[pt] O presente trabalho divide-se em dois estudos: uma análise global de sistemas de cogeração e uma modelagem de um ciclo de refrigeração por absorção. O primeiro estudo apresenta as equações dos balanços energéticos de um sistema de cogeração operando com dois motores térmicos distintos (turbina a gás e motor de combustão interna, ambos utilizando diesel como combustível). Para a produção de frio emprega-se um chiller de absorção, acionado a partir de calor de rejeito dos motores, e outro de compressão de vapor auxiliar. As equações de balanço de energia e de exergia, aplicadas a cada componente, formam um sistema não linear de equações que, resolvido, fornece o desempenho do sistema para diferentes condições de operação. O segundo estudo é parte de um projeto mais abrangente, destinado a desenvolver a tecnologia de um sistema de refrigeração por absorção. É apresentado o modelo matemático que caracteriza uma instalação de pequeno porte operando com uma mistura água-amônia. Foram aplicadas as equações de conservação de massa e energia para cada componente do ciclo, determinadas as propriedades termodinâmicas em cada ponto do ciclo e aplicadas hipóteses simplificadoras de modo a descrever matematicamente os processos físicos envolvidos. O modelo resultante foi aplicado a um sistema existente. A comparação entre os resultados previstos pelo modelo e os obtidos experimentalmente foi satisfatória. Uma vez implementados os modelos de ambos os estudos, realizaram-se simulações para casos particulares de operação, possibilitando a verificação da influência das principais variáveis sobre o desempenho dos sistemas analisados. Na solução dos modelos matemáticos foi utilizado o software EES. / [en] The present work embodies two studies: a global analysis of cogeneration systems and an absorption refrigeration cycle model. The first study presents the main equations for energy and exergy balances of a cogeneration system operating with two distinct prime movers (a gas turbine and an internal combustion engine, both powered by diesel oil). For cooling production, an absorption chiller, driven by the prime movers` waste heat, and an auxiliary vapor compression chiller are employed. The energy and exergy balance equations were applied to each component of the system, composing a non-linear system of algebraic equations whose solution provides the performance of the system under different operating conditions. The second study is part of a broader project aiming at the development of an absorption refrigeration system. A mathematical model is presented, describing a small-size absorption refrigeration installation employing a water-ammonia mixture as working fluid. Mass and energy conservation equations were applied to each component of the cycle. Thermodynamic properties of the working fluids were calculated at each point of the cycle. Also, simplifying assumptions were applied. The resulting model was applied to simulate the behavior of an existing system. Comparison of predicted results with experimental data was satisfactory. A parametric analysis was also carried out with the simulation model. The models of both studies were implemented in ESSA software. Simulations were carried out so as to analyze the systems under particular operational conditions and to assess the influence of the main variables on system performance.

[pt] O presente trabalho versa sobre o estudo e modelagem de um sistema de refrigeração para ar condicionado de edifícios. O modelo considera um sistema de compressão de vapor de grande porte, chamado habitualmente chiller; um tanque de armazenamento de água gelada e uma torre de resfriamento.Para o desenvolvimento do modelo utilizam-se as equações constitutivas e as equações de conservação da massa e energia em todos seus componentes.O modelo permite obter as condições de funcionamento ótimo do sistema de refrigeração reduzindo o tamanho de seus componentes (menor custo de investimento) e o consumo de energia (custo de operação) em correspondência com o diagrama de carga térmica do edifício.Consideram-se as variações da temperatura do meio ambiente ao longo do dia (transiente horário) para estudar a influência destas variações no desempenho global do sistema de refrigeração.Aplica-se o modelo à obtenção das características dos componentes do sistema de refrigeração para condicionamento de ar de um dos blocos do prédio Cardeal Leme da PUC-Rio.No presente estudo, a estratégia de operação usada é um fator decisivo na seleção da melhor alternativa econômica. / [en] The present work aims the study and modeling of a system of refrigeration systems for air-conditioning in buildings. The model considers a high capacity vapor-compression refrigeration system, for water cooling (chiller); a tank of thermal storage tank and a cooling tower.For the development of the model the constitutive equations and the equations of conservation of mass and energy are used over all its components.The model provides the optimal operating conditions of the refrigeration system to reduce the size of its components (lesser cost of investment) and the energy consumption (operation cost) according to the thermal load of the building.Daily temperature variations of the environment are taken into account (hourly transient) in order to study the influence of these variations over the global performance of the refrigeration system.The model is applied to the study of the air conditioning system of one block of the Cardeal Leme building, at PUC-Rio.In the present study, the strategy employed is a keye factor in the selection of the best economical alternative.

