Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e Fundação de Apoio a Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF). / Um estudo numérico da transferência térmica por convecção natural, forçada e mista em um painel fotovoltaico inclinado, em regime laminar e turbulento, foi realizado. Este painel é formado por um conjunto de 16 módulos solares de 1 m (comprimento) x 0,5 m (largura). As equações do modelo matemático foram resolvidas numericamente pelo Método dos Volumes Finitos, utilizando ferramentas CFD. A metodologia RANS foi aplicada para realizar as simulações numéricas do escoamento em regime turbulento, utilizando o modelo de turbulência SST. O modelo numérico foi validado por meio de ensaios experimentais e correlações empíricas presentes na literatura que estimam a transferência térmica em placas planas inclinadas. Os resultados numéricos da transferência térmica por convecção natural, forçada e mista nas superfícies (superior e inferior) do painel fotovoltaico são apresentados relacionando o número de Nusselt com os números de Rayleigh, Reynolds e de Richardson, respectivamente. Foi observado que as correlações empíricas de placa plana vertical em regime de convecção natural (condições de vento nulo) e escoamento laminar podem ser utilizadas para uma placa inclinada até 80° com relação a vertical se a componente da gravidade paralela à placa for usada no cálculo do número de Rayleigh. Entretanto, para escoamento turbulento apresentam incerteza de até 25% devido à amplificação de instabilidades térmicas e fluidodinâmicas na superfície superior do painel que não são previstas por tais correlações. Também foi verificado que, para placa plana inclinada, os efeitos da convecção mista devem ser considerados para 1 ≲ Ri ≲ 60. Correlações numéricas para estimar a transferência térmica por convecção forçada e mista são propostas para escoamentos com características típicas encontradas em aplicações de painéis fotovoltaicos. / A numerical study of heat transfer by natural, forced and mixed convection in an inclined photovoltaic panel was accomplished for laminar and turbulent flows. This panel consists of 16 solar modules of 1 m (length) x 0,5 m (width). The mathematical model equations were numerically solved by the Finite Volume Method using CFD tools. The RANS methodology was applied to perform numerical simulations of turbulent flow with the SST turbulence model. The numerical model was validated through experimental assays and comparison with available empirical correlations in the literature that estimate heat transfer in inclined plates. The numerical results of the heat transfer by natural, forced and mixed convection from the upper and bottom surfaces of the photovoltaic panel are presented by relating the Nusselt number to the Rayleigh, Reynolds and Richardson numbers, respectively. It was observed that the empirical correlations of a vertical flat plate in natural convection (zero wind conditions) and laminar flow may be used for a plate inclined up to at least 80° from the vertical position if the component of gravity parallel to the plate is used in the Rayleigh number. However, these empirical correlations might reach up to 25% of uncertainty for turbulent flows due to the amplification of thermal and fluid dynamic instabilities in the upper surface of the panel that are not predicted by such correlations. Furthermore, it was verified for the inclined flat plate that the effects of mixed convection shall be considered for 1 ≲ Ri ≲ 60. Numerical correlations for estimating forced and mixed convection heat transfers are suggested for the flows with typical characteristics encountered in photovoltaic panel applications.

Tese de doutoramento. Programa doutoral em Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico, 1983 / Made available in DSpace on 2012-10-15T22:15:16Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T14:48:02Z : No. of bitstreams: 1 87992.pdf: 3295776 bytes, checksum: e17a6e0e6dd329998054f62aa33ae235 (MD5) / No presente trabalho é analisado o problema de transferência de calor em aletas longitudinais com as principais geometrias utilizadas em equipamentos de troca térmica por convecção. A equação da energia é resolvida analiticamente para aletas de geometria arbitrária, formulação unidimensional, através do uso do coeficiente de transferência de calor por convecção. O problema de otimização de aletas e abordado analiticamente, fornecendo os parâmetros que permitem a máxima transferência de calor para determinado gasto de material na aleta. A utilização do modelo-topo isolado recomenda a utilização de aletas e sua otimização para qualquer número de Biot da aleta. A utilização do modelo-topo convectivo permite determinar quando é recomendado o uso de aletas, quando e desvantagem utilizar aletas e quando é possivel a otimização da aleta, confor me o valor do número de Biot da aleta e de um parâmetro de convecção no topo da aleta.