O modelo originalmente proposto por Navarro e Cabezas-Gómez (2005) para determinação da Efetividade térmica de trocadores de calor de fluxo cruzado, é avaliado e ampliado. Esta ampliação é extensiva para três casos particulares. No primeiro, o número de unidades de transferência (NUT) é determinado em função da efetividade térmica (E) e da razão entre as capacidades térmicas (C*). No segundo, cartas do fator de correção F para o método da média logarítmica da diferença de temperaturas (MLDT) são desenvolvidas a partir de uma associação entre os métodos E-NUT e MLDT realizada por Kays e London (1998). Os resultados obtidos são validados a partir da comparação com valores provenientes de relações analíticas de configurações conhecidas. Por último, uma análise global de trocadores de calor de fluxo cruzado com geometrias complexas é realizada através dos métodos E-NUT, MLDT, Eficiência, análise de geração de entropia e o princípio da uniformidade da diferença do campo de temperaturas. Os valores obtidos mostraram boa precisão para todas as configurações testadas, demonstrando que o presente trabalho permite analisar o desempenho de diferentes configurações de trocadores de calor de fluxo cruzado usando diversos métodos de análise. / The pattern originally proposed by Navarro and Cabezas-Gómez (2005) for cross-flow heat exchangers thermal effectiveness resolution, is analysed and extended. This extension is available in three particular cases. In the first one, the number of tranfer units (NTU) is defined in funtion of thermal effectiveness (E) and heat capacity rate ratio (C*). In the second one, charts for correction factor F for logarithm mean temperature difference (LMTD) approach are developed from a relation between E-NTU and LMTD approaches by Kays and London (1998). The obtained results are authenticated from a comparison with data from analytical expressions of traditional arrangements. For the last one, a whole analysis of crossflow heat exchangers with complex flow arrangements is realized by E-NTU, LMTD, Efficiency, analysis of entropy generation and the uniformity principle of the temperature difference field. The obtained values showed a good precision for every settings simulated, demonstrating that the present research is able to make an analysis of cross-flow heat exchangers performance in different settings using several approaches.

O modelo originalmente proposto por Navarro e Cabezas-Gómez (2005) para determinação da Efetividade térmica de trocadores de calor de fluxo cruzado, é avaliado e ampliado. Esta ampliação é extensiva para três casos particulares. No primeiro, o número de unidades de transferência (NUT) é determinado em função da efetividade térmica (E) e da razão entre as capacidades térmicas (C*). No segundo, cartas do fator de correção F para o método da média logarítmica da diferença de temperaturas (MLDT) são desenvolvidas a partir de uma associação entre os métodos E-NUT e MLDT realizada por Kays e London (1998). Os resultados obtidos são validados a partir da comparação com valores provenientes de relações analíticas de configurações conhecidas. Por último, uma análise global de trocadores de calor de fluxo cruzado com geometrias complexas é realizada através dos métodos E-NUT, MLDT, Eficiência, análise de geração de entropia e o princípio da uniformidade da diferença do campo de temperaturas. Os valores obtidos mostraram boa precisão para todas as configurações testadas, demonstrando que o presente trabalho permite analisar o desempenho de diferentes configurações de trocadores de calor de fluxo cruzado usando diversos métodos de análise. / The pattern originally proposed by Navarro and Cabezas-Gómez (2005) for cross-flow heat exchangers thermal effectiveness resolution, is analysed and extended. This extension is available in three particular cases. In the first one, the number of tranfer units (NTU) is defined in funtion of thermal effectiveness (E) and heat capacity rate ratio (C*). In the second one, charts for correction factor F for logarithm mean temperature difference (LMTD) approach are developed from a relation between E-NTU and LMTD approaches by Kays and London (1998). The obtained results are authenticated from a comparison with data from analytical expressions of traditional arrangements. For the last one, a whole analysis of crossflow heat exchangers with complex flow arrangements is realized by E-NTU, LMTD, Efficiency, analysis of entropy generation and the uniformity principle of the temperature difference field. The obtained values showed a good precision for every settings simulated, demonstrating that the present research is able to make an analysis of cross-flow heat exchangers performance in different settings using several approaches.

