A pesquisa realizada tratou do estudo da transferência de calor e do fluxo crítico durante a ebulição convectiva no interior de canais de diâmetro reduzidos a partir de dados levantados em bancadas experimentais construídas para esta finalidade. Extensa pesquisa bibliográfica foi efetuada e os principais métodos disponíveis para previsão de coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e mapas de escoamento foram levantados. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com os métodos da literatura. Pela primeira vez para microcanais, resultados experimentais foram levantados por um mesmo autor em laboratórios distintos buscando verificar a tendência e comportamentos. Tal comparação tem sua importância destacada em face das elevadas discrepâncias observadas na literatura quando resultados de autores distintos, obtidos em condições similares, são comparados. Os resultados levantados foram utilizados na elaboração de modelos que consideram os padrões de escoamento observados em microcanais. A incorporação dos padrões permitiu o desenvolvimento de modelos mecanísticos para coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e critérios para a caracterização da transição entre macro e microcanais baseados na formação do padrão de escoamento estratificado e na simetria do filme líquido no escoamento anular. / This research comprises an experimental and theoretical study on flow boiling heat transfer and critical heat flux inside small diameter tubes based on data obtained in experimental facilities specially designed for this purpose. A broad literature review was carried out and the main methods to predict the heat transfer coefficient, critical heat flux and flow patterns were pointed out. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. For the first time, microchannels experimental results obtained by an unique researcher in distinct laboratories were compared and a reasonable agreement was observed. The importance of such a comparison is high-lighted for flow boiling inside microchannels due to the high discrepancies ob-served when results from independent laboratories obtained under similar experimental conditions are compared. Moreover, the experimental results obtained in the present study were used to develop correlations and models for the heat transfer coefficient and heat flux that takes into account the flow patterns observed in microchannels. The heat transfer coefficient and critical heat flux models were developed based on mechanistic approach. In addition, criteria to characterize macro to microchannel transition were proposed based in the occurrence of the stratified flow pattern and the liquid film symmetry under annular flow conditions.

A têmpera dos aços envolve a austenitização de uma peça seguida por um resfriamento rápido para promover a formação de microestrutura martensítica. É necessário avaliar os meios de têmpera para manter o processo de têmpera sob controle. Os parâmetros mais importantes no processo de resfriamento são o coeficiente de transferência de calor e/ou o fluxo de calor entre o meio de têmpera e a peça a ser resfriada. Um dos métodos de se avaliar os meios de têmpera (meios de resfriamento) e saber o que está acontecendo dentro da peça durante o resfriamento do ponto de vista térmico é o problema inverso de condução de calor. O problema inverso de condução de calor consiste na determinação de parâmetros como fluxo de calor, taxa de resfriamento e temperatura em qualquer posição através da peça, assim como o coeficiente de transferência de calor. Esses parâmetros são obtidos a partir de medições de temperatura em um ou mais pontos dentro da peça. O escopo deste trabalho foi desenvolver um software baseado no problema inverso condução de calor para avaliar meios de resfriamento para têmpera. A validação deste código foi feita usando água, óleo de soja, óleo mineral e solução aquosa de NaNO3. / Steels quenching involves part austenitization followed by a fast cooling to promote martensitic microstructure formation. It is necessary to evaluate quenchants in order to keep the quenching process under control. The most important cooling process parameters are the heat transfer coefficient and/or the heat flux between the quenchant and the part to be cooled. One of the methods to evaluate quenchants (cooling media) and to know what is happening inside the part during the cooling in the thermal point of view is the inverse heat conduction problem. The inverse heat conduction problem consists in the determination of parameters like heat flux, cooling rate and temperature in any position across the part, as well as the heat transfer coefficient. These parameters are obtained from temperature measurements in one or more points inside the part. The scope of this work was to develop a software based in the inverse heat conduction problem in order to evaluate quenchants for quenching. The validation of this code was made using water, soybean oil, mineral oil and NaNO3 aqueous solution.