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T07:23:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 283030.pdf: 2799901 bytes, checksum: 91c21a69a0bde9a4b3e9e7ee8a00317c (MD5) / A utilização de tubos de calor pulsantes (TCPs) como dispositivos de controle térmico de equipamentos eletrônicos que operando acima da temperatura ambiente, tem sido objeto de investigações teóricas e experimentais. Todavia, até o presente, ainda não foram realizados estudos sobre o comportamento destes dispositivos em aplicações de baixas temperaturas. Neste contexto, o presente estudo tem como principal objetivo a investigação teórico-experimental do comportamento térmico de TCPs, em temperaturas típicas de refrigeração, utilizando o dióxido de carbono (CO2) como fluido de trabalho. Três experimentos foram realizados, sendo que no Experimento I o comportamento térmico de um TCP em circuito fechado, com múltiplas curvas foi avaliado em termos da variação da potência fornecida, da razão de enchimento do fluido de trabalho e do ângulo de inclinação. O máximo fluxo de calor transferido foi de 75 W, no modo de operação direto (condensador situado acima do evaporador), para razão de enchimento de 75% e ângulo de inclinação de 45. No Experimento II o desempenho do TCP foi avaliado em relação aos mesmos parâmetros do Experimento I, havendo porém um acréscimo significativo do número de curvas da serpentina e também uma redução do diâmetro interno do tubo. Estas mudanças tiveram como principal objetivo melhorar o desempenho do TCP de CO2 nos modos de operação horizontal e contra gravidade. Nesta configuração o máximo fluxo de calor transferido foi de 170 W, também no modo de operação direto, para razão de enchimento de 50% e ângulo de inclinação de 90 . O Experimento III foi idealizado de modo a permitir a obtenção dos parâmetros experimentais necessários para a estimativa do coeficiente de transferência de calor por convecção no interior do evaporador do TCP, permitindo a realização de análises comparativas entre o TCP e outros dispositivos de transferência de calor usados em refrigeração. Para tanto, é proposta uma metodologia cujo desenvolvimento pressupõe a formulação de um problema inverso de transferência de calor, cuja solução pode tornar-se instável devido aos erros de medição inerentes às grandezas experimentais. Como solução do problema inverso obtém-se inicialmente uma expressão analítica aproximada para o perfil de temperaturas ao longo da espessura de parede do tubo, partindo da solução da equação da difusão de calor. Esta expressão é posteriormente simplificada utilizando-se o conjunto de parâmetros experimentais. Complementarmente, é realizada uma análise de sensibilidade com o objetivo de avaliar a confiabilidade e a estabilidade das soluções obtidas a partir da metodologia proposta, em relação à presença de erros de medição inerentes aos parâmetros experimentais. Os erros máximos de estimativa do coeficiente de transferência foram menores do que 12%.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T06:24:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 247155.pdf: 2874434 bytes, checksum: b6e6f17248871a84ba0eb9c9f2679d4c (MD5) / O termossifão bifásico é um dispositivo tubular de grande condutância térmica, com o qual é possível confeccionar trocadores de calor dos mais variados tamanhos e geometrias. Em se tratando da substituição de certos trocadores convencionais, tais equipamentos têm atraído o interesse da indústria por resultarem em equipamentos com menores custos operacionais, maior segurança, robustez e confiabilidade, o que abre novas oportunidades de investimentos em eficiência energética de plantas de processo e utilidades. A água tem sido o principal fluido de trabalho utilizado em termossifões bifásicos. No entanto, em alguns recuperadores de calor que operam em temperaturas médias na ordem de 300 °C, é impeditivo o uso da água como fluido de trabalho. Para estes casos, fluidos orgânicos têm sido utilizados pela indústria, particularmente o naftaleno. Neste trabalho, propõe-se um modelo matemático para estimar os coeficientes de troca de calor internos de um termossifão bifásico em que utiliza naftaleno como fluido de trabalho. Este modelo foi aferido através de uma bancada experimental. Adicionalmente, foi realizada uma modelagem do desempenho de termossifões contendo impurezas no fluido de trabalho, na forma de gases não-condensáveis. A análise teórico-experimental indicou que o modelo desenvolvido é uma ferramenta conservativa para o dimensionamento térmico de trocadores com termossifões bifásicos com especificações próximas - mas não necessariamente idênticas - às dos tubos ensaiados na bancada. Os resultados desse trabalho expõem claramente a relação causal entre a presença de gases não-condensáveis e a queda de desempenho dos termossifões bifásicos quando operando a temperaturas relativamente baixas. E mostra que os termossifões de naftaleno podem ter seu desempenho depreciado principalmente por efeitos de compressibilidade e de arraste de fluido.

