[pt] Apresenta-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo teórico-numérico baseado na Teoria da Viscoelasticidade Linear capaz de prever as distribuições transientes e residuais das componentes de tensão e de deformação de um cilindro polimérico longo submetido a resfriamento brusco. Descrevem-se, ainda, os procedimentos experimentais adotados como intuito de se determinarem algumas propriedades térmicas e mecânicas do sistema epóxi DER331/XG0103/XB81215. Finalmente, comparam-se os resultados fornecidos pelo modelo teórico-numérico com resultados experimentais obtidos através da utilização de uma técnica extensométrica conhecida como Método de Sachs. / [en] This work presents the development of a theoretical and numerical model based on the Linear Viscoelastic Theory able to predict the transient and residual stress and deformation distributions in a long polymeric cylinder subject to a rapid cooling. The work describes the experimental procedures adopted aiming to determine some thermal and mechanical properties of the epoxy system DER331/XG0103/XB81215. Finally, the results from the theoretical numerical model are compared to the ones obtained experimentally by na extensometric technique known as Sachs’ Method.

[pt] No processo de transporte e produção de petróleo e seus derivados em linhas submarinas, o controle da transferência de calor entre o produto quente e o mar frio, é fundamental para a garantia do escoamento. Se a temperatura do produto cair abaixo de determinados valores críticos, problemas como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação podem ocorrer, levando ao bloqueio da linha e interrupção de produção, demandando altos custos. A perda de calor para o ambiente é minimizada, através de isolantes térmicos projetados para operações em regime permanente. Nestes casos, devido às altas velocidades do escoamento axial, o qual é tipicamente turbulento, o processo de transferência de calor dominante é o de convecção forçada. Porém, durante uma operação de manutenção de algum equipamento, a produção pode ser interrompida e o fluido ficando parado no interior da linha, tende a resfriar-se podendo atingir uma temperatura crítica. Durante este resfriamento, na ausência de bombeio, o processo de convecção natural passa a dominar. O presente trabalho analisa o processo de transferência de calor após a parada de bombeio, considerando os efeitos da convecção natural no resfriamento do produto, assim como a influência da capacidade térmica da parede do duto e das camadas de revestimento no transiente térmico. Inicialmente, considera-se que o escoamento axial é rapidamente levado ao repouso e utiliza-se um modelo bidimensional da seção transversal do duto, utilizando três produtos típicos: um óleo leve, um óleo pesado, e um gás. Os campos de velocidade e temperatura são obtidos numericamente utilizando o software FLUENT, considerando a hipótese de Boussinesq para avaliar a convecção natural. A taxa de resfriamento obtida é comparada com a previsão de um modelo unidimensional na direção axial, que utiliza correlações empíricas para avaliar a transferência de calor entre o fluido a parede da tubulação, em função do regime de escoamento. Boa concordância entre as simulações para a seção central da linha é obtida. No entanto, como as variações axiais para o caso do gás são maiores, para este produto, um modelo tridimensional também foi analisado, onde se considerou os efeitos combinados da convecção forçada e natural. Adicionalmente, a hipótese de Boussinesq foi eliminada, e a equação de gás ideal foi considerada. / [en] Heat transfer control is crucial for flow assurance in transport as well as production operations of oil and its derivatives in subsea lines. If the product temperature falls below certain critical values, problems such as hydrate formation or wax deposition in the pipelines walls can occur, inducing line blockage and interruption of production, demanding high costs. The heat loss to the environment is minimized by employing thermal insulation, which are designed for stead state operations. For these cases, due to high axial velocities, the flow is typically turbulent, and the dominant heat transfer mechanism is due to convection forced. However, during maintenance operation of some equipment, the production can be interrupted and the stagnant fluid in the interior of the line tends to cool down and it can reach a critical temperature. During this cooling, in the absence of pumps, the process of natural convection begins to dominate. The present work analyzes the heat transfer process after flow shutdown, considering the effect of the natural convection, as well as the influence in the thermal transient of the thermal capacity of the duct wall and insulation layers. Initially, it is considered that the axial flow is set to rest very quickly and a two-dimensional model of the transversal section of the duct is employed, using three typical products: light oil, heavy oil and pressurized gas. The velocity and temperature filed are obtained using the numerical software FLUENT, considering the hypothesis of Boussinesq to evaluate the natural convection. The cooling rate is compared with the forecast of a unidimensional model in the axial direction based on empirical correlations, function of the flow regime, to evaluate the heat transfer between the fluid and the duct wall. Good agreement is obtained between the solutions of the 2-D model and the pipeline central cross section of the 1-D model. However, as the axial variations for the gas case are significant, for this product, a three-dimensional model also was analyzed, where it was considered the effects of the forced and natural convection. Additionally, the hypothesis of Boussinesq was eliminated, and the ideal gas equation was considered.

