Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Estágio realizado na MARTIFER ENER-Q e orientado pelo Doutor Pedro Correia de Carvalho / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Orientadores: Vivaldo Silveira Jr., Javier Telis-Romero / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-03T20:53:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kohayakawa_MarcioNaoki_M.pdf: 4226256 bytes, checksum: e6d021b6153424e2061e21c2bfdec03d (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The abstract is available with the full electronic document / Mestrado / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador : Carlos Alberto Carrasco Altemani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas / Made available in DSpace on 2018-07-16T15:22:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Halasz_JuditZoltan_D.pdf: 4336815 bytes, checksum: 300efe608e224f230e64452a63ad4eb0 (MD5) Previous issue date: 1984 / Resumo: Neste trabalho estão apresentados os resultados da avaliação e testes experimentais de cinco protótipos de bombas de calor fornecidos pelos fabricantes numa tentativa de determinar v seu desempenho sob várias condições de operação. Para conseguir esta finalidade, foi montada uma bancada de testes, totalmente automatizada para registro das medições e controle através de computador. A instrumentação utilizada para medidas de vazão, de temperaturas e de pressões da água e do refrigerante, foi instalada com saídas ligadas ao computador. Foram levantadas as características de operação de cada bomba de calor. Os resultados são apresentados analisando-se o desempenho experimental de vários processos em cada protótipo, além de uma verificação do comportamento individual de cada ciclo, através da segunda lei da termodinâmica. Na parte introdutória do trabalho é feita uma descrição do vasto campo de aplicações das bombas de calor. Além disso, com a finalidade de apresentação do conceito de exergia, de uso crescente, é feita uma análise termodinâmica dos ciclos de compressão de vapor das bombas de calor / Abstract: Experiments with five water-water prototype heat pumps are described. The effect of different operational conditions on the performance coefficient is studied and the results of various measurements are compared. Tests were performed on a special installation provided with automatic control to maintain the required temperatures of the water. Instrumentation to measure flow rates, temperatures and pressures of the water and of the refrigerant was connected to a computer. A large amount of data and experience has been gained to evaluate operational characteristics of heat pumps. Results were analysed on I the basis of the second law of thermodynamics using the exergy concept. Included, there is a review on heat pump applications / Doutorado / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Theo Guenter Kieckbusch / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-07-18T05:53:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rossi_SilvioJose_D.pdf: 6945687 bytes, checksum: 4a034b8cbe9aef15d0a9d7d2dbfe041e (MD5) Previous issue date: 1993 / Resumo: Uma bomba de calor composta por compressor alternativo acoplado a motor elétrico de 1,1 kW, condensador a ar, evaporador de expansão seca, refrigerante R22 e instrumentos de medição e controle foi conectada a um secador de bandejas. Ar ambiente era succionado através do evaporador, em seguida passava pelo condensador e era descarregado no secador. O desempenho termodinâmico da bomba de calor foi avaliado por ensaios nos quais se controlava previamente as condições do ar na entrada do evaporador (temperatura: 21, 25 e 30°C; umidade relativa, f: 40, 64 e 92%). Os resultados indicaram a temperatura de evaporação (tev) do refrigerante como o parâmetro operacional de maior influência na viabilidade da bomba de calor como sistema alternativo de condicionamento de ar para secagem de alimentos. A economia do consumo de energia elétrica, em relação a um sistema que usa apenas resistências elétricas para sobreaquecer o ar até produzir o mesmo potencial de secagem, foi da ordem de 40% quando se usou ar úmido (f > 90%) e tev = 0°C. O coeficiente de desempenho, COP, efetivo de aquecimento variou entre 1,7 e 2,1. Uma análise exergética apontou o conjunto motor-compressor como o elemento de maior consumo de exergia. Foram realizados ensaios de secagem até 4-6% de umidade, com fatias de cebolas in natura ou já parcialmente desidratadas, e os resultados foram comparados com os obtidos simultaneamente em outro secador, idêntico, mas com aquecimento do ar ambiente por meio de resistências elétricas, ambos a 55°C. As curvas de secagem confirmaram o desempenho superior do sistema que usa bomba de calor, permitindo considerável redução no tempo de exposição e, em conseqüência, melhor manutenção da cor (avaliada por análise espectro-fotométrica) e uma economia no consumo de energia elétrica da ordem de 15 a 35%. Um programa computacional de simulação dos processos da bomba de calor, em regime permanente, elaborado em linguagem Fortran77, apresentou desvios médios