Dissertação (mestrado) - Univesidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T08:17:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 249495.pdf: 2606345 bytes, checksum: 9b90bb3fffd0a96bf297e896948da944 (MD5) / Trata-se de um estudo numérico-experimental de convecção natural laminar de uma placa plana vertical isotérmica em meio ao ar quiescente avaliando a influência de superfícies vizinhas. O objetivo é estimar o coeficiente de troca de calor por convecção em função da aproximação de superfícies (lateral e inferior), e como essa aproximação pode ser descrita em termos de parâmetros adimensionais, tais como RaL e NuL. A placa é aquecida por uma resistência térmica mantendo-se sua temperatura superficial constante. Na bancada experimental foi utilizada a tecnologia de transdutores de fluxo de calor à gradiente tangencial para a leitura do fluxo de calor, sendo obtido o coeficiente de transferência de calor por convecção, hexp. Para a solução numérica foi utilizado um código comercial em CFD, ANSYS-CFX, para a simulação do caso proposto, efetuando-se dessa forma comparações entre as duas soluções. O efeito da espessura da borda de base reta é estudado computacionalmente apontando assim qual influência desta no escoamento, na troca de calor e nos parâmetros adimensionais característicos desse tipo de escoamento. A influência da altura da placa vertical aquecida é avaliada numericamente e experimentalmente. Os resultados mostram que o coeficiente de troca de calor por convecção natural é influenciado por vários fatores sendo o mais importante a proximidade com uma parede adiabática vertical posterior à face aquecida e sendo potencializada pela presença das duas placas planas adiabáticas. As condições de contorno influenciam no campo de velocidade e, portanto, no coeficiente de troca de calor. This is about an numerical and experimental study of laminar natural convection of an isothermal vertical plain plate in way to air evaluating the influence of neighboring surfaces. The objective to guess the coefficient of exchange of heat for convection in function of the approach of surfaces (lateral and inferior), and as this approach can be described in terms of dimensionless parameters, such as RaL and NuL. The warm plate for a thermal resistance remaining its constant superficial temperature. In the experimental group of benches the technology of transducers of flow of heat at tangential gradient for the reading of the flow of heat, being gotten the coefficient of transference of heat for convection was used, hexp. For the numerical solution a commercial code in CFD was used, ANSYS-CFX, for the simulation of the considered case, effecting of this form comparisons between the two solutions. The effect of the thickness of the base edge straight line is studied computational thus pointing which influence of this in the draining, the exchange of heat and characteristic the dimensionless parameters of this type of draining. The influence of the height of the warm vertical plate is evaluated numericamente and experimentally. The results show that the coefficient of exchange of heat for natural convection is influenced by some factors having been the most important proximity with a adiabatic wall vertical line subsequent to the warm face and being powerfull for the presence of the two adiabatics plain plates. The contour conditions influence in the field of speed and, therefore, in the coefficient of heat exchange.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2008. / Made available in DSpace on 2012-10-23T22:41:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 264044.pdf: 17372417 bytes, checksum: 24793d33aea9f12cdcfaca6a2833e9e7 (MD5) / O estudo do comportamento térmico de fluidos com viscosidade variável em função da temperatura ainda é uma área da ciência térmica pouco estudada, apesar de sua vasta aplicação industrial (laticínios, indústria química de polímeros, indústria petrolífera, dentre outros.). O principal desafio deste estudo está em caracterizar o comportamento fluidodinâmico do Cimento Asfáltico Processado (CAP) em função da temperatura para diferentes sistemas de aquecimento ou resfriamento. Em temperatura ambiente, o CAP comporta-se como um fluido viscoelástico. Em temperaturas elevadas, apresenta-se como um fluido Newtoniano, porém com viscosidade variável com a temperatura. Neste trabalho o CAP apresenta-se confinado em um tanque de aço inoxidável, aquecido por um conjunto de resistências elétricas instaladas próximas a base do tanque. Este tanque foi desenvolvido para o estudo experimental de um tanque de armazenamento de asfalto de refinarias da Petrobrás. O tanque e as resistências foram instrumentados com termopares para obtenção da distribuição de temperatura. Entretanto devido à dificuldade de instrumentação com anemômetros de fio quente, as velocidades do fluido em função da temperatura, geradas a partir da convecção natural do CAP, foram obtidas a partir de simulações numéricas. Próximo ao fundo do tanque, foram instaladas resistências elétricas responsáveis pelo aquecimento por convecção natural do CAP dentro do tanque para comparar o efeito da dissipação de calor para diferentes geometrias de aquecimento estudadas. A validação da simulação numérica foi feita através da comparação da distribuição de temperaturas, obtidas a partir de resultados experimentais e numéricos, para diferentes potências aplicadas nos sistemas de aquecimento (resistências elétricas). Um modelo numérico confiável representa uma grande ferramenta de projeto de sistemas de aquecimento de tanques de armazenamento de asfalto reais, que empregam a tecnologia de termossifões.