Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-07-18T04:15:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 346241.pdf: 27252424 bytes, checksum: d645368da3eb9f1d262c09c714c837b3 (MD5) Previous issue date: 2017 / Um novo sistema de trocador de calor (HES) foi avaliado experimentalmente em solo e em voo objetivando o resfriamento passivo de sistemas aviônicos. O protótipo de trocador de calor consiste em dois condensadores, conectados a um mesmo evaporador através de dois loop-termossifões em paralelo. O fluxo de ar externo à fuselagem da aeronave e o sistema de ar condicionado servem como sumidouros de calor. Um tubo de calor e quatro termossifões foram empregados como elementos intermediários de transferência de calor (IHTEs) entre fontes de calor e o evaporador do trocador de calor. Os parâmetros de projeto dos IHTEs tais como razão de enchimento, ângulo de inclinação, razão de aspecto e geometria dos condensadores (contato entre condensador do IHTE e evaporador do HES) foram avaliados. Água foi utilizada como fluido de trabalho. Os protótipos HES e IHTEs foram qualificados para voo após avaliações térmicas em laboratório e testes de cumprimento de requisitos. Os testes foram executados em números de Mach de até 0,78 e em altitudes de até 12 km, correspondendo à temperatura estática do ar de -56 ºC. Em condições de voo em cruzeiro, o HES é capaz de dissipar 900 W mantendo temperaturas de vapor abaixo dos valores típicos para operação de aviônicos; e.g. 70 à 100 ºC. Demonstra-se a capacidade de funcionamento dos termossifões mesmo em condições de congelamento do fluido de trabalho. O fenômeno de geyser boiling eventualmente promove intensas vibrações no evaporador do trocador de calor. Mudanças térmicas nos sumidouros de calor afetam fracamente os IHTEs. Tubo de calor e termossifões com 0,7 m de comprimento podem dissipar 120 W e 500 W, respectivamente. Convecção forçada pode ser uma alternativa onde condução de calor entre aviônicos e evaporadores dos IHTEs não é possível. Condensadores cônicos e cilíndricos dos IHTEs demonstram ser possíveis geometrias para o acoplamento térmico entre condensadores de IHTE e evaporador do HES.<br> / Abstract : A novel design for a heat exchanger system (HES) was experimentally evaluated on ground and in-flight conditions aiming the passive cooling of avionics systems. The heat exchanger prototype consists of two condensers, linked to one shared evaporator by two parallel loop-thermosyphons. The air stream on the external side of the fuselage and the air conditioning system served as heat sinks. A heat pipe and four thermosyphons were employed as intermediary heat transfer elements (IHTEs) between heat sources and the HES evaporator. The IHTE design parameters such as filling ratio, inclination angle, aspect ratio and coupling geometries (contact between condenser of IHTE and evaporator of HES) were evaluated. Water was applied as the working fluid. The HES and IHTEs prototypes were qualified for flight after thermal assessments in laboratory and constrained acceptance tests. The tests were conducted at flight Mach numbers up to 0.78 and at altitudes of up to 12 km, corresponding to air static temperatures of -56 ºC. Under cruise flight conditions, the HES is able to dissipate 900 W maintaining vapor temperatures below typical working values for avionics; e.g. 70 to 100 ºC. Efficient performance of thermosyphon was also shown in freezing conditions of the working fluid. Geyser boiling phenomenon eventually yields intense vibrations at the HES evaporator. Thermal changes in the heat sinks hardly affect IHTEs. Heat pipe and thermosyphons with 0.7 m length can dissipate 120 W and 500 W, respectively. Forced convection can be an alternative where heat conduction between avionics and IHTE evaporators is not possible. Conical and cylindrical IHTEs condensers were demonstrated as possible fitting geometries for thermal couplings.

