ISEP - DM – Engenharia Mecânica
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Browsing ISEP - DM – Engenharia Mecânica by Field of Science and Technology (FOS) "Engenharia e Tecnologia"
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- A relevância da modelagem computacional na otimização dos sistemas de ventilação para a mitigação de poluentes em cozinhas industriaisPublication . SILVA, ALISSON SANTOS; Santos, Carlos Miguel Pereira da SilvaEste trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de sistemas de ventilação em cozinhas profissionais, integrando resultados experimentais, cálculos normativos e simulações numéricas, de modo a fornecer critérios de projeto mais realistas para a contenção de poluentes e a eficiência energética. O percurso metodológico estruturou-se em três eixos complementares. No eixo experimental, foi conduzido um ensaio em cozinha-laboratório equipada com hotte de extração, cortinas de ar e sistema de compensação, com grelhador operando em regime intensivo e alimentação controlada de água para geração de vapor. As variáveis de temperatura, humidade relativa, pressão e caudais foram monitorizadas a cada dois segundos em pontos estratégicos, e a taxa de remoção de vapor foi determinada por análise psicrométrica a partir das propriedades do ar húmido e dos caudais de extração. No eixo normativo, o dimensionamento foi realizado de acordo com a norma EN 16282, aplicando-se o método preliminar baseado na velocidade de captura e o método detalhado, que considera carga térmica, fatores geométricos e indução da pluma. Os resultados forneceram caudais de 3033 e 2844 metros cúbicos por hora, respetivamente, sendo o segundo adotado como referência para as análises. No eixo numérico, desenvolveu-se modelação computacional em plataforma comercial integrada ao ambiente CAD, com malha cartesiana de células cortadas, modelo de turbulência modificado e transporte de espécie para vapor de água. Foram avaliados critérios de convergência espacial e temporal, estabelecendo-se malha de base de 30 milímetros e passo temporal de 0,25 segundos como compromisso entre custo computacional e precisão. A investigação organizou-se em dezasseis cenários: o primeiro validou o modelo CFD frente ao ensaio físico; os seguintes isolaram o efeito da cortina e da compensação; e os restantes compararam combinações de geometria, extração e emissão normativas e experimentais. A validação demonstrou que o modelo reproduz a evolução temporal e espacial da pluma com fidelidade aceitável, obtendo erro médio de 7,62 por cento e coeficiente de determinação de 0,79. A análise dos dispositivos auxiliares revelou funções complementares: a compensação moderou picos térmicos, enquanto a cortina organizou o jato e reduziu o espalhamento lateral; a ausência de ambos levou a maior instabilidade, acréscimo da carga térmica acumulada e redução da eficiência de captação para 50 por cento. Nos cenários comparativos, verificou-se que todos apresentaram algum nível de fuga, mesmo quando dimensionados por norma, e que a variabilidade da emissão e os efeitos de parede da geometria real intensificam episódios críticos. Concluiu-se que critérios normativos baseados em limites fixos são insuficientes para representar a complexidade de cozinhas reais, e que abordagens integradas, considerando experimentação, simulação e análise crítica de normas, oferecem subsídios mais robustos para o projeto de sistemas de ventilação, alinhando segurança, eficiência energética e sustentabilidade.