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2009. / Made available in DSpace on 2012-10-24T00:01:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266112.pdf: 23801796 bytes, checksum: 93ff8b0f82d257aae07ba24e8ee3e701 (MD5) / A eficiência de compressores alternativos de refrigeração é bastante afetada pelo superaquecimento do fluido refrigerante, causada principalmente pela transferência de calor no sistema de sucção. Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos ao longo dos anos, a fim de proporcionar um melhor entendimento da dinâmica da transferência de calor no interior do compressor e propor alternativas para a redução do superaquecimento. Porém, geralmente as análises são realizadas com base em medições de temperatura no fluido refrigerante e nos componentes do compressor, com a transferência de calor sendo estimada via balanço de energia. O objetivo principal do presente trabalho é o desenvolvimento de um procedimento experimental para a medição direta do fluxo de calor, inexistente ainda para componentes do compressor, validada a partir de balanços de energia. A partir dessas medições, estimativas de coeficientes locais de transferência de calor foram também obtidas, permitindo interpretar os modos de transferência de calor e a interação térmica entre diversas regiões do compressor. Além desta contribuição, o trabalho analisa o efeito de alguns parâmetros sobre a transferência de calor, tais como temperaturas de evaporação e de condensação, condição de transiente térmico do compressor e escoamento de óleo lubrificante sobre a superfície interna da carcaça. Observou-se que os coeficientes locais de transferência de calor nos componentes do compressor são praticamente independentes das temperaturas de evaporação e de condensação e que os fluxos de calor nesses componentes praticamente mantêm a mesma distribuição proporcional do calor total trocado. As medições permitiram também concluir que o escoamento de óleo lubrificante na superfície interna da carcaça aumenta consideravelmente a rejeição de calor do compressor para o ambiente externo e, além disto, afeta de forma significativa a interação térmica entre componentes do compressor. A investigação do regime transiente térmico do compressor revelou diferentes escalas de tempo para os componentes. Finalmente, detectou-se que, apesar da grande movimentação de óleo e gás no interior do compressor, a troca de calor por radiação é expressiva em alguns de seus componentes.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento computacional para síntese de redes de trocadores de calor que sejam flexíveis (capazes de operar sujeito a incerteza) e controláveis. A síntese foi baseada em uma superestrutura proposta na literatura que tem como objetivo minimizar simultaneamente o custo operacional e de investimento do projeto. Considerações gerais baseadas nessa formulação foram discutidas neste trabalho. Assumiu-se incerteza nas temperaturas de entrada e vazões de cada corrente. Inicialmente foi implementado um procedimento para geração de projetos flexíveis baseado numa estratégia em dois estágios. O primeiro estágio precede a operação (fase de projeto) onde as variáveis de projeto são escolhidas, i.e. a existência e a dimensão dos equipamentos. Num segundo estágio (fase de operação) as variáveis de controle, i.e. os graus de liberdade adicionais, são ajustados de acordo com a realização dos parâmetros incertos. O estágio de projeto é realizado através de um problema de otimização multiperíodo, onde cada período corresponde a um cenário operacional, resultando em um problema do tipo MINLP. Com o objetivo de explorar a estrutura bloco-diagonal de problemas dessa natureza, uma técnica de decomposição baseada no conceito de relaxação Lagrangeana foi desenvolvida como uma alternativa para resolução de problemas de larga escala. A etapa de operação consiste numa análise de Flexibilidade tendo como objetivo checar se o projeto obtido no estágio anterior é capaz de operar na região de incerteza especificada. Esta análise é realizada através da avaliação do Índice de Flexibilidade, através da estratégia do conjunto ativo resultando em um problema MI(N)LP. Caso o projeto seja suficientemente flexível, passa-se para a etapa seguinte, caso contrário, o ponto crítico que define a solução desse problema é adicionado ao conjunto inicial de cenários operacionais e o problema multiperíodo é resolvido novamente. Este procedimento é resolvido iterativamente até que se tenha um projeto flexível. Neste caso, um problema MILP é resolvido com o intuito de selecionar a estrutura de controle, baseado na minimização de métricas de controlabilidade, que garantem manter as temperaturas de saída em suas respectivas referências usando controladores do tipo PI (Proporcional Integral). A flexibilidade efetiva, obtida após a implementação da estrutura de controle é avaliada, e possíveis pontos críticos são adicionados e o projeto é refeito. Por fim, através da geração de modelos dinâmicos e projeto dos controladores, o desempenho do projeto pode ser checado. / In this work it was developed a computational framework for synthesis of flexible and controllable Heat Exchanger Network. The synthesis was accomplished based on the superstructure proposed in the literature for minimizing simultaneously the operating cost and the investment cost. The general assumptions used