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 Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T16:07:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 81741.pdf: 5100729 bytes, checksum: f60274248fad2fa29d8b4d4306d41229 (MD5) Previous issue date: 1988 / Este trabalho analisa experimentalmente o problema de transferência de calor em tubo pinado em leito fluidizado, quando são variados os parâmetros: vazão de ar de entrada e altura dos tubos de transferência de calor. A descrição completa do equipamento de teste é apresentada juntamente com a metodologia empregada na obtenção dos dados. É feita uma análise do comportamento do coeficiente de transferência de calor, bem como uma comparação entre os resultados obtidos no presente trabalho como o de outros pesquisadores. É apresentado ainda o projeto detalhado da banca de testes, assim como as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico. Inclui apendice / Made available in DSpace on 2016-01-08T16:31:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 91833.pdf: 6393623 bytes, checksum: 5795c3c55936e3bb3c915e4c9427127a (MD5) Previous issue date: 1990 / O presente trabalho trata de uma análise experimental dos fenômenos físicos de condensação e migração de umidade em um meio poroso consolidado, um tipo de argamassa de cal e cimento, de uso bastante comum no revestimento de paredes externas de edificações. Este trabalho é motivado pelo fato de o comportamento térmico das edificações sofrerem significativas alterações em decorrência da interação entre os processos de transferência de umidade e transferência de calor. Em uma primeira etapa, para a consecução da análise suscitada, procede-se um estudo experimental para a obtenção das isotermas de adsorção e dessorção da argamassa de cal e cimento, com o auxílio de soluções salinas padrões. Em seguida, é feita uma investigação da estrutura porosa da argamassa, através do método de porosimetria com injeção de mercúrio para os poros com raio até 240 A; os poros menores são analisados com o uso da isoterma experimental de adsorção, conjugada ao modelo B.J.H., que leva em consideração os dois modos de condensação da água em um meio poroso: água adsorvida nas paredes dos poros, e água condensada na forma capilar. Em uma segunda parte, deseja-se estudar à migração de umidade (apenas o caso de embebição) em colunas da argamassa de cal e cimento. Para tanto, é necessário o domínio de um método de medição de conteúdo de umidade, que possa ser aplicado em materiais porosos consolidados.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T17:03:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 84476.pdf: 1991653 bytes, checksum: 34c9551dae45abb6fb9a80130fdc7ef0 (MD5) Previous issue date: 1991 / Uma formulação segregada para a solução numérica de problemas envolvendo o escoamento de fluídos em qualquer regime de velocidade é implementada em coordenadas generalizadas. A flexibilidade do modelo numérico é assegurada pela forma de linearização da equação de conservação da massa em que tanto as velocidades como as densidades são mantidas ativas. Diversos aspectos do processo de solução são analisados incluindo o arranjo de volumes de controle. Resultados para uma série de escoamentos sobre configurações de veículos lançadores são comparados com os obtidos por outras metodologias numéricas e com resultados experimentais. Algumas características dos métodos de solução simultânea como a forma delta e o processo de fatoração aproximada são analisadas e aplicadas aos métodos de solução segregada. Fica demonstrado que as diferenças observadas entre os resultados obtidos através da metodologia proposta no presente trabalho e os obtidos através de um esquema de solução simultânea se devem a forma como dissipação artificial é introduzida.

TESE (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T18:02:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 95654.pdf: 3986713 bytes, checksum: 11f5df9445f61a694a6c230de771dc95 (MD5) Previous issue date: 1993 / A presente tese trata da modelagem numérica do problema da solidificação de ligas metálicas. Procura-se enfocar o problema tanto do ponto de vista metalúrgico como do ponto de vista de engenharia e ciências térmicas. Inicialmente aspectos gerais associados aos mecanismos de transferência de calor e massa na solidificação são abordados e diferentes formulações são revistas e apresentadas de forma detalhada. Os modelos clássicos que possuem soluções analíticas são revisados e discutidos em detalhe, culminando com o método integral. Já no âmbito dos métodos numéricos são apresentadas e discutidas formulações para os problemas de Stefan e Neumann, tanto em temperatura como em entalpia. Também são abordadas formulações capazes de considerar o movimento da fase líquida. Após a análise de substâncias puras e ligas eutéticas, passa-se às ligas que solidificam ao longo de uma faixa de temperaturas. Visando ilustrar o problema da solidificação sob o ponto de vista metalúrgico, aspectos específicos neste contexto são explorados. A seguir é apresentado em forma detalhada um modelo que representa o estado da arte para a solidificação de misturas binárias. Limitações do modelo são apontadas, dentre as quais a hipótese simplificativa da existência de equilíbrio termodinâmico entre as fases, prejudicando um tratamento mais detalhado da interface.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T18:06:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 95636.pdf: 3548375 bytes, checksum: 94448a5b7345323a1fa85583c7f8db2f (MD5) Previous issue date: 1993 / Um modelo microscópico é introduzido para a transferência de calor em meios porosos insaturados. Efeitos de evaporação e condensação de umidade são incorporados no modelo permitindo que a infuência do transporte de massa na transferência de calor possa ser investigada. A geometria da matriz porosa é periódica e é subdividida em células unitárias. As equações de conservação foram resolvidas pela técnica numérica dos volumes finitos e o modelo é capaz de prever a depedência da condutividade térmica aparente do meio com a temperatura e com o conteúdo de líquido. O estudo permitiu quantificar o efeito dos termos convectivos na equação de energia e concentração mássica. Os valores obtidos para a condutividade térmica aparente e condutividade equivalente definida por Moyne são comparados com resultados experimentais obtendo-se boa correlação.