A presente tese trata da análise experimental do efeito da geometria da seção transversal do canal e do desempenho de refrigerantes de reduzido GWP (Global Warming Potential) durante a ebulição convectiva em canais de reduzidas dimensões. A tese inclui ainda um estudo extenso e crítico da literatura sobre métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor, e sobre estudos experimentais em canais não-circulares e de refrigerantes com reduzido GWP na ebulição convectiva em canais de dimensões reduzidas. Resultados para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão durante a ebulição convectiva foram obtidos para canais com geometrias de seção circular, quadrada e triangular para o refrigerante R134a. Nos testes utilizou-se canais com perímetros internos similares obtidos a partir da conformação de um tubo com diâmetro interno igual a 1,1 mm. No caso do canal circular, dados foram também levantados para os HFOs R1234ze(E) e R1234yf e o hidrocarboneto R600a, fluidos com reduzido GWP. Ensaios foram executados para amplas faixas de fluxos de calor e velocidades mássicas, temperaturas de saturação de 31 e 41°C e títulos de vapor entre 0 e 0,95. Aspectos relacionados aos efeitos da geometria e do fluido refrigerante foram minuciosamente investigados através da análise paramétrica dos resultados. Com base na comparação do banco de dados coletado com os métodos de previsão disponíveis na literatura, constatou-se que estes proporcionam previsões satisfatórias apenas para condições experimentais especificas. Portanto, novos métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor foram desenvolvidos com base nos dados levantados no presente estudo. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente o banco de dados do presente estudo e resultados independentes disponíveis na literatura. Adicionalmente, com base nos resultados levantados, verificou-se que dissipadores de calor baseados em multi-microcanais com canais de seção triangular apresentam desempenho superior comparados a dissipadores com canais quadrados e circulares. / The present thesis concerns an experimental study on the effects of cross-sectional geometry and low GWP refrigerants on the thermal-hydraulic performance for convective boiling inside micro-scale channels. Experimental results for heat transfer coefficient and pressure drop gradient during convective boiling were obtained for circular, square and triangular channels for the fluid R134a. The evaluated channels present the same external perimeter and equivalent diameters of 1.1, 0.977 and 0.835 mm, respectively. In the case of the circular geometry, experimental results were also acquired for the HFOs R1234ze(E) and R1234yf and the hydrocarbon R600a (isobutane), which are fluids with low GWP and null ODP. Experiments were performed for a wide range of heat fluxes and mass velocities, saturation temperatures of 31 and 41°C and vapor qualities up to 0.95. The experimental data were carefully analyzed and discussed based on a parametrical analysis focusing on the effect of the cross-sectional geometry and the working fluid. Subsequently, the experimental data were compared against the most quoted predictive methods from literature. In general, it was verified that none of the predictive methods were able to accurately capture the experimental trends of the overall database. So, new predictive methods for the pressure drop and heat transfer coefficient were developed based on the broad database obtained in the present study. The proposed methods provided satisfactory results not only for the experimental database used for its development, but also for independent databases collected in the literature. Additionally, based on the data obtained in the present study and a performance analysis taken into account pressure drop, heat transfer coefficient and the channel packing factor, triangular cross sectional geometry is recommended for heat sinks.

