerado, será verificada a viabilidade técnica através de simulação em modelos de processos, como ASPEN, e em modelos de fluidodinâmica computacional. Através destes resultados, será possível realizar análise global e verificar necessidades de melhorias.
A presente proposta de trabalho tem como objetivo geral a realização de um estudo sobre o processo de combustão de misturas de carvão mineral beneficiado brasileiro em mistura com biomassa de madeira em geradores de vapor de centrais termelétricas em operação no Brasil, a fim de entender melhor os fenômenos presentes neste processo e também levantar dados operacionais para os geradores de vapor, buscando desenvolver e otimizar a queima, fomentando informações para a implementação de novas técnicas de combustão em centrais termelétricas distribuídas pelo Brasil. Na busca por inovação tecnológica, pretende-se desenvolver um estudo comparativo entre as técnicas convencionais de combustão de carvão pulverizado atualmente aplicadas e as mais recentes técnicas para a combustão em processo de oxicombustão na cocombustão de carvão com biomassa de madeira, tendo como principal finalidade a obtenção de dados para a implementação de processos mais eficientes na produção de eletricidade, emitindo menores quantidades de poluentes na atmosfera, atenuando o processo de aquecimento global do planeta, além da capacitação de massa crítica neste tema. Com isso, pretende-se também obter indicativos para se melhorar o aproveitamento das reservas de disponibilidade, motivando a ampliação do uso de carvão mineral na matriz energética nacional. Um inventário de emissões evitadas de carbono, para os casos de estudo deste projeto, também será realizado.
O atual crescimento industrial brasileiro, associado também ao aquecimento da construção civil, demanda cada vez mais a utilização de diferentes tipos de pavilhões para abrigar novas instalações, pavilhões estes que na maioria das situações têm sua arquitetura baseada em estruturas treliçadas. Na região Norte do Rio Grande do Sul, onde situa-se o Polo de Inovação Tecnológica Norte, situa-se também um dos maiores parques industriais do estado, que na sua composição é basicamente metal-mecânico, e que, em função do segmento que nele está instalado, vem apresentando uma crescente demanda para fabricação e utilização de estruturas metálicas, seja para a construção de novos pavilhões, seja para aplicação em estruturas metálicas de equipamentos. Entretanto, os atuais métodos de fabricação ou produção destas estruturas treliçadas, ou por falta de ferramentas adequadas, ou por falta de pessoal qualificado, muitas vezes não se apoiam nos já consolidados procedimentos de dimensionamento, predominando o empirismo e o consequente superdimensionamento dessas estruturas, tornando-as maiores, mais onerosas e mais pesadas do que o necessário. Como consequência disso, surgem sérios problemas econômicos, tais como gastos excessivos em matéria-prima, mão de obra e transporte que, em certas situações, tornam os produtos dessa região menos competitivos que os da concorrência situada nos grandes centros comerciais e industriais do estado. Além disso, a este superdimensionamento, de forma mais abrangente, pode-se correlacionar também os recentes problemas ambientais, associados ao gasto excessivo e desnecessário de energia elétrica e seu consequente impacto ambiental, também já conhecido de todos. Sendo assim, em função do grande número de estruturas que atualmente vêm sendo fabricadas nas pequenas e médias instalações industriais do segmento metal-mecânico da região, todo e qualquer esforço no sentido de se tentar reduzir o uso de matéria-prima na construção desse tipo de estrutura resulta numa grande economia no processo de fabricação, no consumo de eletricidade e também nos gastos com o transporte tanto dos materiais como do produto final, promovendo uma redução em cascata nos custos de produção. Programas computacionais para o dimensionamento de estruturas, assim como as teorias consolidadas e envolvidas nos procedimentos de cálculos, já existem e estão bastante difundidos no mercado. Porém, na maioria das vezes, se tornam inviáveis financeiramente ou tecnicamente para a utilização em pequena escala em indústrias metal-mecânicas de pequeno e médio porte, pois dependem de pessoal qualificado para a operação e avaliação dos resultados obtidos com auxílio das ferramentas computacionais. No intuito de se tentar contornar esse problema, surge a ideia de se desenvolver e disponibilizar uma nova ferramenta computacional, que seja de simples operação e de baixo custo, bem como capacitada para fornecer de forma muito ágil as informações básicas para o dimensionamento mais eficiente dessas estruturas, evitando, assim, o uso das atuais metodologias empíricas empregadas, tornando tais estruturas mais confiáveis e leves. Assim sendo, considerando que a inovação tecnológica deve carregar na sua essência um benefício social, econômico e ambiental a um segmento de mercado menos favorecido e numa região em desenvolvimento, esse projeto torna-se elegível no sentido de que se trata da elaboração de uma nova ferramenta computacional de cálculo estrutural de baixo custo, capaz de atender a demanda de projetos exequíveis nas pequenas instalações metal-mecânicas da região, e que, futuramente, possa ser aplicado às indústrias das demais regiões do estado e do país.
O presente trabalho visa a inserir o aluno no estudo da relação entre microestrutura e propriedades de materiais metálicos, incluindo a formação de fases intermetálicas resultantes de tratamentos térmicos e processos de técnicas conexas. O aluno deverá aprender a utilizar técnicas de metalografia e análise de imagens, assim como medir propriedades mecânicas de interesse, como resistência à tração e à dureza. Os materiais estudados serão aços ao carbono e alguns aços-liga. Os materiais deverão ser preparados para análise metalográfica antes e depois de serem executados os tratamentos térmicos. Processos de soldagem serão utilizados para unir chapas metálicas e sua microestrutura será estudada e relacionada com as propriedades medidas. Como resultado do trabalho, deverão ser identificadas as diferentes fases de um material e relacionados às propriedades de interesse para a engenharia.
