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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49147| ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-8906-2181 |
| Document type: | Tese |
| Access type: | Acesso Aberto |
| Title: | Investigação numérica e experimental de sistemas de concentração solar com lentes de Fresnel para desinfecção de água |
| Alternate title (s): | Experimental and numerical investigation of solar concentration systems with Fresnel lenses applied to water disinfection |
| Author: | Ullmann, Gregori |
| First Advisor: | Barrozo, Marcos Antonio de Souza |
| First coorientator: | Vieira, Luiz Gustavo Martins |
| First member of the Committee: | Andrade, Laiane Alves de |
| Second member of the Committee: | Batista, Fabiana Regina Xavier |
| Third member of the Committee: | Silva, Danylo de Oliveira |
| Fourth member of the Committee: | Gonçalves, Julio Cesar de Souza Inacio |
| Summary: | O acesso universal à água é um direito fundamental do ser humano e um dos 17 objetivos de desenvolvimento sustentável da Organização das Nações Unidas. Fatores como pobreza extrema, isolamento geográfico e mudanças climáticas são os principais desafios para garantir o acesso à água de forma segura para uma parcela considerável da população global, principalmente em comunidades rurais de países subdesenvolvidos e em desenvolvimento. Entre as tecnologias existentes para tratamento de água para regiões remotas, destaca-se a desinfecção solar da água (SODIS) que pode ser intensificada com a utilização de concentradores solares que aumentam a intensidade de raios solares, reduzem o tempo necessário de exposição e aumentam a taxa de inativação de microrganismos. Este trabalho avaliou o potencial de concentradores solares alternativos como as lentes de Fresnel pontual e linear em processos fotoativados como a SODIS através do uso de fluidodinâmica computacional para resolução das equações de movimento, radiação e transporte de espécies. Para isso, duas unidades experimentais e seus respectivos modelos computacionais foram desenvolvidos e validados experimentalmente através de actinometria com ferrioxalato de potássio. Planejamentos de simulações foram conduzidos com o intuito de se avaliar o efeito das variáveis operacionais nas principais respostas que caracterizam o desempenho destes concentradores. Nos modelos computacionais foi implementada uma cinética mecanicista de desinfecção de E. coli baseado na geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e inativação de enzimas de proteção celular disponível na literatura para avaliação numérica do desempenho destes sistemas concentradores Fresnel. Os resultados obtidos indicam que os modelos computacionais desenvolvidos reproduziram satisfatoriamente os campos de radiação e velocidade, e foi observado um alto potencial de intensificação de radiação nos reatores com o uso das lentes. No sistema concentrador Fresnel linear foi constatado que a vazão de recirculação possui um efeito pequeno na taxa de reação dentro da faixa de 0,4 L·min-1 a 3,95 L·min-1 e a conversão depende fortemente da posição do reator e da irradiação solar. Resultados de cinética de desinfecção mostraram que para a lente pontual é importante se garantir uma boa distribuição de radiação enquanto na unidade com lente linear é necessário buscar um ponto de equilíbrio entre o aumento do tempo de residência no reator e a fluidodinâmica dentro do reator tubular. Ambos os sistemas concentradores simulados foram capazes de reduzir substancialmente o tempo de tratamento da SODIS convencional considerando as dimensões das unidades experimentais projetadas e os diferentes tipos de lente de Fresnel utilizados. |
| Abstract: | Universal access to water is one of the United Nation’s 17 sustainable development goals and a fundamental human right. However, factors such as extreme poverty, geographical isolation, and climate change pose challenges to ensuring access to safe water for populations located mainly in rural communities in underdeveloped and developing countries. Among the existing technologies for water treatment in remote regions, solar water disinfection (SODIS) stands out, which can be intensified by solar concentrators that increase the intensity of sunlight, shortening the time required for exposure and increasing the rate of microorganism inactivation. This study evaluated the potential of alternative solar concentrators, such as point and linear Fresnel lenses, in photoactivated processes such as SODIS using computational fluid dynamics to solve the equations of momentum, radiation, and species transport. To this end, two experimental units and their respective computational models were developed and validated experimentally through actinometry with potassium ferrioxalate, and a simulation design was conducted to evaluate the effect of operational variables on the main responses that characterize the performance of these concentrators. A mechanistic model of E. coli disinfection based on the generation of reactive oxygen species (ROS) and inactivation of cell protection enzymes available in the literature was implemented in the computational models to enable the numerical evaluation of the performance of these Fresnel lens concentrator systems. The results obtained indicate that the computational models developed reproduced the radiation and velocity fields properly, and a high potential for radiation intensification in the reactors was observed using the lenses. In the linear Fresnel concentrator system, it was found that the recirculation flow rate has a small effect on the reaction rate within the range of 0.4 L·min-1 to 3.95 L·min-1, and the conversion depends mainly on the position of the reactor and solar irradiation. Disinfection kinetics results showed that for the point lens it is important to ensure adequate radiation distribution, while in the unit with a linear lens it is necessary to seek a balance between increasing the fluid’s residence time in the reactor and the fluid dynamics inside the tubular reactor. Both solar concentrator systems were able to substantially reduce the treatment time of conventional SODIS to just a few minutes of operation, based on the dimensions of the development of the experimental rigs. |
| Keywords: | CFD Fotorreator Photoreactor Radiação solar Solar radiation DOM SODIS E. coli |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::TRATAMENTO DE AGUAS DE ABASTECIMENTO E RESIDUARIAS::TECNICAS AVANCADAS DE TRATAMENTO DE AGUAS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::AGUA CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::REATORES QUIMICOS |
| Subject: | Engenharia química Águas residuais - Purificação Fluidodinâmica computacional Água potável Radiação solar |
| Language: | por |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
| Quote: | ULLMANN, Gregori. Investigação numérica e experimental de sistemas de concentração solar com lentes de Fresnel para desinfecção de água. 2025. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.454 |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.454 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49147 |
| Date of defense: | 29-Jul-2025 |
| Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 6. Água potável e saneamento - Garantir disponibilidade e manejo sustentável da água e saneamento para todos. |
| Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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