Thesis (MEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--Stellenbosch University, 2007. / ENGLISH: The design, construction and testing of a passive thermal system, a roof solar chimney, for a loft is considered. Unlike conventional solar chimneys the solar collector is constructed from corrugated iron roof sheets with the aim that it can be integrated into existing buildings at a lower cost or used in low cost housing developments. The main objective of the study was to determine the feasibility of such low-cost design to regulate thermal conditions in a loft, that is heating the loft during winter and enhancing natural ventilation during summer, by carrying out an experimental and analytical study. The results obtained from the experimental study showed that for winter the solar chimney, having a channel width, depth and length of 0.7 m, 0.1 m and 1.8 m respectively and with a peal solar radiation of 850 W/m², heated the room air 5°C higher than the ambient temperature during the hottest periods of the day, which is only marginally better than a loft with conventional roof insulation. At night, it was found that reverse airflow occurred through the chimney, cooling the loft down to ambient temperature, due to radiation heat loss from the roof collector to the night sky. For summer operation, the experimental data showed that the chimney was able to maintain the loft at ambient temperature and the analytical study found that the chimney was able to enhance natural ventilation effectively, reaching air exchange rate of 6.6 per hour for the 4.6 m³ volume space. It was also found that the chimney’s performance dropped rapidly and significantly during periods of low solar radiation and at night. A sensitivity analysis illustrated that for both summer and winter operation, the size, tilt angle and absorptivity of the roof collector greatly effected the efficiency and mass flow rates of the system, agreeing well with other literature. These results prove that this low cost solar chimney cooling design was feasible to enhance natural ventilation mainly during hot summer conditions with high solar radiation. Compared to a loft with only conventional roof insulation, the chimney did not perform effectively during the winter to heat the loft up, meaning that winter operation for this specific design is not feasible. Possible improvements to the design include using construction materials with higher thermal capacities to retain heat energy and ensure continued operation during periods of low solar radiation, as well as using selective absorber coatings on the collector surface. It is recommended that further work on the project include the integration of these improvements into the present design and to use the findings obtained from the sensitivity analysis to improve system efficiencies. CFD analysis of the test-rig will be insightful as an additional means to validate and compare with the analytical and experimental data obtained in this report. With the continuation of these studies, this low-cost solar chimney design can be optimised, validated on a commercial scale and built into existing and new housing developments. Incorporating such a passive thermal device will aid homeowners in air regulation and thermal comfort of their living space as well as saving on energy requirements. / Sponsored by the Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies, Stellenbosch University

[pt] Problemas com incrustações em equipamentos são frequentes em equipamentos de resfriamento de mancais de turbinas hidráulicas e hidrogeradores, drasticamente comprometendo a sua eficiência de operação. Pesquisas aplicadas buscam a eficiência térmica dos trocadores de calor por meio da mitigação do fouling formado nesses equipamentos. Esta dissertação de mestrado tem por objetivo avaliar a eficácia de uma alternativa tecnológica de limpeza dos tubos do trocador de calor que faz uso de esferas abrasivas para mitigar indesejáveis incrustações em trocadores de calor utilizados no arrefecimento de hidrogeradores. A motivação da pesquisa deu-se no contexto do projeto de PeD Light-Aneel Ref.: 07/2011, Proposição de solução inovadora para o sistema de resfriamento dos hidrogeradores da Usina Fontes Nova, desenvolvido pelo Programa de Pós-graduação em Metrologia da PUC-Rio. Superando o desafio de oferecer um método de limpeza que evita a raspagem mecânica e o uso de produtos químicos, o trabalho construiu um equipamento e validou uma alternativa tecnológica de limpeza, que opera on-line, portanto sem a necessidade de parada técnica da usina para realizar a manutenção. A metodologia utilizada fundamenta-se na análise do desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando assistido pelo sistema proposto. Dentre