A presente pesquisa envolve um estudo teórico-experimental da transferência de calor e da perda de carga na condensação e no escoamento monofásico de fluidos refrigerantes halogenados no interior de lâminas com micro canais. Os ensaios consideram o fluido refrigerante puro R-134-a e a mistura quase azeotrópica R-410A. As lâminas estudadas envolvem micro canais de seção quadrada de Dh = 1,214 mm e de seção circular de Dh = 1,494 mm. Os ensaios de líquido subresfriado compreendem velocidades mássicas de 390 a 1360 Kg/sm2 para um temperatura de saturação de 40ºC e subresfriamento de 10ºC. Por sua parte, os ensaios foram realizados considerando um fluxo de calor constante de 5 kW/m2, títulos de vapor de 0,1 a 0,9, velocidades mássicas de 410 a 1135 kg/sm2, temperaturas de saturação de 40 a 50ºC e misturas óleo-refrigerante com concentrações de óleo em massa de 0,25 e 0,45%. Para cada condição de ensaio foram avaliados o coeficiente de transferência de calor e a queda de pressão por atrito na lâmina ensaiada. Os resultados para escoamento monofásico apresentaram consistência com relação às correlações típicas aplicáveis a transferência de calor e perda de carga para regime turbulento em tubos convencionais, apresentando, em média, valores de 12% superiores. Na maioria das condições de ensaios de condensação, segundo mapas de escoamento disponíveis na literatura, foi identificado o domínio do padrão estreitamento anular. Este comportamento foi aferido pelos resultados experimentais de perda de carga mostrando dependência quase exclusiva do parâmetro de Martinelli, e o mecanismo conectivo como principal mecanismo de transferência de calor, característico no padrão anular. Os resultados de condensação foram correlacionados a partir de abordagens empíricas em função do parâmetro de Martinelli e o conceito de velocidade mássica equivalente. Assim como, a partir de uma abordagem semi-empírica considerando um modelo anular que permite avaliar os mecanismos principais de transferência de calor e quantidade de movimento, avaliando a espessura do filme de líquido na parede do canal. Finalmente, os resultados experimentais e os obtidos a partir das correlações desenvolvidas são comparados com estudos disponíveis na literatura relativos a lâminas com micro canais. / This project involves a theoretical-experimental study of heat transfer and pressure drop in condensation and single phase flow of halogen refrigerants in microchannel tubes. The tests include the pure refrigerant R-134a and quasi azeotropic mixture R-410A. The microchannel tubes tested include one with square ports of Dh = 1,214 mm and other with circular port of Dh = 1,494 mm. The subcooled liquid tests considered the mass velocities of 390 to 1360 kg/sm2, the saturation temperature of 40ºC and subcooled of 10ºC. The condensing tests considered a constant heat flux of 5 kW/m2, vapor quality of 0,15 to 0,9, mass velocities of 410 to 1135 kg/sm2, saturation temperature of 40 to 50ºC and oil-refrigerant mixtures with oil mass concentrations of 0,25 and 0,45%. For each test condition was evaluated the coefficient of heat transfer and frictional pressure drop in the microchannel tube. The single phase results agree with typical correlations used in conventional tubes to evaluate the heat transfer and pressure drop in turbulent flow, even though the most of experimental date are 12% higher. The most of flow patterns in condensation were identified as annular using the flow patterns maps available on literature. This behavior was verified through pressure drop results, which show exclusive dependence on Martinelli Parameter. The heat transfer results show that the main heat transfer mechanism was convective, typical in annular flow. The results of condensation were correlated from empirical approachs using the Martinelli parameter and the equivalent mass velocity concept. And, also a semi-empirical approach modeling the annular flow to evaluate the mechanism of heat transfer through the liquid film around the wall of the tube. Finally, the experimental results and the results obtained through the models were compared with correlations referred to microchannels available on the literature.