[pt] Configurações novas e tradicionais de sistemas de refrigeração comerciais foram comparadas considerando sua operação com fluidos refrigerantes alternativos. Primeiramente, desenvolveram-se modelos termodinâmicos para o ciclo transcrítico de dois estágios com refrigerante CO2 (CO2 booster) e para o sistema indireto com CO2 bifásico operando como fluido secundário (pumped CO2). Tais tecnologias foram, em seguida, comparadas com o ciclo de expansão direta (DX) por meio do COP e do consumo anual de energia. Nessa análise, R404A, CO2, e misturas não-azeotrópicas de baixo GWP foram utilizados como fluidos refrigerantes. Em segundo lugar, desenvolveu-se modelo de parâmetros concentrados para simular a operação em regime permanente do sistema de expansão direta com múltiplos compressores e evaporadores. O método multizona foi utilizado na modelagem dos trocadores de calor tubo-e-aleta, com a consideração de diferentes tipos de aletas e superfícies internas para os tubos. Resultados da simulação foram comparados com dados experimentais e, em seguida, calculou-se o impacto ambiental do sistema operando com diferentes refrigerantes de baixo GWP, por meio da metodologia LCCP. / [en] Comparison of new and conventional commercial refrigeration systems, operating with typical and alternative refrigerants, was performed. First, thermodynamic models for the pumped CO2 and the CO2 booster cycles were developed. The COP and the annual energy consumption of these novel designs were compared to those of the traditional direct expansion system in different geographic locations, to take into account year-round climate data. Refrigerant R404A, CO2 and new low-GWP non-azeotropic blends were considered as working uids in this analysis. Second, a component-based lumped parameter model to simulate the steady-state operation of a multicompressor multi-evaporator direct expansion system was developed. The modeling effort considered a multizone approach for the tube-and-fin heat exchangers, as well as addressing enhanced internal surfaces and different fin patterns. Predicted results were compared with experimental data, and a life cycle climate performance (LCCP) analysis was performed to compare the environmental impact of new low-GWP refrigerants.

A presente tese trata da análise experimental do efeito da geometria da seção transversal do canal e do desempenho de refrigerantes de reduzido GWP (Global Warming Potential) durante a ebulição convectiva em canais de reduzidas dimensões. A tese inclui ainda um estudo extenso e crítico da literatura sobre métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor, e sobre estudos experimentais em canais não-circulares e de refrigerantes com reduzido GWP na ebulição convectiva em canais de dimensões reduzidas. Resultados para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão durante a ebulição convectiva foram obtidos para canais com geometrias de seção circular, quadrada e triangular para o refrigerante R134a. Nos testes utilizou-se canais com perímetros internos similares obtidos a partir da conformação de um tubo com diâmetro interno igual a 1,1 mm. No caso do canal circular, dados foram também levantados para os HFOs R1234ze(E) e R1234yf e o hidrocarboneto R600a, fluidos com reduzido GWP. Ensaios foram executados para amplas faixas de fluxos de calor e velocidades mássicas, temperaturas de saturação de 31 e 41°C e títulos de vapor entre 0 e 0,95. Aspectos relacionados aos efeitos da geometria e do fluido refrigerante foram minuciosamente investigados através da análise paramétrica dos resultados. Com base na comparação do banco de dados coletado com os métodos de previsão disponíveis na literatura, constatou-se que estes proporcionam previsões satisfatórias apenas para condições experimentais especificas. Portanto, novos métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor foram desenvolvidos com base nos dados levantados no presente estudo. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente o banco de dados do presente estudo e resultados independentes disponíveis na literatura. Adicionalmente, com base nos resultados levantados, verificou-se que dissipadores de calor baseados em multi-microcanais com canais de seção triangular apresentam desempenho superior comparados a dissipadores com canais quadrados e circulares. / The present thesis concerns an experimental study on the effects of cross-sectional geometry and low GWP refrigerants on the thermal-hydraulic performance for convective boiling inside micro-scale channels. Experimental results for heat transfer coefficient and pressure drop gradient during convective boiling were obtained for circular, square and triangular channels for the fluid R134a. The evaluated channels present the same external perimeter and equivalent diameters of 1.1, 0.977 and 0.835 mm, respectively. In the case of the circular geometry, experimental results were also acquired for the HFOs R1234ze(E) and R1234yf and the hydrocarbon R600a (isobutane), which are fluids with low GWP and null ODP. Experiments were performed for a wide range of heat fluxes and mass velocities, saturation temperatures of 31 and 41°C and vapor qualities up to 0.95. The experimental data were carefully analyzed and discussed based on a parametrical analysis focusing on the effect of the cross-sectional geometry and the working fluid. Subsequently, the experimental data were compared against the most quoted predictive methods from literature. In general, it was verified that none of the predictive methods were able to accurately capture the experimental trends of the overall database. So, new predictive methods for the pressure drop and heat transfer coefficient were developed based on the broad database obtained in the present study. The proposed methods provided satisfactory results not only for the experimental database used for its development, but also for independent databases collected in the literature. Additionally, based on the data obtained in the present study and a performance analysis taken into account pressure drop, heat transfer coefficient and the channel packing factor, triangular cross sectional geometry is recommended for heat sinks.