entre 4,2 e 9,0% em relação a resultados experimentais. O modelo também foi utilizado para analisar a influência de parâmetros operacionais no estabelecimento da temperatura de evaporação do R22 e no desempenho do sistema / Abstract: A heat pump made up of a reciprocating compressor driven by a 1.1 kW electric motor, an air condenser, a dry expansion evaporator, filled with R22 refrigerant fluid and fully instrumented was circuited to a tray dryer. Ambient air was sucked through the evaporator, flowed outside the condenser and was blown into the dryer. The thermodynamic performance of the heat pump was evaluated through several tests, keeping the entrance air under constant conditions (temperature: 21, 25 and 30°C; relative humidity, f: 40, 64 and 92%). The results indicated that the evaporation temperature, tev, is the most influencing parameter on process efficiency. Energy savings, when compared to a system that uses only electric resistances to over heat the air in order to produce the same drying potencial, was of the order of 40%, when humid air (f > 90%) and t = 0°C were used. Values of the effective heating performance coefficient, COP, ranged from 1.7 to 2.1. An exergetic analysis pointed the motor-compressor as the element of the greatest exergy consumption. onion rings were used during drying tests in order to compare the results to data obtained from another dryer, identical to the first one, but using heated air coming from an electrical heater, both at 55°C. Drying curves confirmed the superior performance of the, heat pump system, allowing considerable process time reduction, implying on color maintenance (evaluated from spectrophotometrical analysis) and energy saving by amount of 15 to 35%, as compared to the second dryer. A computational program, for simulating the heat pump processes at steady state, using Fortran77 language, showed average deviations between 4.2 and 9.0% when compared to experimental results. The model was employed to analyze the influence of operational parameters on evaporation temperature values and on the system performance / Doutorado / Doutor em Engenharia de Alimentos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T02:15:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 295809.pdf: 3426495 bytes, checksum: c98ec70c2c1255539d1f9f51bc24c449 (MD5) / A presente dissertação considera uma análise numérica comparativa dos desempenhos termodinâmicos de compressores alternativo e de pistão rolante operando com fluido R134a para aplicação em bombas de calor com 1,4kW de capacidade de aquecimento e temperaturas de evaporação e condensação iguais a 10°C e 55°C. O objetivo central do estudo é identificar as principais vantagens e desvantagens de cada compressor, a partir de estimativas de suas eficiências volumétrica e isentrópica. O estudo também contempla uma análise do desempenho desses compressores para fins de miniaturização nessa capacidade de aquecimento, alcançada através do aumento da rotação. Os modelos matemáticos empregados na simulação dos processos de compressão são baseados em formulações integrais da conservação da massa e da conservação da energia, permitindo descrever a evolução da densidade e da temperatura do gás ao longo do ciclo de compressão. O acoplamento a uma biblioteca externa permitiu a obtenção de dados para as demais propriedades termodinâmicas do fluido, tais como a pressão. A dinâmica das válvulas foi modelada através de um sistema massa-mola amortecido com um grau de liberdade, sendo que no compressor alternativo o escoamento nos filtros acústicos de sucção e descarga foi resolvido através do método de volumes finitos para uma formulação unidimensional transiente. Vazamentos e superaquecimento do fluido refrigerante foram também levados em consideração. A fim de tornar coerente a análise comparativa, cada um dos compressores foi otimizado para as condições de operação estabelecidas. Para tanto, incluiu-se uma etapa de otimização geométrica dos compressores cuja função objetivo foi a maximização da eficiência isentrópica. Nas análises comparativas, constatou-se que o compressor de pistão rolante apresentou um desempenho superior ao do compressor alternativo, sendo também mais adequado para projetos que busquem a miniaturização. As principais limitações encontradas nos compressores alternativos estão relacionadas ao volume morto e aos processos de admissão e descarga. Por outro lado, o superaquecimento e o refluxo na sucção são os fenômenos que mais comprometem o desempenho do compressor de pistão rolante. / The present dissertation considers a comparative analysis between the thermodynamic performances of reciprocating and rolling piston compressors for application in heat pumps with 1,4kW of heating capacity. Both compressors adopt R134a as the refrigerant fluid and evaporating and condensing temperatures equal to 10°C and 55°C, respectively. The aim of this study is to identify the advantages and disadvantages of each compressor based on estimates of the main effects that influence their volumetric and isentropic efficiencies. The effect of increasing