O estudo numérico do comportamento estrutural de materiais compostos apresenta-se, nos últimos anos, como um campo muito fértil de pesquisas, o que justifica o crescimento exponencial de trabalhos científicos nessa área. Atualmente é possível desenhar as propriedades físicas do material, adequando-o ao uso que se queira dar a ele. Especificamente quanto às propriedades mecânicas vinculadas à função estrutural que o material em estudo possa ter, essas podem, na atualidade, ser quantificadas, modificadas e otimizadas. No presente trabalho, explora-se um material composto formado por uma matriz polimérica e uma segunda fase particulada elastomérica com distribuição aleatória. Será realizado um estudo, com aplicação do método dos elementos finitos, considerando a matriz e a fase particulada com comportamento elástico linear, determinando o elemento de volume representativo (EVR) e comparando os resultados, em termos de constantes elásticas homogeneizadas, com propostas teóricas fornecidas pela micromecânica clássica. Serão também verificadas as influências das propriedades físicas e geométricas da segunda fase na determinação do EVR. Por fim, será efetuada uma extrapolação do presente estudo para o caso de outros materiais e também outras formas geométricas da segunda fase.
A presente proposta de trabalho tem como objetivo geral a realização de um estudo numérico sobre o processo de combustão de carvão mineral beneficiado, tipos CE3100 e CE4500, atualmente utilizados na operação da câmara de combustão do gerador de vapor de uma grande central termelétrica comissionada no estado do Rio Grande do Sul. Com esse trabalho pretende-se, além de testar esses dois tipos de carvão beneficiados, extraídos em solo brasileiro, desenvolver um maior conhecimento na área de processos de combustão de carvão mineral, treinando mão de obra qualificada para a área, tendo como principal finalidade a obtenção de técnicas mais eficientes de queima desse combustível. Com isso, pretende-se melhorar o aproveitamento das nossas reservas de disponibilidade e também tentar reduzir a emissão de poluentes no meio ambiente, tudo isso no intuito de estagnar o aquecimento global do planeta.
Este trabalho tem como objetivo a implementação de uma modelagem numérica computacional sobre a plataforma Ansys CFX 12, capaz de simular o processo de combustão de carvão mineral beneficiado, tipos CE 3100 e CE 4500, na geração de vapor em caldeiras de centrais termelétricas, a fim de se obter dados para melhor compreensão dos fenômenos envolvidos nesse processo. Serão testadas variações de composição química do combustível e parâmetros de queima, em função das características físico-químicas destes carvões brasileiros. As simulações serão realizadas com base nas condições reais de queima do carvão pulverizado em geradores de vapor de centrais termelétricas, verificando-se o tempo de residência do combustível no interior da câmara de combustão, campos de temperaturas no processo, dados sobre a mecânica do escoamento, taxas de transferência de calor, formação de poluentes, tais como NOx e SOx, emissão de particulados (fuligem), tentando obter maiores informações sobre o processo, a fim de determinar as melhores condições para a queima dos carvões investigados, nesse tipo de equipamento, principalmente em relação às transferências de calor. As simulações numéricas serão executadas assumindo-se um processo de reação química em taxas finitas, considerando reações químicas globais entre o ar atmosférico e carvão mineral, a partir das principais espécies químicas envolvidas nesses reagentes e nos seus produtos de combustão. Essas reações serão modeladas considerando-se os mecanismos de volatilização, pirólise e oxidação dos gases combustíveis gerados. Para a simulação numérica serão implementadas e resolvidas as equações de conservação da massa, da energia, da quantidade de movimento e das espécies químicas sobre a geometria da câmara de combustão de um gerador de vapor de uma central termelétrica em escala real. O mecanismo de transferência de calor por radiação térmica em meios participantes também será avaliado no processo, principalmente em relação ao espectro de absorção/emissão dos gases de combustão, bem como a turbulência do escoamento. Modelos disponíveis na literatura serão testados, a fim de se obter os melhores resultados. O software comercial de CFD (Computational Fluid Dynamics) CFX 12 Ansys Europe Ltd será utilizado para a implementação e a solução das equações diferenciais, e sua validação será feita com a comparação com dados experimentais e numéricos de trabalhos disponíveis na literatura e/ou com dados experimentais disponíveis de protótipos ou plantas comerciais. Este software será disponibilizado pelo LABSIM, laboratório do Curso de Engenharia Mecânica da URI Erechim. A partir da validação dos resultados obtidos com a simulação numérica, será possível determinar todas as zonas do escoamento reativo, obtendo-se a distribuição de concentrações das espécies químicas, o campo de velocidades e o campo de temperaturas no interior da câmara de combustão, taxas de transferência de calor, dados sobre a emissão de poluentes, assim como a eficiência do processo de combustão para os carvões investigados. Considera-se que estes resultados sejam de grande importância para a otimização do processo de combustão em geradores de vapor de centrais termelétricas. Atualmente, apenas com os experimentos em laboratório, não é possível determinar o que ocorre no interior de fornalhas de grandes dimensões, tampouco determinar de forma detalhada o que ocorre no processo de combustão, obtendo-se apenas as informações sobre o resultado global do processo e parâmetros globais de operação. Nesse sentido, a investigação numérica dos fenômenos envolvidos no processo de combustão do carvão poderá complementar as informações obtidas em ensaios experimentais, a fim de tentar obter parâmetros mais eficientes de operação de geradores de vapor, em função das características dos diferentes tipos de carvão, diminuindo os custos da produção de energia elétrica e a emissão de poluentes na atmosfera.