[pt] A certificação Passivhaus de construção se estabelece como uma das principais certificações de eficiência energética alemã na arquitetura. Seu potencial não foi reconhecido somente na Alemanha, mas sim em toda a Europa. Sua metodologia de avaliação leva em consideração a arquitetura passiva da edificação, resultando em uma menor demanda energética para climatização do ambiente. Por se tratar de uma certificação voluntária, desenvolvida para países frios, surgiu a questão de aplicá-la em países de climas quentes, fazendo uso do resfriamento por absorção, resfriamento esse pouco utilizado atualmente devido ao seu baixo rendimento. Os resultados obtidos nesse trabalho comprovam a redução da carga térmica do ambiente através da arquitetura passiva, auxiliada pelo resfriamento por absorção, utilizando a energia solar. Representa avanços na redução do consumo de energia das edificações de forma passiva e por energias renováveis. / [en] The Passivhaus certification is established as one of the leading German energy efficiency certifications in architecture. Its potential was not only recognized in Germany, but across Europe. Its method of evaluation takes into account the passive architecture of the building, resulting in a lower energy demand for ambient conditioning. Since it is a voluntary certification developed for cold countries, it raises the question of its effectiveness when it is applied in countries with hot climates, making use of absorption cooling, which is underused today because of its low efficiency. The results of this work demonstrates that there is a reduction of the thermal load of the environment through passive architecture, aided by absorption cooling using solar energy. It represents progress in reducing the energy consumption of buildings by introducing passive cooling coupled with renewable energy sources.

[pt] No presente trabalho foi realizada uma investigação numérica de um escoamento forçado em um canal plano parcialmente construído por um elemento retangular aquecido com temperatura da parede constante. O elemento tem dimensões fixas e foi estudado em diferentes posições do canal, ao passo que este tem comprimento fixo e largura variável, de modo a obter-se uma razão de aspecto entre 21,8 e 4,0. A faixa investigada do número de Reynolds foi de 100 a 1500, e o número de Prandtl foi fixado em 0,7, a fim de simular escoamento de ar com propriedades constantes. O método numérico utilizado na resolução das equações de conservação que regem o escoamento foi o método dos volumes de controle desenvolvido por Suhas V. Patankar. A partir dos perfis de velocidade, pressão e temperatura foram calculados a perda de carga ao longo do canal e o número de Nusselt médio em torno do elemento. Foram também realizadas comparações com outros trabalhos; tanto dos resultados hidrodinâmicos como dos térmicos, e boas concordâncias foram obtidas. / [en] A numerical investigation of a forced flow in a partially obstructed plate channel was performed in the present work. The obstruction was an isothermal rectangular element. The effect of the element, which had fixed dimensions, was studied for different channel positions. The channel had a fixed length but its width was variable, making it possible to obtain an aspect ratio between 21,8 and 4.0. The investigation was made for Reynolds number from 100 to 1500 and the Prandtl number was fixed at 0.7, to simulate a constant property air flow. The numerical method used in the solution of the conservation law equations which govern the flow was the control volume numerical method, developed by Suhas V. Patankar. From the velocity, pressure and temperature profiles, the head loss along the channel and the average Nusselt number around the element surface. The hydrodynamical and thermal results were compared, when possible, with previous papers, and a good agreement was obtained.