[pt] No projeto de uma usina nuclear do tipo PWR, é necessário a verificação de que, nas diversas condições de operação, em regime permanente ou transitório, os limites de projeto de seus componentes não sejam atingidos. No presente trabalho, é desenvolvido um programa em linguagem FORTRAN-IV que simula o comportamento do circuito primário de uma usina PWR típica em transitórios de condição II, em particular os acidentes de retirada descontrolada de um conjunto de barras de controle, queda de um conjunto de barras de controle e diluição descontrolada de boro. No modelo matemático adotado, são tratados o núcleo do reator, a tubulação quente, com pressurizador acoplado, o gerador de vapor, e a tubulação fria. Os resultados obtidos na análise dos citados acidentes são comparados com os constantes no relatório final de análise de segurança da usina Almirante Álvaro Alberto, unidade Angra-I (FSAR), e considerados satisfatórios. / [en] In a PWR nuclear power plant design it`s necessary to verify that, in many operation conditions, at steady state or transients, its components conditions are always below design limits. In this work, is developed a code in FORTRAN-IV language that simulates primary loop behavior of a typical PWR power plant in condition II transients, in particular the accidents of uncontrolled rod cluster control assembly bank withdrawal, rod cluster control assempbly drop and uncontrolled boron dilution. In this model are treated the reactor core, the hot-leg with a pressurizer coupled, the steam generator and the cold-leg. The results obtained are plotted against that of the final safety and analysis report of the Almirant Álvaro Alberto plant, unity Angra-I (FSAR), and considered satisfactory.

[pt] Estudou-se, numericamente, a utilização de nanofluidos como fluidos secundários em sistemas de refrigeração por compressão de vapor. Foi desenvolvido um modelo de simulação de um sistema água-água com compressor alternativo e condensador e evaporador de tubo duplo reto. O método de multi-zonas foi utilizado na simulação dos trocadores de calor. As zonas bifásicas, por sua vez, foram discretizadas para levar em conta a variação local do coeficiente de transferência de calor. No caso do condensador determinou-se o coeficiente de transferência de calor a partir de um mapa de escoamento bifásico. No evaporador o nanofluido escoa na seção circular (interna) enquanto que o refrigerante escoa na seção anular. Um programa baseado na plataforma EES foi desenvolvido para a solução do sistema de equações algébricas não lineares resultantes do modelo matemático. Os resultados da simulação mostram que, para a mesma capacidade frigorífica, a área de troca de calor no evaporador e a queda de pressão no lado do refrigerante diminuem quando: (i) a concentração volumétrica das nanopartículas e a temperatura do fluido-base aumentam; (ii) o diâmetro das nanopartículas diminui. Observou-se, também, que a queda de pressão do lado do nanofluido e, conseqüentemente, a potência de bombeamento, aumentam com a concentração volumétrica de nanopartículas, mas diminuem para diâmetros das nanopartículas menores e temperaturas mais elevadas do fluido-base. Os resultados para um sistema típico mostraram que o uso de nanofluidos como fluidos secundários pode levar a uma redução de até 6% na área do evaporador, quando comparado com o fluido-base convencional. / [en] The use of nanofluids as secondary coolants in vapor compression refrigeration systems was numerically studied. A simulation model for a liquid-towater heat pump, with reciprocating compressor and straight double-tube condenser and evaporator was studied. The multi-zone method was employed in the modeling of the heat exchangers. By their turn, the two-phase regions of both condenser and evaporator were discretized to take into account the local variation of the refrigerant condensing and boiling heat transfer coefficients. In the condenser two-phase region, the local heat transfer coefficient was determined as a function of the governing two-phase flow regime. The nanofluid was supposed to flow through the inner circular section of the evaporator, while the refrigerant was left to the annular passage. A computational program, based on EES (Engineering Equation Solver) package, was developed to solve the resulting non-linear system of algebraic equations. Different nanoparticles (Cu, Al2O3, CuO and TiO2) were studied for different volumetric concentrations and particle diameters. Simulation results have shown that, for a given refrigerating capacity, evaporator area and refrigerant-side pressure drop are reduced when: (i) the volumetric concentration of nanoparticles and nanofluid temperature increase; (ii) the diameter of nanoparticles decrease. Also, nanofluid-side pressure drop and, consequently, pumping power, increase with nanoparticle volumetric concentration and decrease with nanoparticle diameter and nanofluid temperature. Results from a typical case-study indicated an evaporator area reduction of up to 6%, with the use of nanofluids as secondary coolant, if compared to the conventional base-fluid (H2O).