the speed of each compressor for the purpose of miniaturization at this heating capacity is also investigated with emphasis on their thermodynamic performances. The mathematical models used to simulate the compression processes of both compressors are based on integral formulations of the conservation equations of mass and energy, allowing the prediction of density and temperature of the gas throughout the compression cycle. The coupling to an external library allowed estimates of other thermodynamic properties, such as the pressure in the compression chamber. The valve dynamics was solved by using a single-degree-of-freedom mass-spring-damper model. Pressure pulsation in the suction and discharge systems of the reciprocating compressor was estimated via a one-dimensional formulation for the compressible flow, which was numerically solved with the finite volume method. Leakage and superheating of refrigerant were also taken into account in the modeling of both compressors. In order to guarantee a meaningful analysis, each compressor was previously optimized for the operating conditions established for the comparison. The study shows that the rolling piston compressor performs better than the reciprocating compressor in the specified operating conditions and it is better suited for miniaturization purpose. The major limitations encountered in the reciprocating compressors are related to the inefficiencies caused by both the clearance volume and the suction and discharge processes. On the other hand, gas superheating and backflow in the suction orifice are the phenomena that most compromise the performance of the rolling piston compressor.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2015-12-29T03:06:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336505.pdf: 9341321 bytes, checksum: 919be3c552673c32aa365afc5df380c2 (MD5) Previous issue date: 2015 / A utilização de ciclos com separadores de fases, também conhecidos em inglês como flash gas by-pass cycles, possui um potencial para aplicações domésticas, não somente em refrigeradores mas também em condicionadores de ar e bombas de calor. As vantagens da remoção do flash gas em sistemas de grande porte são conhecidas. No entanto o uso desse conceito em refrigeradores domésticos exige um conhecimento mais profundo do fenômeno de separação de fases. Para tanto montou-se um aparato experimental específico, através do qual foram estudados dois separadores do tipo T com diâmetros internos de 6,35 mm e 12,7 mm. Os testes foram realizados com isobutano (R600a) em condições típicas de refrigeração doméstica, cujas vazões mássicas entre 0,5 a 3,0 kg/h e título entre 10 a 25% na entrada dos separadores. O separador de 6,35 mm separou as fases com relativa eficiência até 1,5 kg/h. Em vazões maiores observou-se um excessivo arraste de líquido pelo ramal de vapor. O separador de 12,7 mm apresentou alta eficiência de separação mesmo quando submetido a condições extremas de operação. O modelo matemático mostrou-se eficaz para o projeto de separadores gravitacionais para refrigeração de pequena capacidade (doméstica). O controle do nível de líquido no separador é fundamental para garantir a eficiência de separação de fases pois sem ele o vapor tende a escoar pelo ramal de líquido.<br> / Abstract : Flash gas bypass cycles shows a great potential for domestic applications, not only to refrigerators but also to air conditioners and heat pumps. The advantages of the removal of the flash gas in systems with R744 and R134a are known and proved promising. However to implement this new concept of cycle is necessary to fill the gaps in knowledge about the phenomenon of phase separation and design the phase separator. This study aims to understand the phenomenon of phase separation at T geometries of small diameter and develop a methodology for design gravitational separators aiming applications in domestic refrigeration. An experimental apparatus was constructed to allow studying separators using isobutane fluid, R600a. The impact separator configuration was examined. Two separators on the shape of T letter with internal diameters of 6.35 mm and 12.7 mm were studied and analyzed under typical conditions of domestic refrigeration. It was studied the mass flow rate range from 0.5 to 3.0 kg/h and quality from 10 to 25%. The first prototype managed to separate the phases with relative efficiency up to 1.5 kg/h, higher flow rates caused excessive drag of liquid to vapor branch. The separator with an internal diameter of 12.7mm showed high separation efficiency even when subjected to non-ideal conditions, liquid level above separator inlet. The mathematical model developed for the design of separators proved to be a good guide for the design of gravity separators for domestic refrigeration. The liquid level control is a major challenge to maintain the efficiency of phase separation; it was shown that in the absence of the liquid level, the vapor goes to the fluid branch, which is not desired.