[pt] Um estudo experimental sobre a transferência de calor por convecção natural devido a um elemento isotérmico situado em uma das paredes de um canal vertical de placas planas e paralelas foi realizado. Os experimentos foram feitos com ar como fluido refrigerante. O elemento isotérmico dissipa calor por efeito Joule. Para a obtenção do coeficiente de transferência de calor e necessária a avaliação do calor trocado por convenio natural com o ar. Para isto é feita uma quantificação do calor perdido por condução pelas paredes do canal e do calor perdido por radiação pelo elemento isotérmico. O coeficiente de transferência de calor por convecção natural varia com os seguintes parâmetros: a diferença de temperatura entre o elemento isotérmico e o ar ambiente, a posição em que está fixado o elemento isotérmico no canal e a abertura do canal. Um valor ótimo da abertura do canal, que maximiza o coeficiente de transferência de calor, existe para cada diferença de temperatura fixada. Este valor máximo chega a atingir valores 25 por cento maiores que os de placa com o elemento ligado e ela. Comparações entre esses valores máximos e os encontrados para geometrias similares são feitas. Os espaçamentos ótimos encontrados neste trabalho são maiores que os obtidos na literatura para estes outras configurações. Também foram feitas comparações entre os valores para os coeficientes de transferência de calor deste trabalho e os classicamente obtidos em problemas de canais onde uma placa é adiabática e outra é isotérmica. Os coeficientes deste trabalho mostraram-se mais altos. / [en] An experimental study was performed on natural convection heat transfer to air in a vertical channel due to an isothermal heated element attached in one of the walls of the channel. The heated element dissipates heat due to the Joule effect. To determine the heat transfer coefficient, it is necessary to evaluate the heat transferred to air by natural convection alcne. Hence, the heat lost by the element due to conduction and radiation is evaluated in order to correct the measured heat transfer. The natural-convection heat transfer coefficient is a function of the following parameters: the temperature difference between the element and the ambient air, the position of the element in the channel, and the channel spacing. An optimal value of the channel spacing, when the heat transfer coefficient attains its maximum value, was observed for each of the temperature difference investigated. These maximum values may be up to 25 percent higher than the value for the case of infinite spacing. Comparisons are made with results available in the literature for similar configurations, and the values found in this work are higher.

[pt] Efeitos na transferência de calor e perda de carga de uma matriz de módulos retangulares, localizada no interior de um duto retangular plano, foram analisados experimentalmente tendo-as ar como fluido de trabalho. A pesquisa foi desenvolvida objetivando simular a refrigeração de componentes eletrônicos por convecção forçada. Aplicando-se a técnica de sublimação de naftaleno determinaram-se os coeficientes de transferência de massa (calor) para três situações investigadas durante o curso da experiência. São elas: (a) para a matriz base formada apenas por módulos regulares, (b) para um módulo alto inserido em todas as posições na linha de centro na matriz, (c) para os módulos vizinhos ao módulo alto na matriz. A partir dos resultados obtidos, determinaram-se correlações para o Número de Sherwood em função do Número de Reynolds compreendido na faixa de 2000 a 7000. O Número de Sherwood do môdulo alto, mostrou-se substancialmente maior comparado com o módulo regular da mesma posição. Esse acréscimo foi da ordem de 90 por cento a 95 por cento na região completamente desenvolvida, para baixo Número de Reynolds. Verificou-se que a presença do módulo alto causou um significativo aumento no coeficiente de transferência de calor nos modulos vizinhos, atingindo em alguns casos, aumento de 50 por cento. O módulo posicionado ao lado do módulo alto acusou o maior acréscimo de transferência de calor. Medidas de pressão na matriz sem e com