[pt] O propósito deste trabalho é a modelagem de um sistema de termoacumulação utilizando cápsulas esféricas com material de mudança de fase (MMF) o programa computacional desenvolvido utilizado, foi à plataforma Matlab. O ponto principal do presente trabalho, no seu inédito modelo, está no fato de se estudar este sistema utilizando diferentes dimensões de esferas em único tanque de estocagem (Usualmente a termoamulação em cápsulas esféricas utiliza no interior do tanque cápsulas esféricas com um único diâmetro). Para formar o gelo (calor latente) nas cápsulas, um fluido com temperatura abaixo da temperatura de congelamento da água escoa em regime permanente através das cápsulas. Desta forma há uma troca de calor entre o fluido e as cápsulas com MMF (neste caso água). O ideal seria que toda água no interior das cápsulas se tornasse gelo. Porém, a resistência térmica formada pelo gelo começa a interferir na formação total da água no interior da cápsula. Outro problema é a temperatura do fluido que circula. Com o decorrer do escoamento a temperatura do fluido aumenta ao trocar calor com as cápsulas. Desta forma, as esferas em planos diferentes irão receber um fluido com uma temperatura maior que do plano anterior. Assim o gradiente de temperatura entre o fluido e a água fica cada vez menor influenciando o tempo de formação de gelo em todas as cápsulas. O estudo deste processo de termoacumulação prevê um tempo menor de circulação de fluido para formação de gelo e melhor uso da energia estocada. / [en] The study and use of thermal storage has increased in recent years due to the need to reduce production cost. The purpose of this paper is the modeling of a thermal storage system using spherical capsules with phase change material (water). The main point of the present work lies in the fact that the this system uses different sizes of balls in a single storage tank (usually, in thermal storage spherical capsules systems spherical capsules with a simple diameter only is employed). To form the ice caps, a fluid, with a temperature below the freezing temperature of water, flows permanently through the capsules, so there is an exchange of heat between the fluid and the capsules with water, which freezer. Ideally, all water inside the capsule should become ice, but the thermal resistance posed by the ice begins to interfere with the formation of the total water within the capsule. Another problem is the temperature of the fluid that exchanges heat with the water capsules. As the fluid temperature increases, downstream, time of ice formation is affected by the smaller temperature difference between fluid and capsule external wall.

[pt] Desenvolveu-se um modelo de simulação para trocadores de calor de placas soldadas (BPHE – Brazed Plate Heat Exchanger) operando em regime permanente em um sistema de refrigeração em cascata por compressão de vapor, ou seja, condensador, trocador de calor intermediário (ou condensador em cascata) e evaporador. O modelo adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em uma série de pequenos volumes de controle, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de massa e de energia são aplicadas. Para o calculo dos coeficientes locais de transferência de calor e fator de atrito foram utilizadas correlações disponíveis na literatura, considerando as regiões de escoamento monofásico ou bifásico em cada um dos trocadores, Estas correlações cobrem valores de fluxo de calor entre 2,5 kW/m2 e 185 kW/m2, temperaturas de saturação entre 5 graus Celsius e 30 graus Celsius, e aplicam-se a geometrias com ângulos de corrugação entre 20 e 60 graus. Um programa computacional foi desenvolvido em FORTRAN para o cálculo do desempenho térmico dos trocadores de calor e das correlações de asida dos dois fluidos. Na simulação foram consideradas conhecidas as condições de entrada dos fluidos e a geometria do trocador. As propriedades termo-físicas dos fluidos foram calculadas utilizandose a mais recente versão do padrão NIST de referência de propriedades termodinâmicas e de transporte (REFPROP 9.0), permitindo a simulação dos trocadores de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Os resultados da simulação foram comparados com os dados experimentais (condensador e evaporador) levantados por outros autores para os refrigerantes R22 e R290, tendose obtido boa concordância. Uma analise de sensibilidade para os trocadores de calor, utilizando os novos refrigerantes R1234yf e R1234ze, foi também realizada. / [en] A simulation model of brazed plate heat exchangers (BPHE) operating in steady-state in a cascade vapor compression refrigeration system has been developed. For this system the heat exchangers were the condenser, intermediate heat exchanger or cascade-condenser and evaporator. The model adopts a local analysis method, where the heat exchanger is divided into a series of small control volumes, to which the heat transfer rate equations and the fundamental of conservation of mass and energy equation. Local heat exchanger coefficients and friction factor are calculated using correlations available in literature, considering regions of single-phase or twophase flow for each one of the heat exchangers. These correlations have heat flux values ranging from 2,5kW/m2 to 185kW/m2, saturation temperatures from 5 degrees Celsius to 35 degrees Celsius and were applied to geometries with corrugation angle ranging from 20 degrees to 60 degrees. In order to calculate the thermal performance of the heat exchangers and the output conditions of the two fluids a computational program was developed in FORTRAN. This simulation considers known inlet conditions of the fluids and the geometry of the heat exchanger. The thermophysical properties of the refrigerants fluids were calculated using the version 7 of REFPROP, a package by NIST (National Institute of Standards and Technology), that allow for the simulation of heat exchangers with a wide operating range of refrigerants. The simulation results were compared with experimental data (condenser and evaporator) for R22 and R290 refrigerants, obtaining a good agreement. A sensibility analysis for heat exchangers, using the new R1234yf and R1234ze has also been carried out.