- Abordagem ao ciclo de vida do mobiliário escolar desenvolvimento de métricas para avaliação e melhoria da sustentabilidadePublication . RAMALHO, MIGUEL SOUSA; Gonçalves, Maria Antónia Maio Nunes da SilvaA presente dissertação tem como objetivo aplicar a metodologia de Avaliação do Ciclo de Vida ao mobiliário escolar, desenvolvendo indicadores que permitam quantificar e monitorizar a sua sustentabilidade. Para a construção do inventário foram recolhidos dados de processos reais, com especial destaque para a etapa de corte de chapas metálicas, considerada crítica no fabrico do mobiliário. Neste âmbito, foram modelados e comparados dois cenários de operação, corte com azoto e corte com ar comprimido, de modo a avaliar diferenças de desempenho ambiental e energético. A quantificação dos fluxos de entrada e saída incluiu consumos de energia, utilização de gases, geração de resíduos metálicos e emissões atmosféricas, os quais foram integrados em modelos no software OpenLCA. A análise demonstrou que o processo com azoto apresenta menores emissões e impactos ambientais, embora com custos mais elevados, enquanto o corte com ar comprimido, apesar de mais económico, revelou impactos superiores em diversas categorias, nomeadamente no consumo energético associado à compressão do ar e na formação de partículas. Com base nestes resultados foram desenvolvidos e testados indicadores de sustentabilidade, permitindo transformar dados complexos de inventário em métricas objetivas e comparáveis. Estes indicadores possibilitam avaliar de forma integrada a eficiência energética, a gestão de recursos e a geração de impactos, constituindo um instrumento essencial para apoiar decisões estratégicas. A discussão evidencia que a utilização sistemática de métricas de ciclo de vida permite alinhar competitividade industrial com objetivos de sustentabilidade, reforçando o papel do setor do mobiliário escolar na transição para modelos produtivos mais sustentáveis.
- Adaptação da geometria do corpo de uma mira para construção em material compósitoPublication . Pereira, João Carlos Vieira; Silva, João Francisco Machado Gomes daO mercado das miras telescópicas encontra-se em constante evolução. As empresas procuram sempre a próxima vantagem competitiva através de inovações nos seus produtos. Uma forma de dar um passo em frente do mercado passa por utilizar processos de fabrico e materiais alternativos para os corpos das miras. Desta forma, pretende-se compreender a viabilidade da construção do corpo de uma mira telescópica em material compósito. A alteração na construção revela-se desafiante devido às geometrias do corpo e as dimensões rigorosamente toleranciadas do mesmo. Assim, efetuou-se um estudo da mira telescópica e os parâmetros que devem ser garantidos, com posterior definição de um processo de fabrico que possibilitasse a construção do corpo, bem como os materiais mais indicados a serem utilizados. Definiu-se a utilização do método de moldação com manga insuflável de tecido de fibra de carbono impregnado com resina de epóxido. Desenvolveram-se moldes e outros componentes cruciais ao fabrico do corpo e adquiriram-se materiais com o intuito de obter protótipos das peças. Existiram várias alterações no processo e nos seus componentes com o objetivo de otimizar o método até ser obtido o melhor corpo possível para as condições disponíveis. Da componente de prototipagem desta fase inicial do projeto retiraram-se corpos nos quais foram identificados pontos positivos e outros a melhorar. Foram encontrados obstáculos sobretudo no posicionamento das fibras e na manga utilizada para insuflação de ar que podem ser resolvidos, respetivamente, com a utilização de pré-impregnado e com a mudança do material e/ou construção da bexiga utilizada. Concluiu-se que os corpos extraídos não permitem a determinação da viabilidade da sua construção em material compósito, essencialmente pelos problemas relatados anteriormente. Porém, extraíram-se corpos que possuem características que tornam promissor este tema.