Em decorrência ao grande crescimento e evolução dos processos de usinagem e a demanda para adequação ambiental, novos fluidos de corte tem sido aplicados. Uma comprovação de sua eficiência em refrigerar a peça, e a ferramenta melhorando a produtividade do processo ainda é necessária. O presente trabalho propõe o estudo e o desenvolvimento de um sistema para avaliar a eficácia de fluidos de corte em operações de usinagem. Inicia-se com uma abordagem matemática da modelagem do processo de dissipação de calor em operações de usinagem. Em seguida prossegue-se com uma investigação de diferentes maneiras de solução do modelo proposto. Experimentos práticos foram realizados no laboratório de Otimização de Processos de Fabricação - OPF. A partir dos dados obtidos foi realizada uma análise assintótica das equações diferencias parciais que governam o modelo. Finalizando, o modelo selecionado foi aplicado no fresamento do aço AISI 4340 endurecido usinado sob alta velocidade. / Due to the rapid growth and development of machining processes there has been a demand for environmental sustainability and news cutting fluids have been applied. A reliable assessment of their efficiency in cooling the workpiece, tools and improving productivity is still a requirement. The present thesis presents a theoretical study and a proposal of a system to assess the effectiveness of cutting fluids applied to machining operation. It begins using a mathematical approach to model the heat propagation during machining operations. Then, it continues with an investigation into different ways to solve the proposed theorical model. Machining experiments using realistic cutting operations were also conducted at the Laboratory for Optimization of Manufacturing Processes - OPF. From the experimental data, was carried out an asymptotic analysis of partial differential equations, which govern the mathematical model. Finally, the selected model will be applied to a milling operation using High Speed Machining (HSM) technique on hardened steel AISI 4340.

No presente trabalho são relatados os resultados obtidos por meio de ensaios de caracterização para os diferentes tipos de óleos vegetais (algodão, canola, girassol, milho e soja), no estado novo e puro, tais como viscosidade, número de acidez, índice de iodo, índice de saponificação, cromatografia gasosa, curvas de resfriamento e coeficiente de transferência de calor. Esses mesmos ensaios foram realizados também com as amostras de óleo de soja com diferentes concentrações de aditivos antioxidantes. As diferentes formulações feitas com óleo de soja foram submetidas a um processo de envelhecimento acelerado (durante 72 horas), suas propriedades foram comparadas com as de dois óleos minerais utilizados para têmpera. O mesmo foi feito para os óleos vegetais, estes porém foram envelhecidos durante 48 horas. Pode-se então, comparar qual amostra sofreu menor oxidação durante um mesmo tempo de envelhecimento e, desta maneira, avaliar qual aditivo antioxidante obteve melhor desempenho, retardando o processo de oxidação no óleo de soja. Esses estudos também permitiram verificar qual, dentre os óleos vegetais, possui as melhores propriedades para ser utilizado no tratamento térmico de têmpera. Amostras do aço AISI 4140 foram temperadas nos diferentes óleos estudados, obteve-se a curva de dureza e as micrografias óticas para cada amostra temperada. / In this work, the results obtained from the characterization of different vegetable oils (cotton, canola, sunflower, corn and soybean) are reported. The oils were evaluated at \"new condition\" and \"pure\" by viscosity, acid and iodine number, saponification, gas chromatography, cooling curves and heat transfer coefficient. These same analyses were also performed on samples of soybean oil containing various concentrations of antioxidant. The various formulations prepared with soybean oil were accelerated aged for 72 hours and their properties were compared with two mineral oils used for quenching. Likewise, the vegetable oils were aged for 48 hours long. Therefore, it was possible to identify which sample exhibited the lower oxidation process at the same aging time and, thus, evaluate the antioxidant additive that promoted the improved oxidation performance for soybean oil. Also, these studies allowed verifying which of the vegetable oils had the best properties to be used as quenchants. Samples of AISI 4140 steel were quenched in different oils and the hardness curve and optical microscopy for each sample were obtained.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-12-13T12:59:28Z No. of bitstreams: 1 Priscila Forgiarini da Silva_.pdf: 2273220 bytes, checksum: 4943272627a06de991d941e1c6bfd457 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-13T12:59:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Priscila Forgiarini da Silva_.pdf: 2273220 bytes, checksum: 4943272627a06de991d941e1c6bfd457 (MD5) Previous issue date: 2017-11-06 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta um estudo experimental da transferência de calor e queda de pressão na ebulição do isobutano, R600a, e do propano, R290, em um tubo composto por sete mini canais paralelos, cujo diâmetro hidráulico é de 1,47 mm. Os testes em ebulição foram realizados com uma temperatura de saturação de 20 ºC, para ambos os fluidos refrigerantes e pressão de saturação de 300 kPa, para o R600a e de 840 kPa para o R290, com velocidades mássicas entre 35 e 170 kg/(m²s) e fluxos de calor na seção de testes entre 5,3 e 21 kW/m². De acordo com os testes realizados verificou-se que o coeficiente de transferência de calor, para ambos os fluidos refrigerantes, aumenta conforme o incremento do fluxo de calor e velocidade mássica. O coeficiente de transferência de calor atingiu valores entre 1 a 18 kW/(m²K) para o R290 e de 1 a 9 kW/(m²K) para o R600a. A queda de pressão aumentou com o incremento da velocidade mássica e título de vapor em todos os testes, enquanto que o fluxo de