[pt] O presente trabalho apresenta um modelo de simulação numérica para um sistema de refrigeração por compressão de vapor, operando com uma mistura de fluido refrigerante (R134a) e nanolubrificante, composto por óleo poliol éster (POE) como fluido base contendo nanopartículas de TiO2 em suspensão. Para o estudo dos trocadores de calor, foi utilizado o método de análise local, onde o condensador e o evaporador foram divididos em volumes de controle para os quais foram aplicadas as equações fundamentais de conservação de massa, energia e quantidade de movimento. Um modelo semi-empírico baseado em parâmetros característicos foi utilizado para modelar o compressor rotativo. A solução do sistema, de equações algébricas não lineares, foi implementada no software EES (Engineering Equation Solver). Os resultados do modelo de simulação foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura, obtendo-se um erro mínimo de 0,68 por cento para a taxa de transferência de calor no evaporador, e um erro máximo de 11,3 por cento no consumo de energia. O erro na temperatura de descarga do compressor variou de 2,91 a 8,83 graus Celsius. / [en] The present work describes the numerical simulation of a heat pump refrigeration system, working with a mixture of refrigerant (R134a) and nanolubricant. The latter is composed of Polyolester (POE) oil as the base fluid containing TiO2 nanoparticles in suspension. In order to take into account the local variation of the two-phase heat transfer coefficient on the refrigerant side, the heat exchangers, condenser and evaporator, were divided into control volumes and, for each one of them, the fundamental equations of mass, energy and momentum were applied. A semi-empirical model was used to model the compressor. The resulting system of non-linear algebraic equations was implemented on the EES (Engineering Equation Solver) platform and an algorithm for the numerical solution was developed. The model was verified against experimental data available in the literature. A minimum error of 0,68 percent on the heat transfer rate in the evaporator, and a maximum of 11,3 percent for the energy consumption, were obtained. The error of the discharge temperature varied between 2,9 and 8,83 degrees Celsius.

[pt] É desenvolvido um modelo de simulação de evaporadores automotivos tipo placa (Brazed Laminated Plate), para o resfriamento de ar úmido. O modelo estudado adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em um número de elementos de troca de calor, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de energia são aplicadas. Para efeito da determinação do coeficiente local de troca de calor e do fator de atrito, o modelo considera duas regiões na troca de calor. Pelo lado do refrigerante foi considerada uma região bifásica (líquido - vapor) e outra, de superaquecimento (vapor). No lado do ar têm-se duas condições: com a superfície do evaporador seca ou molhada. Para cada zona foram levados em conta diferentes mecanismos de transferência de calor. Também foi estudada a queda de pressão do lado do refrigerante e do lado do ar, utilizando, para tal, as respectivas correlações de queda de pressão. Para a simulação foram consideradas definidas as condições de entrada dos fluídos e a geometria do evaporador. Um programa foi desenvolvido em FORTRAN para calcular os estados termodinâmicos de saída dos dois fluidos. As propriedades do refrigerante foram calculadas utilizando o software REFPROP versão 7.0, desenvolvido no NIST, EUA, o que permitiu a modelagem do trocador de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Novos refrigerantes, H e 1234yf, ainda não constantes da biblioteca REFPROP v07, foram também testados. Os resultados da simulação foram comparados com dados experimentais disponíveis. / [en] A simulation model for automotive brazed laminate plate evaporators, for humid air cooling, was developed. The model adopts the local analysis method, where the heat exchanger is divided into a number of elemental control volumes, for which the equations of heat transfer and conservation of energy are applied. In order to determine the local heat transfer coefficient and friction factor, the model considers different regions in the heat exchanger. In the refrigerant side, two-phase or superheated flows were considered. In the air side, dry or wet surface conditions were modeled. For each zone different mechanisms of heat transfer and pressure drop were taken in account. The simulation model assumed prescribed evaporator geometry and inlet conditions for both fluids. A computer program was developed in FORTRAN to calculate overall thermodynamic outlet states of both fluids. Refrigerant properties were calculated using the software REFPROP version 7.0, developed by the NIST, U.S.A.. It allowed the modeling of the evaporator, operating with a vast range of refrigerants. New refrigerants, fluids H and 1234yf, (still not available in REFPROP v07 libraries) also were tested. The results of the simulation were compared with available experimental data.