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-06-25T20:53:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 310364.pdf: 5777755 bytes, checksum: 4bb433ebfb378805777b990da22bf97c (MD5) / Em sistemas de refrigeração convencionais, o superaquecimento do fluido refrigerante no interior do compressor é um dos responsáveis pelas perdas globais de energia, aumentando o trabalho de compressão específico e reduzindo a capacidade de refrigeração. Em aplicações de aquecimento por bombas de calor, o superaquecimento também aumenta o trabalho de compressão, mas com um aumento da capacidade de aquecimento específica do sistema, pois a temperatura de entrada do condensador depende da temperatura final de compressão. O presente trabalho apresenta uma nova metodologia de análise dos efeitos do superaquecimento em compressores submetidos a aplicações de bomba de calor, empregando um modelo de simulação térmica do compressor. A partir dos resultados, mostra-se a importância em se avaliar corretamente o COP de aquecimento na escolha de um compressor adequado para esta aplicação. Diferentes configurações de compressores são experimentalmente avaliadas de forma a validar o modelo numérico. As análises experimentais de possíveis soluções mostraram que ganhos de eficiência de aquecimento entre 1,4% e 7,5% podem ser obtidos com o gerenciamento térmico adequado do compressor. O presente trabalho também permitiu o entendimento do comportamento das fontes e sumidouros de calor e sua relação com o ganho de eficiência de aquecimento. Os resultados indicam também que o superaquecimento do gás na sucção devido ao calor gerado no motor elétrico e nos mancais atua no sentido de aumentar a eficiência do compressor aplicado em bombas de calor. / In conventional cooling systems, the refrigerant superheating inside the compressor is largely responsible for overall energy losses, increasing the compression specific work and decreasing the cooling capacity. In heat pump applications, superheating increases both the compression loss and the specific heating capacity of the system, since the condenser inlet temperature is directed related to the final temperature of the compression process. In this work, a new methodology is proposed to analyze the effects of superheating on compressors applied to heat pump applications, by using a model to predict its thermal profile. It is shown the importance of correctly evaluating the COP for heating when selecting a suitable compressor for this application. Different configurations were experimentally tested for the compressor in order to validate the simulation model. An experimental analysis of different solution alternatives has shown that an efficiency increase between 1.4% and 7.5% can be obtained with a well-chosen thermal management alternative. The present study also allowed the understanding of sources and sinks of heat inside the compressor and their relation regarding the increase of heating efficiency. The results indicate that suction superheating due to heat released by both the bearings and the electrical motor act to increase the compressor efficiency in heat pump applications.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-01-31T03:08:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 343720.pdf: 2037557 bytes, checksum: 9fa3a75bec05f074541dcb7113b66c77 (MD5) Previous issue date: 2016 / Uma análise da viabilidade técnico-econômica de sistemas solares com-binados a bombas de calor para aquecimento de água é conduzida neste trabalho com o objetivo de estimular o uso de energia solar térmica no Brasil. Duas configurações distintas são propostas: (1) sistema solar com dois reservatórios conectados em série e uma bomba de calor ar-água atuando como fonte de energia auxiliar; e, (2) sistema solar com dois reservatórios conectados em paralelo e uma bomba de calor água-água. Além dessas, duas configurações alternativas para o sistema solar convencional foram tomadas como referência para as análises. Todos os sistemas foram modelados no software TRNSYS, dedicado a simulações transientes, considerando-se dados climatológicos de um ano meteoro-lógico típico (typical meteorological year - TMY) para cidade de Flori-anópolis-SC. Dados de catálogo fornecidos por fabricantes foram utili-zados para determinar o desempenho dos coletores solares e das bombas de calor. Os sistemas são direcionados ao aquecimento de água em larga escala, isto é, a empreendimentos com grande consumo de água quente, como condomínios residenciais, hospitais e hotéis, visto que possuem maior potencial para economia de energia e redução de custo, justificando assim o aumento do investimento inicial devido à introdução da bomba de calor no sistema. Nesse sentido, busca-se determinar qual dos sistemas retornará ao usuário a melhor relação custo-benefício segundo o critério do ganho líquido no ciclo de vida do empreendimento. O método de Monte Carlo foi utilizado para analisar o impacto de incertezas do padrão de consumo na viabilidade econômica dos sistemas. Os resultados mostram que todos os sistemas apresentados são capazes de proporcionar ganhos líquidos positivos ao usuário. A quantificação desse ganho depende, no entanto, do dimensionamento dos sistemas em função da área de coletores, do tamanho dos reservatórios de armazenamento de energia e da capacidade da bomba de calor, além dos parâmetros econômicos adotados. De modo geral, o sistema combinado à bomba de calor ar-água demonstrou desempenho superior em termos de eficiência energética global em relação aos demais, e foi capaz de proporcionar ganhos líquidos comparáveis aos sistemas solares convencionais.