calor apresentou influência na queda de pressão apenas nas maiores velocidades mássicas. Observou-se que a queda de pressão por aceleração apresenta a menor parcela, enquanto que, a queda de pressão por atrito apresenta a maior parcela. Na comparação entre o R290 e o R600a, verificou-se que o isobutano apresenta maior queda de pressão. Também foram analisados os padrões de escoamento, sendo observados os padrões de bolhas isoladas, pistonado, agitado, anular ondulado e anular, sendo que o padrão de bolhas isoladas foi observado somente para o R290, e o padrão anular mostrou-se presente para títulos superiores a 0,4. / This work presents an experimental study of heat transfer and pressure drop in boiling of isobutane, R600a, and propane, R290, in a tube composed of seven parallel mini channels, whose hydraulic diameter is 1.47 mm. Boiling tests were performed with a saturation temperature of 20 ºC for both refrigerants and saturation pressure of 300 kPa for R600a and 840 kPa for R290, with mass velocities between 35 and 170 kg/(m²s) and heat flux in the test section between 5.3 and 21 kW/m². According to the tests performed it was verified that the heat transfer coefficient for both refrigerant fluids increases as the heat flux and mass velocity increase. The heat transfer coefficient reached values between 1-18 kW/(m²K) for the R290 and 1-9 kW/(m²K) for the R600a. The pressure drop increased with increasing mass velocity and vapor quality in all tests, while the heat flux showed influence on the pressure drop only at higher mass velocities. It was observed that the pressure drop by acceleration presents the smallest portion, while the friction presents the largest portion. In the comparison between R290 and R600a, it was found that isobutane showed a higher pressure drop. Flow patterns were also analyzed, with isolated bubble, piston, agitated, annular and annular bubble patterns being observed, and the isolated bubble pattern was observed only for R290, and the annular pattern was present for quality higher than 0.4.

A presente tese trata da análise experimental do efeito da geometria da seção transversal do canal e do desempenho de refrigerantes de reduzido GWP (Global Warming Potential) durante a ebulição convectiva em canais de reduzidas dimensões. A tese inclui ainda um estudo extenso e crítico da literatura sobre métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor, e sobre estudos experimentais em canais não-circulares e de refrigerantes com reduzido GWP na ebulição convectiva em canais de dimensões reduzidas. Resultados para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão durante a ebulição convectiva foram obtidos para canais com geometrias de seção circular, quadrada e triangular para o refrigerante R134a. Nos testes utilizou-se canais com perímetros internos similares obtidos a partir da conformação de um tubo com diâmetro interno igual a 1,1 mm. No caso do canal circular, dados foram também levantados para os HFOs R1234ze(E) e R1234yf e o hidrocarboneto R600a, fluidos com reduzido GWP. Ensaios foram executados para amplas faixas de fluxos de calor e velocidades mássicas, temperaturas de saturação de 31 e 41°C e títulos de vapor entre 0 e 0,95. Aspectos relacionados aos efeitos da geometria e do fluido refrigerante foram minuciosamente investigados através da análise paramétrica dos resultados. Com base na comparação do banco de dados coletado com os métodos de previsão disponíveis na literatura, constatou-se que estes proporcionam previsões satisfatórias apenas para condições experimentais especificas. Portanto, novos métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor foram desenvolvidos com base nos dados levantados no presente estudo. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente o banco de dados do presente estudo e resultados independentes disponíveis na literatura. Adicionalmente, com base nos resultados levantados, verificou-se que dissipadores de calor baseados em multi-microcanais com canais de seção triangular apresentam desempenho superior comparados a dissipadores com canais quadrados e circulares. / The present thesis concerns an experimental study on the effects of cross-sectional geometry and low GWP refrigerants on the thermal-hydraulic performance for convective boiling inside micro-scale channels. Experimental results for heat transfer coefficient and pressure drop gradient during convective boiling were obtained for circular, square and triangular channels for the fluid R134a. The evaluated channels present the same external perimeter and equivalent diameters of 1.1, 0.977 and 0.835 mm, respectively. In the case of the circular geometry, experimental results were also acquired for the HFOs R1234ze(E) and R1234yf and the hydrocarbon R600a (isobutane), which are fluids with low GWP and null ODP. Experiments were performed for a wide range of heat fluxes and mass velocities, saturation temperatures of 31 and 41°C and vapor qualities up to 0.95. The experimental data were carefully analyzed and discussed based on a parametrical analysis focusing on the effect of the cross-sectional geometry and the working fluid. Subsequently, the experimental data were compared against the most quoted predictive methods from literature. In general, it was verified that none of the predictive methods were able to accurately capture the experimental trends of the overall database. So, new predictive methods for the pressure drop and heat transfer coefficient were developed based on the broad database obtained in the present study. The proposed methods provided satisfactory results not only for the experimental database used for its development, but also for independent databases collected in the literature. Additionally, based on the data obtained in the present study and a performance analysis taken into account pressure drop, heat transfer coefficient and the channel packing factor, triangular cross sectional geometry is recommended for heat sinks.