- Análise computacional para a avaliação da resistência ao fogo em elementos construtivos de suporte em aglomerado de madeira com proteçãoPublication . Pereira, Domingos de Araújo Moreira; Fonseca, Elza Maria MoraisA madeira representa um dos materiais mais utilizados pela humanidade há vários séculos e, desde muito cedo, tomou um lugar preponderante na engenharia e construção de edifícios. Com o desenvolvimento dos materiais de construção e da regulamentação relacionada com a segurança contra incêndio, a utilização de elementos em madeira tornou-se improvável. A madeira, sendo um material cujas propriedades variam consoante as condições de humidade, temperatura, carga, entre outros, é particularmente suscetível a alterações induzidas pelas elevadas temperaturas. Quando exposta a uma situação de incêndio, as propriedades da madeira degradam-se, fazendo com que ocorra a carbonização. A carbonização, apesar de garantir a proteção do núcleo interno da madeira, diminui a sua secção resistente, fazendo com que a resistência ao fogo dos elementos construtivos seja comprometida. A avaliação do comportamento da madeira sob condições de fogo é possível recorrendo a testes experimentais, modelos analíticos simplificados e, ainda, numéricos. De modo a colmatar eventuais dificuldades, na elaboração de testes experimentais e das aproximações realizadas aos métodos analíticos, os modelos numéricos permitem aumentar a verificação e a avaliação da resistência ao fogo de diferentes elementos construtivos em madeira de forma paramétrica. Assim, a presente dissertação aborda temáticas como as propriedades dos materiais em estudo, a ação do fogo e a sua relação com os elementos construtivos, bem como as metodologias realizadas por investigadores na avaliação da resistência ao fogo de elementos em madeira, considerando as normas europeias, eurocódigos, livros e estudos científicos sobre as diversas temáticas em função do principal objetivo dos três estudos realizados. O primeiro estudo apresenta um modelo numérico de validação experimental, aplicando o método dos elementos finitos. A validação dos resultados tem como base a evolução do campo de temperaturas, da carbonização e respetiva secção residual, assim como a aplicação do critério de isolamento térmico, de acordo com a norma EN 1363-1:2020. A metodologia utilizada permitiu obter um modelo numérico que verifica e se aproxima às condições existentes num ensaio experimental. Posteriormente, o segundo estudo consiste na avaliação da influência dos parâmetros geométricos associados aos modelos construtivos de suporte em madeira com proteção em gesso na resistência ao fogo. A metodologia aplicada permitiu concluir que, em simultâneo, uma menor distância entre centros, uma maior dimensão do montante de madeira em altura e largura, assim como uma maior espessura da placa de gesso, garantem um melhor desempenho da solução construtiva, quando exposta a condições de fogo padrão. Por último, no terceiro estudo apresentam-se duas aplicações analíticas de um método simplificado proposto, para a análise da resistência ao fogo de elementos construtivos de madeira protegidos com placas de gesso. A análise apresentou resultados inferiores ao expectável, reconhecendo que o método simplificado proposto adota um critério conservativo, quando comparado com os testes experimentais e análises numéricas obtidas.
- Análise da viabilidade de reutilização de polímeros em impressão 3DPublication . ESTEVES, MANUEL ANTÓNIO ROCHA DA VEIGA; Campilho, Raul Duarte Salgueiral Gomes; Silva, Francisco José Gomes daOs processos de fabrico aditivo ocupam no mundo atual um lugar bastante importante, que já não se limita apenas ao desenvolvimento de protótipos para grandes empresas, mas que cada vez mais é acessível a pequenos empreendedores e aficionados que pretendem desenvolver os seus próprios projetos de forma sustentável e económica. Tudo isto é possível através dos desenvolvimentos que têm sido feitos por várias empresas com o objetivo de criar equipamentos de impressão 3D cada vez mais acessíveis economicamente e tecnologicamente para o público em geral. As impressoras do tipo FDM (Fused Deposition Modeling) têm sido um mercado bastante beneficiado por estas tendências e desenvolvimentos tecnológicos. Uma das principais despesas associada ao fabrico de modelos 3D com recurso a FDM advém da aquisição do material necessário para a produção destes. Atualmente, o PLA (polylactic acid) apresentase como o material mais comum e económico para impressão 3D do tipo FDM. Outra característica relevante deste processo é a necessidade de realização de purgas do sistema de extrusão do filamento, por exemplo, quando é alterada a cor do filamento. Este aspeto do processo leva a que seja gerada uma quantidade considerável de material desperdiçado ao final de algumas impressões. Para além desta fonte de desperdício existem outras duas associadas à impressão 3D FDM: material de suporte para estruturas complexas e impressões falhadas que são depois descartadas. Estas características do processo abrem a porta à reutilização deste material para a produção de filamento que pode ser novamente utilizado para realizar impressões. Esta dissertação tem como objetivo estudar a viabilidade da reutilização destes desperdícios de material gerados durante o funcionamento de um equipamento de impressão 3D do tipo FDM para a produção de novo filamento e sua reimpressão, e também perceber qual a influência da temperatura de impressão nas propriedades mecânicas do material reciclado deste modo. O material utilizado no estudo é o PLA. O primeiro passo é a produção de filamento através de desperdícios acumulados de impressões anteriores e o ajuste dos parâmetros de processamento. Posteriormente é realizada uma comparação entre as propriedades mecânicas do PLA virgem impresso a 220°C e PLA reciclado impresso a três temperaturas diferentes 220°C, 237°C e 255°C Estas impressões produzem provetes normalizados ISO para a realização de ensaios de tração, flexão e Charpy, com uma taxa de preenchimento de 50% de modo a determinar as correspondentes propriedades mecânicas. Os resultados do estudo permitem concluir que a produção de filamento diretamente a partir de desperdícios de PLA acumulados é possível, no entanto a rigidez e rugosidade superficial deste deixam bastante a desejar em termos de processabilidade e sua utilização para a impressão 3D. As propriedades mecânicas apresentadas pelo material reciclado são superiores em termos de tensão de cedência e módulo de elasticidade face ao PLA novo, no entanto apresenta menor capacidade de deformação plástica do que o último.