by this formulation were discussed. It was assumed uncertainty in the inlet temperatures and flowrates. The framework for flexible design is based on the termed two stage strategy. The first stage is prior to the operation (design phase) where the design variables are chosen, i.e. the existence and dimension of the equipments. At the second stage (operation phase) the control variables are adjusted during operation on the realizations of the uncertain parameters. The design stage was accomplished with a multiperiod optimization problem resulting in a MINLP formulation. In order to exploit the block diagonal structure of multiperiod problems, a decomposition technique based on the concept of Lagrangean Relaxation was developed as an alternative in order to solve the formulation for large scale problems. The operation stage checks whether the design selected in the previous step is able to operate over the space of uncertain parameters. This step was assessed by the Flexibility Index evaluation through a MI(N)LP formulation using the Active set strategy. If the design is sufficient flexible the procedure terminates; otherwise, the critical point obtained from the flexibility evaluation is included in the current set of periods, and a new multiperiod problem is solved in order to obtain a new design. Once the flexible design is achieved a MILP model is solved in order to define the control structure selection according to controllability metrics, i.e. the set of manipulated inputs (taken from the general set of potential manipulations) that can ensure the outlet temperatures target using standard feedback controllers, e.g. PID controllers. The effective flexibility is evaluated in order to check if the design is feasible for the given control structure selection, otherwise a new critical point is identified and the multiperiod design is performed again. Later on, the dynamic model and closed loop performance can be checked.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-26T07:54:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 300769.pdf: 5134184 bytes, checksum: b94fd58b5f1a9087ed5ef874ccb34330 (MD5) / Atualmente os tubos de calor são utilizados na refrigeração de processadores de computadores portáteis e de equipamentos eletrônicos em aplicações espaciais. O principal objetivo deste trabalho é aplicar uma nova tecnologia de meios de porosidade variável em tubos de calor, visando melhorar a sua eficiência. Neste contexto, é apresentada uma revisão bibliográfica a respeito dos fundamentos e mecanismos da sinterização de materiais metálicos, assim como a respeito da modelagem e avaliação da condutividade térmica efetiva de meios porosos empacotados e sinterizados. Também é apresentada uma revisão bibliográfica versando procedimentos de caracterização termo física e modelos simplificados utilizados na modelagem térmica dos tubos de calor. Um equipamento empregando vácuo e guarda quente como sistema de isolamento térmico foi projetado e fabricado para a medição da condutividade térmica efetiva de meios porosos saturados com água destilada e metanol. Dados experimentais foram comparados com dados de literatura. Um modelo simplificado de resistências térmicas equivalentes foi proposto para a análise da transferência de calor em meios sinterizados metálicos. Por fim, protótipos de mini tubos de calor de múltipla camada de pó de cobre sinterizado foram projetados e fabricados para avaliar o comportamento do material. Resultados obtidos foram comparados com modelos matemáticos desenvolvidos para este fim. O presente trabalho fornece uma fonte de pesquisa para trabalhos futuros, provendo um modelo e um equipamento para a medição de condutividade térmica efetiva de meios porosos, que podem ser utilizados no desenvolvimento de novas tecnologias de tubos de calor desenvolvidos no Laboratório de Tubos de Calor (Labtucal / Lepten) da Universidade Federal da Santa Catarina. / Nowadays, heat pipes have been used as refrigeration devices in computer processing units in notebooks and electronic equipment for space applications. The main objective this work is the application of a novel porous media technology in heat pipes, in order to improve its thermal performance. This porous media has two layers of different porosities, which allow for improving the working fluid pumping capacity while decreasing the pressure loss. In this context, a literature review about the fundamentals of sintering mechanics of metal powder materials is presented as well as effective thermal conductivity models for sintering and packed porous media. A literature review concerning the procedures for measuring of the thermophysical properties of porous media is presented. Also, heat pipe thermal resistance simplified models are reviewed. An experimental set up, which employs vacuum and guard heater as thermal insulators, was developed to measure the effective thermal conductivity of porous media, saturated with distilled water and methanol. Experimental data were compared with literature results. A thermal resistance simplified model was proposed for the analysis of the heat transfer. Finally, prototypes of mini heat pipes of multiple copper powder sintered layers were designed and fabricated to evaluate the material physical behavior. The data were compared with mathematical models developed for this purpose. The present work provides new technology for heat pipes that can be used in the projects developed at the Heat Pipe Laboratory of the Federal University of Santa Catarina.