Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduaçao em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-21T14:43:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 211533.pdf: 921600 bytes, checksum: 81d143d32212757bc4f8e1f4960f1021 (MD5) / Resumo: A área de aplicação dos sistemas de bombeamento capilar tem sido ampliada e muitos estudos têm sido voltados para a solução de problemas pendentes relacionados com a sua estabilidade de funcionamento. Estes sistemas apresentam uma forte dependência com as propriedades do elemento poroso que compõe a bomba capilar. Propriedades como o diâmetro crítico de percolação, a permeabilidade e a condutividade térmica determinam os limites de funcionamento destes evaporadores capilares. Este trabalho tem o objetivo de estudar e otimizar as rotas de fabricação de elementos porosos para uso em bombas capilares, assim como, de avaliar a utilização de técnicas baseadas em análise de imagens e em simulação de processos físicos em representações geométricas destas microestruturas para a caracterização das amostras porosas produzidas. Pós de níquel, de aço inoxidável 316L, de mulita e de alumina foram utilizados como matéria-prima para a sinterização dos elementos porosos. Os parâmetros de sinterização foram modificados buscando-se o ajuste das propriedades das estruturas porosas à aplicação em bombas capilares. Dentre as técnicas empregadas para a determinação destas propriedades, pode-se citar: análise de imagens, porosimetria por intrusão de mercúrio e métodos experimentais para determinação da porosidade, da permeabilidade e da condutividade térmica. As rotas de fabricação, assim como, os respectivos parâmetros de sinterização mais adequados são apresentados para cada material utilizado. Elementos porosos de níquel com diâmetro crítico de 0,9 mm, permeabilidade de 86 mD e condutividade térmica de 32 W/m.K, de aço inoxidável 316L com diâmetro crítico de 2,5 mm, permeabilidade de 53 mD e condutividade térmica de 9 W/m.K e de material cerâmico com diâmetro crítico de 0,3 mm, permeabilidade de 35 mD e condutividade térmica de 6 W/m.K foram obtidos. Os elementos porosos cerâmicos fabricados possuem as propriedades mais adequadas para o uso em sistemas de bombeamento capilar.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduaçao em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-21T18:48:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 226675.pdf: 11977958 bytes, checksum: 3e49a7da6dc8960938ca4c1c9dd46bf7 (MD5) / Novos avanços tecnológicos têm sido alcançados com circuitos de tubos de calor e circuitos de bombas capilares. Na sua forma mais simples, o sistema é constituído por uma bomba capilar, um condensador, um reservatório e linhas para transporte de líquido e de vapor. A circulação do fluido de trabalho pode ser conseguida através de estruturas capilares constituídas de níquel ou de aço inoxidável sinterizado, polietileno e nylon. Micro-ranhuras internamente usinadas axial ou circunferencialmente a tubos também se apresentam como alternativa viável para o bombeamento do fluido térmico, garantindo a movimentação do fluido na ausência da gravidade. Circuitos de bombas capilares não têm necessidade de potência elétrica externa para o seu funcionamento e não apresentam vibrações e desgaste devido à ausência de partes móveis. Além disto, são flexíveis no que diz respeito ao posicionamento e número de condensadores e evaporadores, localizados em diferentes posições, reduzindo o peso da estrutura de controle térmico, que é um requisito fundamental em satélites e mesmo estações orbitais. Atualmente, para de torná-las confiáveis e competitivas, as pesquisas enfocam na minimização de problemas relacionados com a partida, a presença de bolhas de vapor no canal de líquido, a presença de gases não condensáveis e a capacidade de recuperação das bombas capilares em caso de colapso. Neste trabalho, resultados teóricos para a condição de regime permanente, relacionados ao comportamento termodinâmico e de transferência de calor do circuito são apresentados, considerando que a evaporação do fluido térmico ocorre na interface entre o elemento poroso e a parede interna da bomba capilar. O modelo proposto considera como critério básico, que o sistema opera em condição estável, enquanto a frente de vapor se mantiver na interface. Os valores de potências, bem como campos de temperaturas calculadas pelo modelo foram comparados com valores medidos em laboratório. Ao contrário de bombas capilares de micro-ranhuras circunferenciais, bombas capilares de elementos porosos conferem maior capacidade de transferência de calor, mas tem um comportamento instável em situações próximas aos limites de operação, exigindo cuidados especiais tanto na montagem quando na escolha e na qualidade do fluido de trabalho. Duas bancadas experimentais foram utilizadas para avaliação das bombas capilares desenvolvidas neste trabalho. As bombas testadas apresentaram capacidades de bombeamento capilar variáveis na faixa de 3 a 25 kPa considerando diferentes tipos de materiais como elementos porosos, como polietileno, níquel, aço inoxidável, e material cerâmico a base de alumina. Os resultados experimentais foram obtidos utilizando acetona e amônia como fluido de trabalho. O comportamento térmico das bombas capilares de elementos porosos foi comparado com o comportamento térmico de bombas capilares de micro-ranhuras circunferenciais, utilizando acetona e amônia como fluidos de trabalho. Os resultados do trabalho mostram o potencial de utilização das bombas capilares de elementos porosos e apontam as direções nas quais o sistema poderia ter seu comportamento otimizado. O modelo teórico apresenta resultados satisfatórios, requerendo ainda ajustes complementares para que ele seja definitivamente validado com os resultados experimentais