módulo alto foram realizadas. Com a introdução do módulo alto, um acréscimo na perda de carga for verificado, sendo que, para o menor Número de Reynolds, este incremento corresponde a perda de carga equivalente a aproximadamente seis fileiras de módulos regulares. / [en] Heat transfer and pressure drop characteristics an array of rectangular modules inside a rectangular duct were experimentally studied using air as the working fluid. The research was conducted with the aim of simulating the cooling of eletronic components by forced convection. Mass ( Heat ) transfer coefficients were determined via naphthalene sublimation technique for three different situations, namely (a) for modules in the basic array, composed of regular modules only, (b) for a tall module positioned at all positions in the array center longitudinal row, and (c) for the modules in the neighborhood of the tall module. With basis on the results obtained, relations for the Sherwood (Nusselt) Number were obtained as a function of the Reynolds Number, which varied from 2000 to 7000. The Sherwood Number for the tall module was found to be higher than the one for the regular module at the same position. This increase was of the order of 90-95 percent, in the fully developed region and for low Reynolds Number. It was found that the presence tall module caused of the significant enhancements on the heat (mass) transfer coefficient of the neighboring modules, reaching in same cases 50 percent increases. The regular modules situated by the sides of the tall module underwent the highest enhancements on heat transfer. Pressure Measurements on the array with and without the tnll module where performed. In the presence of the tall module, an additional pressure loss was observed, being equivalent to the loss associated with approximately six transversal rows of regular modules, for the lower Reynolds Number.

[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, realizou-se com fim de construir aparelhos que façam a medida da condutividade térmica e a geração interna de calor em plásticos fotoelásticos durante o endurecimento dos mesmos, na obtenção de peças para análise fotoelástico. O objetivo foi fornecer um projeto para obter dados a serem usados no laboratório de fotoelasticidade da PUC. O plano de trabalho seguiu o esquema que se apresenta: a) Para a condutividade térmica a medição se baseia no resfriamento Newtoniano, isto é aquele que se pode descrever com equação exponencialmente decrescente. Mediante a simulação do sistema num programa de computador se analisou o comportamento do aparelho para valores extremos a para valores médios, não sendo erro teórico superior ao 10 por cento. Na simulação se incluiu geração interna de calor devida à reação no interior do plástico. Uma vez provado que o sistema é o apropriado, projeta-se o aparelho de tal maneira que se cumpram as hipóteses da simulação. b) Para a geração interna de calor o princípio utilizado é a medida da energia liberada, mediante a determinação da variação da temperatura com o tempo de uma massa de plástico. / [en] The present work was done with the goal of constructing devices to measure the thermal conductivity and internal heat generation in photoelastic plastics during the hardening phase in the obtainment of models for photoelastic analysis. The objective was to supply a technique to obtain data to be used in the PUC photoelasticity laboratory. The work followed the following scheme: a) For thermal conductivity, the measurement is based on Newtonian cooling which is that which can be described by na exponentially decreasing equation. By simulating the system with a computer program, the behavior of the device was analysed extreme and médium values, the theoretical error, not being greater than 10 per cent. The simulation included heat generation due to the internal reaction in the plastic. Having proved that the system is a proper one, a device was designed in such a manner that it matches the hypothetical simulation. b) For the internal heat generation, the principle employed was to measure the energy liberated by means of the temperature variation with time of plastic mass.