os resultados, destacam-se (i) o caráter prático da alternativa de limpeza proposta, que realiza a limpeza sem a necessidade de interromper a geração e (ii) o estudo da velocidade ótima das esferas para assegurar eficácia do processo de desobstrução dos trocadores. Os resultados favoráveis dos testes de desempenho realizados em laboratório e no campo consubstanciam a conclusão do trabalho, permitindo validar a técnica e o protótipo de equipamento construído para ser utilizado nas condições reais de operação da usina. / [en] Formation and deposit of fouling is a common problem encountered in heat exchangers, bearings of hydraulic and hydro turbines, drastically reducing their operation efficiency. Applied research continuously seeks for gains in thermal efficiency by encouraging fouling mitigation in the internal passages of heat exchangers. This dissertation aims to evaluate the effectiveness of a technological alternative for cleaning heat exchanger tubes by the use of abrasive spheres to mitigate undesirable fouling in heat exchangers used in hydro generators cooling. The motivation of the research took place in the context of the ReD project Light- Aneel 07/2011, entitled Innovative solution for fouling mitigation of heat exchangers used in the cooling system of the Fontes Nova Power Plant, developed by the postgraduate Metrology Programme of Catholic University of Rio de Janeiro, financed under a Brazilian government regulated R&D Programme. Overcoming the challenge of providing a cleaning method that prevents the mechanical scraping and the use of chemicals, a prototype of an equipment was built and validated as a technological alternative cleaning tool, which operates online, therefore without the need to shutdown the power plant to perform the heat exchanger maintenance. The methodology is based on the analysis of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when assisted by the envisioned system. Among the results achieved, the work highlights (i) the practical character of the cleaning alternative proposed, which performs the cleaning without the need to interrupt the electrical energy generation and (ii) the study of the optimum speed that must be imposed to the abrasive spheres to ensure effectiveness of the unclogging process of the exchangers. The favourable results emerged from the performance tests carried out in the laboratory and in the field environments substantiate the conclusion of the work, validating the technical method and the prototype of the equipment to operate in the real conditions of the power plant.

[pt] Esta dissertação teve como objetivo desenvolver uma sistemática de monitoramento para avaliar, em tempo real, a efetividade térmica de trocadores de calor (água-ar) do sistema de arrefecimento de hidrogeradores. A motivação resultou da possibilidade de se estabelecer ganhos de efetividade pela racionalização do procedimento de limpeza. Como metodologia de desenvolvimento do trabalho, duas estratégias foram perseguidas: (i) proposição de alternativas de cálculo da efetividade sem a necessidade de medir a temperatura de saída do ar (fluido quente do trocador) em um complexo escoamento perturbado por sucessivos descolamentos da camada limite em torno de cada tubo do trocador e (ii) validação da alternativa de cálculo da efetividade com base em dados reais de monitoramento de um trocador de calor de hidrogerador, em operação contínua, mesmo durante a sua limpeza on-line, portanto sem requerer a parada técnica das turbinas. Dentre os resultados, duas alternativas de cálculo da efetividade do trocador foram desenvolvidas: (i) via solução numérica do sistema de equações que governam os mecanismos de transferência de calor e (ii) via uma versão adaptada do método Épsilon-NTU, que avalia a efetividade de um trocador de calor de seis passes modelando-o como um arranjo em série de seis trocadores de um único passe. As alternativas de cálculo da efetividade apresentam concordância de cerca de 1 por cento e com baixo nível de incerteza (0,012), podendo diferir em até 30 por cento quando confrontadas com o método usual fundamentado na medição da temperatura de saída do ar. Como conclusão, as alternativas propostas mostraram-se adequadas para calcular a efetividade do trocador de calor do sistema de arrefecimento dos hidrogeradores da usina Fontes Nova (Piraí/RJ), monitorado ao longo de um período de 11 meses e sem requerer a interrupção da geração. / [en] This dissertation aimed to develop a monitoring system to evaluate, in real time, the thermal effectiveness of heat exchangers (water-air) of the cooling system of hydrogenerators. The motivation resulted from the possibility of establishing gains in effectiveness by rationalizing the cleaning procedure. As