[pt] A partir do funcionamento contínuo e em regime permanente do sistema de ar condicionado solar, projetado pelo Departamento de Engenharia Mecânica da PUC/RJ, são feitas experiências variando-se as vazões de ar, tri-etileno glicol e água, nas torres de secagem, regeneração e umidificação, que compõem o sistema. As condições destes fluidos são medidas na entrada e saída destas torres. Através dos dados experimentais levantados, obtiveram se para cada experimento os valores dos coeficientes de transferência de massa para as torres de absorção e determinaram-se correlações empíricas para o cálculo destes coeficientes como função de vazões e da seção das torres. Com estas equações, montou -se uma simulação numérica do sistema projetado, e através de parâmetros como .coeficiente de desempenho e capacidade frigorífica, avaliou-se o desempenho do sistema, variando-se a vazão de ar na secagem, vazão e concentração do tri-etileno glicol e a temperatura da água no regenerador. Com esta Simulação, foi determinada a operação ótima do sistema de ar condicionado solar em termos das condições de operação. / [en] Experimental data were obtained by operating a solar air conditioning system installed on the roof of PUC/RJ. As working fluids, air, triethylene glycol and water were used in the drying and regeneration towers, together with the air washer. Their flow rates were varied during the esperiments. Correlations for mass transfer coefficients were obtained from experimental data, as a function of flow rates and cross section area. Thus, by knowing the performance parametrs of each component, a numerical simulation scheme was developed to calculate the overall performance of the air conditioning under different operating conditions. Flow rates and concentration can be varied in this simulation. Based on this simulation, optimum Operating conditions of the solar air conditioning system were specified.

[pt] O presente trabalho analisa experimentalmente um ciclo de refrigeração por absorção operando em regime transiente. Estuda-se, desta forma, a possibilidade do uso do ciclo de refrigeração por absorção em veículos automotores para condicionamento de ar. O ciclo de absorção utilizaria, como fonte térmica, os gases de exaustão ou a água de refrigeração do motor. Esta fonte de calor está disponível, geralmente, em condições variáveis de temperatura e potência. O trabalho foi dividido em três etapas. Na primeira delas é analisado o desempenho do ciclo de absorção funcionando com uma resistência elétrica de potência variável. Nesta etapa os parâmetros do ciclo foram determinados, assim como as temperaturas em diversos pontos do sistema. Na segunda etapa, foi utilizado um soprador térmico que simula os gases de exaustão de um motor a combustão interna. Na eventualidade da utilização do ciclo para o condicionamento de ar em aplicações automotivas, o uso dos gases de exaustão do motor de combustão interna reduziria o consumo de combustível do veículo, visto que o ciclo de absorção não exige potência mecânica do motor, tal como no ciclo tradicional de compressão de vapor. Há vantagens, também, nos itens relativos a manutenção e impacto ambiental. Como a carga e velocidade de um motor são variáveis, as temperaturas do ciclo sofrem variações muito rápidas. Tal problema foi minimizado com o uso de um regenerador estático, na terceira fase do trabalho, que impõe uma inércia térmica ao sistema, atenuando, desta forma, estas oscilações de temperatura. / [en] The present work is related to an experimental analysis of an absorption refrigeration cycle operating in transient regime, leading to the study of the techcnical feasibilty for the application of absorption refrigeration cycles in automotive air conditioning systems. In such system, waste heat from the exhaust or cooling systems acts as the heat source for the cycle. This heat source is typically variable in power and temperature. The work is divided din three parts. First, the steady state performance of the cycle, operating with an electrical resistance as the heat source, is studied. In the second part of the work, an electrical blower simulates the flow of exaust gases from an internal combustion engine. If compared with traditional vapor compression cycles for automotive applications, absorption refrigeration cycles have the advantage of not requiring mechanical power from the engine, as well as presenting less environmental impact and ease of maintainance. Power and rotational speed may vary rapidly and considerably in internal combustion engines. To cope with a varying heat source, the use of a static regenerator is studied in the third part of the work. This use confirmed the expectations of having temperature and power variations considerably attenuated.