- Análise das emissões de gases de efeito de estufa durante o ciclo de vida e o custo total de propriedade dos veículos elétricos a bateriaPublication . Vieira, Vasco da Silva Tavares; Ribeiro, Leonardo José da SilvaA Petibol, S.A. – Embalagens de plástico, é uma empresa cuja atividade sobressai na produção de plástico a partir da matéria-prima de Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A aplicação deste material ocorre em diversas indústrias, tais como a eletrónica, alimentar, civil e, mais recentemente, desportiva. Ao longo da última década a empresa tem vindo a inovar-se e tem feito vários estudos na unidade industrial para identificar falhas e pontos a melhorar. Recentemente foi estudada a qualidade da água e a otimização dos seus consumos tal como os consumos de energia elétrica. Estes estudos contribuíram para a poupança de recursos da empresa e para menor pegada ambiental; a Petibol vê, de facto, a importância em continuar a investir neste tipo de análises à unidade industrial. A linha de vapor é neste momento o foco de estudo e inovação da unidade industrial. Neste estudo, primeiramente fez-se um levantamento de todo o circuito de vapor e respetivos consumíveis, o que permitiu concluir que seriam necessárias melhorias na instalação para adequá-la aos consumos e tarefas que lhe são exigidos. Após este levantamento, estudaram-se, teoricamente, todos os consumidores e produtores que integram a linha de vapor, que se compararam com valores reais obtidos mediante caudalímetros. Em seguida, com base na avaliação realizada na linha de vapor, averiguou-se o impacto da introdução de um novo consumidor de energia na linha de produção da Petibol. Com base nos consumidores atuais da empresa e na sua perspetiva de crescimento de produção será feito o dimensionamento ideal dos acumuladores de vapor e da caldeira. No final, será apresentada uma proposta de melhorias que seja capaz de garantir o bom funcionamento dos equipamentos, com a utilização mais eficiente uso de recursos.
- Análise de diferentes estratégias de evacuação de uma fábrica do setor da metalomecânicaPublication . Pedro, Ricardo Manuel Gomes; Ferreira, Luís Carlos Ramos Nunes PintoO desenvolvimento da indústria, especialmente na presente Quarta Revolução Industrial, conhecida por Indústria 4.0, obriga a um especial tratamento dos dados e inovação na forma de analisar conteúdo, explorar, identificar problemas e apresentar novas soluções. A simulação computacional surge como uma das grandes inovações da era. Esta permite a análise dos processos instalados e simular novas situações de acordo com as variáveis que se pretende explorar. Aliar esta ferramenta à importância que uma evacuação eficaz, rápida e segura que uma empresa deve ter, possibilita obter uma base científica para sugestões de melhorias a implementar. Nesta dissertação explora-se detalhadamente o processo de evacuação de uma empresa metalúrgica, a Metalocaima SA, através de uma simulação computacional. Através do software Pathfinder, foi possível analisar uma série de cenários diferentes de evacuação da fábrica. Foram estudadas diferentes combinações com as portas de saída da empresa, assim como o impacto que catástrofes naturais poderiam ter na evacuação dos ocupantes. Os resultados demonstraram a importância de ter sempre todas as portas de emergência livres e em funcionamento e que devem ser implementadas medidas preventivas para o caso de incêndios ou cheias no exterior da fábrica, de forma aos trabalhadores estarem prevenidos e que o tempo de evacuação seja o mais rápido possível. Este trabalho demonstrou como a simulação computacional é uma ferramenta com enorme potencial no apoio à decisão, assim como, na gestão da segurança e do processo de evacuação de uma indústria.
