Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-05-23T04:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345605.pdf: 4269870 bytes, checksum: 7dcbd1eebff87618c3d2ec714a337677 (MD5) Previous issue date: 2016 / Abstract : The study of gas flows in microchannels, especially with regard to micro- (MEMS) and nano-electromechanical systems (NEMS), is pivotal for the development of new technologies. However, these flows also occur in systems commonly used in our daily lives, for example, gas leakage through valves of domestic refrigeration compressors, where refrigerant fluid flows through gaps formed by surface imperfections. Thus, understanding the physics of such flows and characterizing their behavior is fundamental for the design of numerous technological devices. To this end, the present work experimentally investigated the isothermal flow of rarefied gases in microchannels in order to obtain data that would aid in the design of refrigeration compressors. For this purpose, two experimental setups were designed to analyze rarefied flows: one for circular section channels (microtubes) and the other for rectangular section channels with controlled surface characteristics. In addition, a new technique based on the constant volume method was developed to measure the mass flow rate in microchannels. The flow of N2 and refrigerant fluids R134a and R600a were analyzed in stainless steel, copper and brass metal microtubes in practically the entire range of slip and transition regimes. The values of the slip coefficient and tangential momentum accommodation coefficient (TMAC) were obtained by comparing these measurements with analytical solutions of the Navier-Stokes equation and numerical results from the BGK model available in the literature. The measurements in the microtubes showed that the gas?surface interaction approaches the complete diffuse behavior with a TMAC of 0.96?1.06.<br> / O estudo de escoamentos de gases em microcanais é de fundamental importância para o desenvolvimento de novas tecnologias, especialmente no que se refere a sistemas micro (MEMS) e nanoeletromecânicos (NEMS). Porém, esses escoamentos também ocorrem em sistemas comumente utilizados em nosso dia-a-dia. Esse é o caso de vazamentos através de válvulas de compressores de refrigeração doméstica, onde fluidos refrigerantes escoam através de folgas formadas por imperfeições superficiais. Assim, entender a física de tais escoamentos e caracterizar o seu comportamento é fundamental no projeto de muitos dispositivos tecnológicos. O presente trabalho é uma investigação experimental de escoamentos isotérmicos de gases rarefeitos em microcanais, com o objetivo de fornecer dados para auxiliar no projeto de compressores de refrigeração. Para tanto, foram desenvolvidas duas bancadas para análise de escoamentos rarefeitos, uma projetada para canais de seção circular (microtubos) e outra para canais de seção retangular a fim de permitir controle sobre a característica da superfície. Além disso, uma nova técnica baseada no método de volume constante foi proposta para a medição de vazão em microcanais. Escoamentos de nitrogênio e fluidos refrigerantes R134a e R600a foram analisados em microtubos metálicos de aço inoxidável, cobre e latão, cobrindo praticamente toda a faixa dos regimes de escorregamento e transição. Valores de coeficientes de deslizamento e acomodação da quantidade de movimento tangencial (TMAC) foram extraídos a partir da comparação dessas medições com soluções analíticas da equação de Navier-Stokes e resultados numéricos do modelo BGK disponíveis na literatura. Observou-se das medições em microtubos que a interação gás-superfície se dá de forma praticamente difusa, com TMAC entre 0,96 e 1,06.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológio, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:36:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327309.pdf: 3212157 bytes, checksum: be2646e2ddaa2ed344e11035ab1ef46f (MD5) Previous issue date: 2013 / O princípio do funcionamento do compressor scroll é baseado na compressão contínua do fluido através do movimento orbital de uma espira contra uma segunda espira fixa. Estes compressores são amplamente utilizados em sistemas de ar condicionado, sendo os principais geradores de ruído. Observa-se a partir da literatura que as principais fontes de ruído e vibração são os impactos entre partes móveis, as forças geradas pelo campo eletromagnético do motor elétrico e as forças resultantes da compressão do gás. Neste trabalho são desenvolvidos modelos numéricos para quantificar a contribuição destas forças no ruído radiado. Um modelo de multicorpos é desenvolvido para o balanceamento do compressor e obtenção das forças nos contatos entre componentes provenientes das forças de inércia. Um modelo eletromagnético é desenvolvido para o cálculo das forças atuantes nos dentes do estator e, por fim, um modelo vibroacústico é desenvolvido considerando como excitação as forças provenientes do modelo de multicorpos, do campo eletromagnético e da compressão do gás. Os resultados de potência sonora foram comparados com os obtidos experimentalmente.