a methodology for the development of the work, two strategies were pursued: (i) proposition of alternatives for calculating effectiveness without the need to measure the outlet temperature of the air (hot fluid of the exchanger) in a complex flow disturbed by successive detachments of the boundary layer around each tube of the exchanger and (ii) validation of the alternative of calculating the exchanger effectiveness based on real data acquired during the continuous operation of the hydrogenerator unit, including the online cleaning process of the exchanger without the technical stop of the turbines. Among the results, two alternatives for calculating the effectiveness of the exchanger were developed: (i) via a numerical solution of the system of equations that govern the heat transfer mechanisms involved and (ii) via an adapted version of the Epsilon-NTU method, which evaluates the effectiveness of a six-pass heat exchanger modeling it as a series arrangement of six single pass heat exchangers. The alternatives for calculating the exchanger effectiveness have an agreement of about 1 percent and with low level of uncertainty (0.012), which may differ by up to 30 percent when compared with the usual method based on the measurement of the outlet air temperature. In conclusion, the proposed alternatives proved to be adequate to calculate the effectiveness of the heat exchanger of the cooling system of the hydrogenerators at the Fontes Nova plant (Piraí / RJ), monitored over a period of 11 months and without requiring interruption of the generation.

[pt] A dissertação de mestrado tem por objetivo estudar a indesejável formação do fouling no sistema de arrefecimento dos hidrogeradores da usina hidrelétrica Fontes Nova com vistas a propor técnicas alternativas para a sua mitigação. Mais especificamente, avaliar o desempenho de uma técnica antifouling que expõe o escoamento à ação de um campo elétrico externo. A pesquisa foi motivada (i) pela perspectiva de contribuir para o entendimento do complexo fenômeno de formação e mitigação do fouling e (ii) pelo desafio de propor um método on-line, não invasivo, de simples operação, em contraposição aos métodos de limpeza mecânica e química normalmente ofensores do meio ambiente e que requerem a interrupção da geração. Desenvolvido no contexto do projeto de PeD Light/Aneel Ref. OKE 06-07 intitulado Tecnologia de tratamento de água de refrigeração da usina Fontes Nova, a pesquisa, de natureza experimental e quantitativa, desenvolveu-se com base numa metodologia que avalia o desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando submetido à ação do dispositivo antifouling estudado. Os resultados do trabalho permitiram concluir que a incrustação predominante é de natureza Bio (biofouling) e que embora o dispositivo não invasivo iniba a formação dos indesejáveis micro-organismos que obstruem o trocador e afetam a sua eficácia de operação ele não elimina o problema. A partir dessa constatação, uma técnica alternativa de limpeza on-line que faz uso de esferas abrasivas foi concebida e projetada para promover a limpeza do trocador de calor em operação. / [en] The objective of the master thesis is to study the undesirable formation of fouling in the cooling system of hydroeletric generators of Fontes Nova Power Plant with the view to propose an alternatives techniques for its mitigation. more specifically, to assess the performance of an antifouling device that exposes the flow to the action of an external electric field. The research was motivated by the perspective of contributing to the understanding of the complex phenomenon associated with the formation and mitigation of fouling and by the challenge of proposin an alternate on-line, non-invasive method, of simple operation, contrasting to conventional of mechanical and chemical cleaning methods that normally offender the environment and requires interruption of the generation. Developed in the context of the project R and D light/aneel Ref. OKE 06-07 entitled Technology for treatment of refrigeration water of the Fontes Nova Power Plant, the research, of quantitative and experimental nature, was developed based on a methodology that assess the of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when submitted to the action of the antifouling device studied. The results of the work support the conclusion that the fouling is of a biological nature (biofouling) and that although the non-invasive device inhibits the formation of the unwanted microorganisms that block the exchanger and affect its effectiveness of operation it does not eliminate the problem. An alternative on-line cleaning technique that makes use of abrasive spheres was designed and engineered to clean the heat exchanger in operation.