- Análise de juntas soldadas em aços de alta resistênciaPublication . Correia, António José da Rocha; Fernandes, Filipe DanielA utilização de aços na produção de estruturas metálicas e equipamentos, é algo profundamente entranhado na indústria dos dias de hoje. Por consequência, um dos principais processos de união destes materiais, se não mesmo o mais utilizado, é a soldadura. A utilização de aços de alta resistência (muito usados na indústria automóvel) permite uma maior abrangência e capacidade de aplicações. No entanto, com o desenvolvimento de novos materiais, surgem questões relativamente à sua resposta ao processo de soldadura que necessitam de ser respondidas. É extremamente importante entender de que forma cada material responde à soldadura e avaliar as propriedades das juntas soldadas para que estas possam ser utilizados na indústria com segurança e confiança. É sabido que a aplicação de temperaturas elevadas em aços tem um forte efeito nas suas propriedades mecânicas e consequentemente comportamento. A soldadura é um processo extremamente agressivo para o material, uma vez que os ciclos de aquecimento e arrefecimento são muito rápidos. Deste modo considerou-se importante avaliar a influência de parâmetros de soldadura selecionados, nas propriedades de juntas soldadas de chapas de alta resistência usadas na indústria automóvel. Mais especificamente, estudou-se a variação a intensidade de corrente de soldadura nas propriedades das juntas soldadas. A variação da intensidade de corrente, tem naturalmente uma consequência na quantidade de calor que é induzida às juntas durante a soldadura, e assim é natural concluir que existe uma relação entre a sua variação e as propriedades do aço. Para levar este estudo a cabo, foram executadas soldaduras com três intensidades de corrente diferentes usando os processos TIG e soldadura por resistência na variante de pontos. De seguida foram executados ensaios mecânicos aos vários provetes realizados de forma a entender as diferentes respostas do material. Adicionalmente foram feitas análises macrográficas e micrográficas e de dureza, relacionando a resposta mecânica dos materiais com as alterações provocadas na microestrutura. Foi constatado, para os dois processos, a clara influência da variação da intensidade na ductilidade do aço, sendo que quanto mais elevado este parâmetro, mais dúctil se mostrou o material. Essa tendência foi acompanhada por uma diminuição dos valores máximos de dureza. Para o caso dos provetes de soldadura por resistência verificou-se também um aumento da resistência ao corte e arrancamento com o aumento da intensidade de corrente. Foi possível constatar que com intensidades de corrente maiores a quantidade de material fundido aumentava criando uma maior área resistente para a junta. Por fim, as análises de microestrutura, permitiram distinguir as diferentes zonas da soldadura, onde se verificou o aparecimento de martensite na zona termicamente afetada das soldaduras, estruturas dendríticas nas zonas fundidas e um crescimento de grão na aproximação à ZTA.