[pt] A utilização de forças ópticas, elétricas e magnéticas para levitar e controlar nano-objetos em um ambiente de alto vácuo possibilitou o desenvolvimento do campo da levitodinâmica. A levitação óptica, em particular, permitiu a implementação de ressonadores massivos de alto fator de qualidade, conduzindo a resultados que incluem o resfriamento ao estado fundamental em escala mesoscópica e o desenvolvimento de sensores com sensibilidade ultrafina. Esses avanços possuem um potencial significativo tanto no âmbito da pesquisa fundamental quanto em termos de progresso tecnológico. O desenvolvimento e implementação de técnicas avançadas de controle é indispensável para o avanço experimental na levitodinâmica, visto que facilita a estabilização do movimento destes sistemas levitados, melhorando assim a sua sensibilidade e possibilitando a obtenção das propriedades necessárias para examinar princípios fundamentais. Esta dissertação concentra-se no estudo e controle de certos sistemas levitados opticamente: nanoesferas dielétricas aprisionadas no vácuo por um feixe Gaussiano altamente focalizado. Para realizar essa investigação, elucidaremos a descrição teórica destes sistemas e destacaremos algumas técnicas de controle importantes. Posteriormente, procederemos a investigações experimentais onde visamos atuar em dois contextos diferentes. Primeiramente, exploraremos a geração de forças não lineares como uma maneira de alterar o movimento dessas nanopartículas, visando compreender o efeito destes termos na sua dinâmica. Em segundo lugar, detalharemos o desenvolvimento de um aparato experimental que permite a estabilização tridimensional do movimento de uma nanopartícula por meio da aplicação apenas de controle elétrico, permitindo aprisionamento estável em alto vácuo. / [en] The harnessing of optical, electric and magnetic forces to levitate and control nano-objects in high vacuum environment has enable the development of the field of levitodynamics. Optical levitation, in particular, has allowed the implementation of massive high-quality factor resonators, yielding results that include ground-state cooling at the mesoscopic scale and high precision force and displacement sensor. These advancements hold significant potential for both fundamental research and technological progress. Precise control of levitated systems is indispensable for advancing experimental techniques in levitodynamics. This level of control facilitates motion stabilization, thereby enhancing the sensitivity of these systems and enabling the attainment of the desired properties necessary for examining fundamental principles. This dissertation focuses on the study and control of certain optically levitated systems: dielectric nanospheres trapped in vacuum by a highly focused Gaussian beam. To undertake this examination, we will elucidate the theoretical framework underlying these levitated systems and highlight some majorly important control techniques. Subsequently, we will proceed to experimental investigations where we aim to apply feedback forces in two different contexts. First, we will explore feedback forces as a way to change the dynamics of levitated nanoparticles, by means of adding nonlinear terms governing their motion. Secondly, we will detail the development of an experimental setup that allows 3D stabilization of motion by applying an all electrical control scheme, allowing stable trapping at high vacuum.

[pt] Diante dos constantes avanços da tecnologia os dispositivos eletrônicos vêm passando por um processo de miniaturização, ao mesmo tempo em que sustentam um aumento de potência. Essa tendência se mostra um desafio para seu gerenciamento térmico, uma vez que os sistemas de resfriamento típicos para eletrônicos utilizam ar como fluido de trabalho, e o seu baixo coeficiente de transferência de calor limita sua capacidade de atender às necessidades térmicas da indústria atual. Nesse sentido, o resfriamento bifásico tem sido considerado uma solução promissora para fornecer resfriamento adequado para dispositivos eletrônicos. Circuitos de termossifão bifásico combinam a tecnologia de resfriamento bifásico com sua inerente natureza passiva, já que o sistema não requer uma bomba para fornecer circulação para seu fluido de trabalho, graças às forças da gravidade e de empuxo. Um dissipador de calor de microcanais, localizado bem em cima do dispositivo eletrônico, dissipa o calor gerado. Isto o torna uma solução de baixo custo e energia. Além disso, ter um circuito de termossifão operando com um refrigerante de baixo GWP, como o R-1234yf, resulta em baixo impacto para o meio ambiente, uma vez que é um refrigerante ecologicamente correto e o sistema tem baixo ou nenhum consumo de energia. Este trabalho fornece um modelo numérico detalhado para a simulação de um circuito de termossifão bifásico, operando em condições de regime permanente. O circuito compreende um evaporador (chip e dissipador de calor de micro-aletas), um riser, um condensador refrigerado a água de tubo duplo e um downcomer. Equações fundamentais e constitutivas foram estabelecidas para cada componente. Um método numérico de diferenças finitas, 1-D para o escoamento do fluido por todos os componentes do sistema, e 2-D para a condução de calor no chip e evaporador foi empregado. O modelo foi validado com dados experimentais para o refrigerante R134a, mostrando uma discrepância em relação ao fluxo de massa em torno de 6 por cento, para quando o sistema operava sob regime dominado pela gravidade. A pressão de entrada do evaporador prevista apresentou um erro relativo máximo de 4,8 por cento quando comparada aos resultados experimentais. Além disso, a maior discrepância da temperatura do chip foi inferior a 1 grau C. Simulações foram realizadas para apresentar uma comparação de desempenho entre o R134a e seu substituto ecologicamente correto, R1234yf. Os resultados mostraram que quando o sistema operava com R134a, ele trabalhava com uma pressão de entrada no evaporador mais alta, assim como, com um fluxo de massa mais alto. Por causa disso, o R134a foi capaz de manter a temperatura do chip mais baixa do que o R1234yf. No entanto, essa diferença na temperatura do chip foi levemente inferior a 1 grau C, mostrando o R1234yf como comparável em desempenho ao R134a. Além disso, o fator de segurança da operação do sistema foi avaliado para ambos os refrigerantes, e para um fluxo de calor máximo do chip de 33,1 W/cm2, R1234yf mostrou um fator de segurança acima de 3. Isso significa que o circuito de termossifão pode operar com segurança abaixo do ponto crítico de fluxo de calor. Dada a investigação sobre a comparação de desempenho dos refrigerantes R134a e R1234yf, os resultados apontaram o R1234yf como um excelente substituto ecologicamente correto para o R134a, para operação em um circuito de termossifão bifásico. / [en] Given the constant advances in technology, electronic devices have been going through a process of miniaturization while sustaining an increase in power. This trend proves to be a challenge for thermal management since commonly electronic cooling systems are air-based, so that the low heat transfer coefficient of air limits its capacity to keep up with the thermal needs of today s industry. In this respect, two-phase cooling has been regarded as a promising solution to provide adequate cooling for electronic devices. Two-phase thermosyphon loops combine the technology of two-phase cooling with its inherent passive nature, as the system does not require a pump to provide circulation for its working fluid, thanks to gravity and buoyancy forces. A micro-channel heat sink located right on top of the electronic device dissipates the heat generated. This makes for an energy and cost-efficient solution. Moreover, having a thermosyphon loop operating with a low GWP refrigerant such as R-1234yf results in low impact for the environment since it is an environmentally friendly refrigerant, and the system has low to none energy consumption. This work provides a detailed numerical model for the simulation of a two-phase thermosyphon loop operating under steady-state conditions. The loop comprises an evaporator (chip and micro-fin heat sink), a riser, a tube-in-tube water-cooled condenser and a downcomer. Fundamental and constitutive equations were established for each component. A finite-difference method, 1-D for the flow throughout the thermoysphon s components and 2-D for the heat conduction in the evaporator and chip, was employed. The model was validated against experimental data for refrigerant R134a, showing a mass flux discrepancy of around 6 percent for when the system operated under gravity dominant regime. The predicted evaporator inlet pressure showed a maximum relative error of 4.8 percent when compared to the experimental results. Also, the chip temperature s largest discrepancy was lower than 1 C degree. Simulations were performed to present a performance comparison between R134a and its environmentally friendly substitute, R1234yf. Results showed that when the system operated with R134a, it yielded a higher evaporator inlet pressure as well as a higher mass flux. Because of that, R134a was able to keep the chip temperature lower than R1234yf. Yet, that difference in chip temperature was slightly lower than 1 C degree, showing R1234yf as comparable in performance to R134a. In addition, the safety factor of the system s operation was evaluated for both refrigerants, and for a maximum chip heat flux of 33.1 W/cm2, R1234yf showed a safety factor above 3. This means the thermosyphon loop can operate safely under the critical heat flux. Given the investigation on the performance comparison of refrigerants R134a and R1234yf, results pointed to R1234yf being a great environmentally friendly substitute for R134a for the two-phase thermosyphon loop.