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T19:20:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 99782.pdf: 3763925 bytes, checksum: 7639140bf252d46abece9dab7fc84eb2 (MD5) Previous issue date: 1995 / Apresentação de uma metodologia numérica para a simulação de transferência de calor e migração de umidade em solos úmidos em torno de cabos elétricos de potência em instalações subterrânea. O solo circundante aos cabos é modelado de acordo com a abordagem do contínuo para meios porosos insaturados. As equações governantes resultantes deste processo são resolvidas de acordo com a metodologia de volumes finitos. O código computacional resultante é otimizado de modo a evitar os longos tempos computacionais normalmente associados a este tipo de simulação, permitindo a obtenção de resultados completos em computadores de pequeno porte. Para aproximar a solução obtida das necessidades reais dos projetistas de cabos elétricos subterrâneos, que necessitam a temperatura no núcleo do cabo, o interior do cabo também é incorporado à formulação do problema. O modelo físico do solo é o mais completo possível, dentro dos limites impostos pelo tempo computacional, e inclui a depedência de todas as propriedades com umidade e temperatura, além de fatores adicionais como o efeito de gravidade sobre a umidade do solo e um modelo simplificado para o efeito de histerese das curvas que descrevem as propriedades termo-hidráulicas do solo.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-03-04T20:56:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 305395.pdf: 14726303 bytes, checksum: c9265f4fa1dbd1e40bf7ef9a243c7999 (MD5) / Compressores scroll são máquinas de deslocamento positivo e movimento orbital que realizam o processo de compressão de um gás através de dois membros conjugados em forma de espiras. Tais compressores são amplamente difundidos em aplicações de condicionamento de ar e aquecimento de água, destacando-se pela confiabilidade, pelos baixos níveis de ruído e pela eficiência. O vazamento de gás e a transferência de calor convectiva no interior da câmara de compressão são as principais irreversibilidades termodinâmicas do compressor scroll. No presente trabalho, modelos numéricos baseados em uma formulação diferencial são desenvolvidos para a análise em detalhes dos fenômenos supracitados, incluindo o comportamento transiente do processo de compressão e a geometria característica das espiras. O estudo contempla uma ampla faixa de condições de operação e geometrias expressas por parâmetros adimensionais, permitindo que novas correlações sejam propostas para a previsão numérica de ambos os fenômenos. Analisando-se os resultados, observa-se a importância dos efeitos viscosos e geométricos de entrada e de curvatura das espiras sobre os vazamentos. Ambos os efeitos são incluídos nas correlações propostas, validadas através de dados experimentais disponíveis na literatura. Por sua vez, o número de Nusselt no interior das câmaras de compressão é função dos números de Reynolds e de Prandtl, bem como da curvatura das espiras. As correlações obtidas são implementadas em um modelo integral de simulação, validado através de resultados globais de vazão mássica e temperatura de descarga do gás em diferentes condições de operação. As análises numéricas indicam que os vazamentos e a transferência de calor são mais prejudiciais ao desempenho de compressores scroll que operam em baixas capacidades, seja pela condição de operação (baixas evaporações) ou pelo tamanho do próprio compressor (baixo volume deslocado). / Scroll compressors are positive displacement machines of orbital motion that compress a gas by means of two conjugated spiral-shaped members. Such compressors are widely employed in air conditioning, refrigeration and water heating, due to its high reliability, low noise levels and high efficiency. Gas leakage and heat transfer that take place inside the gas pockets are the main thermodynamic irreversibilities of scroll compressors. Typical models and correlations available in the literature to predict the effect of both irreversibilities on the compressor performance are usually based on simplified flow conditions. As a consequence, there remains much uncertainty about such predictions for operating conditions found in actual applications. The study reported herein considers the numerical analysis of gas leakage and heat transfer in the compression chambers of scroll compressors. Numerical models based on differential formulation are developed to analyze the aforementioned phenomena in details, including the geometry of the wraps and the transient behavior of the compression process. Due to the particular geometry of the scroll wraps, an algorithm was developed to automatically adapt the computational mesh throughout the simulation. A low Reynolds turbulence model was employed to allow the numerical solution in the near wall region, which is critical for predictions of shear stress and heat transfer at the walls. The study covers a wide range of operating conditions and geometries expressed as dimensionless parameters, allowing new correlations to be proposed for estimates of gas leakage and convective heat transfer in scroll compressors. These correlations so obtained are implemented into a comprehensive lumped simulation model and applied to analyze the thermodynamic efficiency of the compressor in different operating conditions.

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.