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T21:02:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T03:49:59Z : No. of bitstreams: 1 142987.pdf: 34652095 bytes, checksum: b2d38d77dc589f4cd8a72bbd5b8961d5 (MD5)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2012-10-16T23:45:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T20:41:42Z : No. of bitstreams: 1 103921.pdf: 69001095 bytes, checksum: db10e2c332d90da6ca33fd14a4e8a948 (MD5) / O comportamento térmico e hidrodinâmico de bombas capilares de ranhuras circunferenciais é analisado com a finalidade de torná-las viáveis ao uso em circuitos de transferência de calor de dupla-fase. Comportamento de partida, limite capilar e capacidade de reativação da condição eventual de colapso são itens analisados. Resultados experimentais demonstram fluxos de calor da ordem de 12 kW/m2, usando Freon 11 como fluído de trabalho.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T23:22:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 248440.pdf: 8773551 bytes, checksum: 946e5a2e0bcc88338f87e10a0d4d9d44 (MD5) / Devido as perspectivas de escassez das fontes de energia elétrica e ao rígido controle ambiental relativo à utilização de fluidos refrigerantes, novas tecnologias de refrigeração têm surgido com uma certa regularidade. Tais tecnologias, sem exceção, geram duas superfícies térmicas, uma quente e outra fria, ambas na máquina de superfície fria ao compartimento refrigerado e a superfície quente ao ambiente externo. Tais sistemas devem ser compactos, ter baixo consumo de energia, ter capacidade de refrigeração elevada além de operarem com uma pequena diferença de temperatura entre as partes trocando calor. Uma das propostas para o lado quente, consiste na utilização de circuitos de bombas capilares, também conhecidos por CPLs (Capillary Pumped Loops). Uma CPL é um sistema bifásico que usa a aplicação de calor e as forças geradas pela tensão superficial em um elemento poroso para bombear fluido refrigerante num circuito fechado, composto basicamente por um evaporador, um condensador e um reservatório de líquido. Ao invés de uma bomba mecânica, o diferencial de pressão necessário para a circulação do fluido é gerado no menisco que separa as fases líquida e vapor no elemento poroso, localizado no evaporador. Desde a sua introdução, as CPLs vêm sendo utilizadas predominantemente na área aeroespacial. A utilização de CPLs em sistemas de refrigeração, exige características operacionais particulares, como altas taxas de transferência de calor e pequenas diferenças de temperatura entre partes trocando calor, além da presença da gravidade. O objetivo maior deste trabalho é avaliar o desempenho de um circuito CPL aplicado como um sistema secundário de transferência de calor no lado quente de sistemas alternativos de refrigeração. Para tanto, as características físicas e operacionais de CPLs foram estudadas em detalhes a partir da ampla literatura existente sobre o assunto. Apesar de ampla, a literatura não contempla a demanda do setor de refrigeração. Para preencher esta lacuna, decidiu-se projetar e ensaiar um circuito CPL com foco no segmento de refrigeração, investigando os efeitos de fatores tais como: temperatura de condensação, desnível entre trocadores de calor, configuração do elemento poroso e fluido de trabalho. Das configurações testadas, a que mostrou melhor desempenho foi aquela onde a temperatura da superfície quente se manteve em 76ºC para um fluxo de calor de 4,8W/cm2. Tal valor de temperatura é excessivamente elevado, gerando coeficiente de performance baixo e exigindo portanto melhorias significativas no conceito de bomba capilar adotado de forma a viabilizar a operação proposta. Due to the shortage of the electric energy sources and also to the strict environmental controls regarding the use of the actual refrigerants, alternative cooling technologies are now being introduced into the market, all of them with innovative features related to the energetic efficiency and also to the use of environmental friendly substances. However, all those technologies are based on a warm and a cold surface, both generated by and located at the refrigeration machine. That requires the utilization of secondary heat transfer loops to connect the cold surface to the refrigerated compartment and the warm surface to the external air. Such secondary circuits must be compact, in addition of having low energy consumption, high cooling capacity and producing a small temperature drop between the heat transfer source and sink. One of the alternatives for the warm side of alternative refrigeration systems is a Capillary Pumped Loop#CPL, considered in this work. A CPL is a two-phase flow system that uses heat and the capillary forces generated in a porous media to pump fluid in a closed loop, comprised by an evaporator, a condenser and a liquid reservoir. The required pressure difference to pump the fluid is generated in the meniscus that separates the liquid and vapor phases, located in the evaporator. Since its introduction, the CPL concept has been used mainly by the aerospace industry. In order to explore its use in refrigeration equipments some specific operational characteristics must be addressed: i) high heat transfer fluxes, ii) high condensation temperatures and iii) low temperature drops between the heat transfer source and sink. In addition to that the gravity is another factor that differentiates the aerospace and earth applications. The main objective of this work is therefore to explore the operational characteristics of a CPL working as a secondary heat transfer circuit in alternative refrigeration systems. For doing so a CPL prototype was designed and manufactured, having a flat geometry and using a heating block to simulate the warm surface of the refrigeration machine. The prototypes were tested in specific operational conditions required by the refrigeration sector, using ethyl alcohol and water as working fluids, and varying the thickness and the porous size of the porous wick, the height difference between evaporator and condenser and also the evaporator orientation. From those tests the operational limits for each CPL configuration were established, allowing the identification of failures and also of points for further design improvements. The best CPL configuration showed a warm surface temperature of 76ºC for a heat flux of 4.8W/cm2. Such a value is extremely high pushing the performance coefficient down. Therefore significant improvements are required in the CPL prototype before it can be considered a practical alternative for refrigeration systems.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-19T15:09:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 209169.pdf: 1097459 bytes, checksum: ef96a6358802bdb76d11bc23b67d566c (MD5) / Os circuitos de bombas capilares (CPL) são desenvolvidos para transferir calor sob pequenas diferenças de temperatura. São constituídos por um condensador, um reservatório, para controle de temperatura, e uma bomba capilar, que atua como evaporador (um evaporador capilar) e promove a circulação do fluido de trabalho por ação de forças capilares. Ao receber calor o fluido evapora na estrutura porosa da bomba capilar, formando uma região