- Análise de Soluções de Ventilação em Atmosferas Explosivas para Instalações de Purificação de HidrogénioPublication . SANCHES, DUARTE ROSA; Costa, José Carlos Pereira Lopes da; Caetano, Nídia de SáNum contexto de transição energética, o hidrogénio assume um papel central como vetor energético alternativo, mas a sua elevada inflamabilidade exige soluções robustas para prevenir riscos de explosão. Esta dissertação incide sobre a avaliação de riscos associados às operações com hidrogénio na indústria química, aplicada a uma instalação de separação de gases por VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption). O estudo é desenvolvido no âmbito de um estágio curricular na SODECA Portugal e tem como foco o projeto de sistemas de ventilação mecânica capazes de prevenir a formação de atmosferas explosivas num contentor técnico sujeito a fugas de hidrogénio, aplicando as normas ATEX e, em particular, a IEC 60079-10-1. A metodologia adotada inclui a análise normativa e a análise do caso de estudo fornecido pela SYSADVANCE, seguida da conceção do projeto técnico, com seleção de grelhas e ventiladores ATEX, da modelação CAD do contentor VPSA e integração das soluções, da simulação CFD no software ANSYS Fluent, modelando a dispersão de hidrogénio, e da comparação entre resultados normativos e numéricos, propondo melhorias. São consideradas inicialmente soluções de ventilação natural, para fins comparativos, de forma a avaliar o seu desempenho e explorar de que modo poderiam complementar soluções mecânicas. Em seguida, são desenvolvidas e analisadas duas soluções de ventilação mecânica: uma com ventilador axial e outra com ventilador de cobertura, cada uma incluindo variantes otimizadas. As simulações CFD permitem validar e aperfeiçoar as soluções dimensionadas segundo a norma, avaliando variáveis como velocidade média do escoamento e distribuição da concentração de hidrogénio. Conclui-se que a integração da análise normativa com a simulação CFD conduz a soluções de ventilação com melhor desempenho aerodinâmico e maior segurança operacional. O contributo deste trabalho assenta na criação de uma metodologia de projeto e validação que pode ser replicada em outras instalações industriais com risco ATEX, reforçando a segurança e a eficiência em contextos críticos da indústria química e energética.
- Análise de testbed industrial características, serviços e recomendações para melhoria da infraestruturaPublication . PRIMAVERA, GONÇALO FERREIRA MANDIM; Almeida, António Henrique Mendes deEsta dissertação analisa o papel dos testbeds enquanto infraestruturas estratégicas para a validação e o desenvolvimento de tecnologias emergentes no contexto da Indústria 4.0 e 5.0, salientando a sua relevância como ambientes de investigação e desenvolvimento tecnológico que aproximam o conhecimento científico das necessidades práticas do setor industrial. O estudo foi conduzido no iiLab do INESC TEC e teve como objetivos identificar os serviços relevantes para as empresas e propor melhorias que permitam alinhar, de forma mais eficaz, as capacidades do laboratório com os desafios atuais do mercado industrial e tecnológico. O trabalho aborda o problema central de que o iiLab não consegue atrair, de forma estratégica, empresas do setor industrial e tecnológico devido à falta de alinhamento entre os seus serviços e as necessidades reais do mercado. Para resolver este problema, recorre-se a uma abordagem qualitativa, assente em entrevistas a investigadores e representantes empresariais, foram analisadas as características diferenciadoras dos testbeds, os desafios inerentes à sua implementação e os serviços que geram maior valor acrescentado para os parceiros envolvidos. Os resultados demonstram que os testbeds possibilitam a realização de testes em ambientes realistas sem comprometer a produção, aceleram o desenvolvimento tecnológico, reduzem riscos e custos, e contribuem para superar o denominado “vale da morte” da inovação, assumindo-se, assim, como facilitadores centrais da adoção tecnológica. No entanto, existem desafios, como a complexidade da interoperabilidade com sistemas legados, o acesso a dados e questões de confidencialidade e custos para pequenas e médias empresas. Com base nos dados recolhidos, apresentam-se propostas de melhoria que incluem a modernização contínua da infraestrutura, nomeadamente através da integração de redes 6G e robôs humanoides, o reforço da colaboração com instituições especializadas em comercialização e negócios, e a criação de um selo de qualidade que incremente a credibilidade das tecnologias validadas junto de clientes e investidores. Deste modo, esta dissertação oferece contributos tanto académicos como práticos, ao propor recomendações que visam a otimização da infraestrutura do iiLab e ao reforçar o papel dos testbeds como elementos-chave no processo de desenvolvimento tecnológico da indústria.