A presente tese trata da análise experimental do efeito da geometria da seção transversal do canal e do desempenho de refrigerantes de reduzido GWP (Global Warming Potential) durante a ebulição convectiva em canais de reduzidas dimensões. A tese inclui ainda um estudo extenso e crítico da literatura sobre métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor, e sobre estudos experimentais em canais não-circulares e de refrigerantes com reduzido GWP na ebulição convectiva em canais de dimensões reduzidas. Resultados para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão durante a ebulição convectiva foram obtidos para canais com geometrias de seção circular, quadrada e triangular para o refrigerante R134a. Nos testes utilizou-se canais com perímetros internos similares obtidos a partir da conformação de um tubo com diâmetro interno igual a 1,1 mm. No caso do canal circular, dados foram também levantados para os HFOs R1234ze(E) e R1234yf e o hidrocarboneto R600a, fluidos com reduzido GWP. Ensaios foram executados para amplas faixas de fluxos de calor e velocidades mássicas, temperaturas de saturação de 31 e 41°C e títulos de vapor entre 0 e 0,95. Aspectos relacionados aos efeitos da geometria e do fluido refrigerante foram minuciosamente investigados através da análise paramétrica dos resultados. Com base na comparação do banco de dados coletado com os métodos de previsão disponíveis na literatura, constatou-se que estes proporcionam previsões satisfatórias apenas para condições experimentais especificas. Portanto, novos métodos de previsão da perda de pressão e do coeficiente de transferência de calor foram desenvolvidos com base nos dados levantados no presente estudo. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente o banco de dados do presente estudo e resultados independentes disponíveis na literatura. Adicionalmente, com base nos resultados levantados, verificou-se que dissipadores de calor baseados em multi-microcanais com canais de seção triangular apresentam desempenho superior comparados a dissipadores com canais quadrados e circulares. / The present thesis concerns an experimental study on the effects of cross-sectional geometry and low GWP refrigerants on the thermal-hydraulic performance for convective boiling inside micro-scale channels. Experimental results for heat transfer coefficient and pressure drop gradient during convective boiling were obtained for circular, square and triangular channels for the fluid R134a. The evaluated channels present the same external perimeter and equivalent diameters of 1.1, 0.977 and 0.835 mm, respectively. In the case of the circular geometry, experimental results were also acquired for the HFOs R1234ze(E) and R1234yf and the hydrocarbon R600a (isobutane), which are fluids with low GWP and null ODP. Experiments were performed for a wide range of heat fluxes and mass velocities, saturation temperatures of 31 and 41°C and vapor qualities up to 0.95. The experimental data were carefully analyzed and discussed based on a parametrical analysis focusing on the effect of the cross-sectional geometry and the working fluid. Subsequently, the experimental data were compared against the most quoted predictive methods from literature. In general, it was verified that none of the predictive methods were able to accurately capture the experimental trends of the overall database. So, new predictive methods for the pressure drop and heat transfer coefficient were developed based on the broad database obtained in the present study. The proposed methods provided satisfactory results not only for the experimental database used for its development, but also for independent databases collected in the literature. Additionally, based on the data obtained in the present study and a performance analysis taken into account pressure drop, heat transfer coefficient and the channel packing factor, triangular cross sectional geometry is recommended for heat sinks.