<br> / Abstract : This work presents an analysis of the simulated performance of two combined solar heat pump water heating systems, aiming to provide technical data to promote the use of thermal solar energy in buildings in Brazil. Two configurations of combined solar-heat pump domestic water heating systems were proposed: (1) a dual tank solar system combined to an air-source heat pump (ASHP); and, (2) a dual tank solar system combined to a water source heat pump (WSHP). A single and a dual tank traditional solar system were also undertaken as reference systems. The four systems of interest were modeled in the TRNSYS software and simulated for a year in order to compare their performances. Simulations were performed for a typical meteorological year (TMY) using climate data of Florianópolis, Brazil. Actual manufacturers catalog data were used to simulate both the solar collector and the heat pumps performances. Focus is given on large daily hot water consumers, such as multi-residential buildings, hospitals or hotels, in order to explore their higher potential for energy and cost savings, and improve the economic justifiability of the proposed systems through the economy of scale. The economic feasibility of the proposed systems was assessed by means of Life Cycle Savings Analysis (LCSA). Uncertainty analysis was carried out through a Monte Carlo approach. Results showed that all systems are profitable. The potential savings depend however on different combinations of economic parameters as well as design parameters such as collector area, storage volume and heat pump capacity. In general, the solar system combined to an ASHP showed better performance, and was able to provide economic savings comparable to the traditional solar systems.

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas de calefacción representan una de las principales fuentes de consumo energético a nivel doméstico. Por ello surge la necesidad de buscar sistemas de elevada eficiencia y que no estén asociados a la generación de gases contaminantes. Una bomba de calor resulta una opción favorable pues su alta eficiencia se basa en un funcionamiento como transportador de calor, y no a través de una conversión directa. En particular, durante el invierno, las temperaturas máximas que se presentan en Santiago no superan los 20 $[^\circ C]$ y las temperaturas mínimas llegan a ser menores a los 4 $[^\circ C]$, presentando una alta demanda de calefacción durante este periodo. A su vez, debido a las bajas temperaturas, el uso que se hace de una piscina es casi nulo. En este contexto, el objetivo de la presente Memoria fue evaluar, en términos termodinámicos y económicos, la configuración de un sistema de calefacción a través de una bomba de calor, considerando una piscina como fuente de calor. Dentro de la literatura, se han investigado extensamente este tipo de sistemas, tanto a nivel de modelación del ciclo de compresión de vapor como de instalaciones térmicas de bombas de calor. Sin embargo, no se han presentando investigaciones que cuantifiquen el desempeño ni factibilidad económica de una instalación de características similares y que, además, considere las fluctuaciones de las condiciones ambientales a lo largo del periodo de invierno. Un modelo que captura este comportamiento transiente fue desarrollado utilizando la plataforma TRNSYS, para las localidades de Concepción, Santiago y Valparaíso. Por su parte, se empleó el programa EES para modelar el comportamiento en estado estacionario de la bomba de calor. Se propone un análisis termodinámico y económico para evaluar el desempeño termodinámico y los potenciales beneficios, en términos de ahorro, de la configuración. Los resultados muestran un rendimiento bajo de la configuración, en términos del COP, respecto a su valor nominal, debido a las bajas temperaturas que alcanza la piscina. Debido a esto, la configuración presenta ahorros cuando la demanda de calefacción es alta, la cual depende del área superficial de la vivienda y las condiciones ambientales de la localidad. Las dimensiones de la piscina, por su parte, influyen principalmente en el ratio de la capacidad de calefacción de la bomba de calor respecto a su valor nominal, pero no en el rendimiento de la configuración. Se concluye que se presentan ahorros a partir de tamaños de vivienda mayores a los 310 $[m^2]$ en las ciudades de Concepción y Santiago, con una capacidad de calefacción nominal de 14 $[kW]$ como la mejor alternativa entre las analizadas. En ese contexto, cabe mencionar que la entalpía de fusión del agua de la piscina no fue considerada y el modelo de vivienda y radiador posee un nivel de modelación simple.