<br> / Abstract : The principle of operation of the scroll compressor is based on the continuous compression of the fluid through the orbital motion of one coil against a second fixed coil. These compressors are widely used in air conditioning systems, being the main noise generators. It is observed, from the literature, that the main sources of noise and vibration are the impacts between the moving parts, the forces generated by the electromagnetic field of the electric motor and the resulting forces from the gas compression. In this dissertation, numerical models are developed to quantify the contribution of these forces on the radiated noise. A multi-body model was developed for the balancing of the compressor and to obtain the contact forces between components due to the inertia forces. An electromagnetic model are developed to calculate the forces acting on the stator teeth and, finally, a vibroacoustic model are developed considering, as sources of excitation, the forces from the multi-body model, the electromagnetic field and the compression of the gas. The results of sound power were then compared with those obtained experimentally.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:03:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348530.pdf: 4643216 bytes, checksum: 12eee26849d4b53b347dc05fa4cbf7ab (MD5) Previous issue date: 2016 / Os métodos de análise de imagem vêm se tornando um poderoso aliado na caracterização de rochas reservatórios, com vantagens como uniformidade e repetitividade das análises assim como redução em tempo e custos de operação. A partir de uma imagem tridimensional, propriedades petrofísicas podem ser estimadas utilizando um modelo matemático que capture a física do escoamento de fluidos no interior do meio poroso. Este trabalho utiliza uma metodologia chamada de ?extração de rede de poros e ligações?, o que essencialmente consiste em criar uma estrutura topologicamente equivalente ao meio poroso original, mas com uma geometria simplificada e conhecida. Esta transformação é realizada de modo a imitar a natureza das estruturas porosas, que contém espaços maiores entre a matriz sólida, compondo as estruturas chamadas de poros na rede, e aberturas alongadas conectando dois ou mais poros, chamadas de ligações ou gargantas. A vantagem deste método é utilizar a geometria simplificada dos elementos da rede para expressar a vazão de um poro a outro através da equação generalizada de Poiseulle para escoamento no interior de dutos prismáticos. Com o emprego destas expressões na conservação de massa, é formado um sistema linear de equações para pressão em cada poro. Esta abordagem necessita, portanto, de menos recursos computacionais que as alternativas existentes (e.g. método Lattice Boltzmann). Possibilitando análises mais rápidas e a caracterização de volumes maiores de dados que seriam proibitivos com o uso de outros métodos. Neste trabalho são apresentadas de forma detalhada todas as etapas do processo de extração da rede a partir de uma imagem tridimensional binarizada. Redes de poros e ligações são extraídas a partir de imagens de arenitos, e utilizadas para calcular porosidade, permeabilidade absoluta e pressão capilar por intrusão de mercúrio, apresentando boa concordância com dados experimentais. / Abstract : Methods based on image analysis are proving to be a powerful ally for reservoir rock characterization with advantages such as analysis uniformity and repeatability as well as reduction of operational costs and time. Once a three-dimensional image is obtained, petrophysical properties can be estimated using a mathematical model that captures the physics of fluid flow through porous media. This work uses the Pore network extraction methodology, which in essence consists in creating a topologically equivalent structure of the porous system but with a simplified geometry, trying to mimic the rock in its nature, which contains larger spaces between grains (pores) and elongated apertures connecting two or more pores (throats).The main advantage of this method is to make use of the simplified geometry of the network elements to express flow between pores using generalized Poiseulle equation for flow inside prismatic ducts. Applying these expressions in mass conservation equation, a linear equation system is formed for pressure on each pore. This approach requires less computational resources than the existing numeric alternatives (e.g. Lattice Boltzmann method), therefore obtaining faster responses and allowing larger image analysis which would be prohibitive when using other methods. An in-depth description of the complete process of network extraction from three dimensional binarized images is presented. Pore networks are extracted from siliciclastic rock samples, and used to calculate porosity, absolute permeability and capillary pressure curve for mercury intrusion, showing good accordance with experimental data.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:18:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348684.pdf: 15726528 bytes, checksum: dfc41550ca4b06a5784f57e7fa216e10 (MD5) Previous issue date: 2017 / Edificações são diariamente expostas à radiação solar, a qual é parcialmente absorvida pelas paredes e coberturas e transferida para seu interior. Isso resulta em um aumento da temperatura da estrutura e, consequentemente, em um maior consumo de energia elétrica proveniente do uso de condicionadores de ar. Uma alternativa para promover conforto térmico no interior de edificações, sem consumir energia elétrica, é através da utilização de sistemas de resfriamento passivos em lajes e coberturas, como os evaporativos. O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar, teórica e experimentalmente, os efeitos térmicos da aplicação de um sistema de resfriamento evaporativo sobre uma cobertura. Para isso, foi construída uma bancada experimental, a qual foi exposta a condições reais ambientais. Dados de temperatura interna da cobertura, fluxo de calor, irradiação solar global, velocidade do ar, direção do vento, temperatura ambiente, massa de água evaporada e umidade relativa foram adquiridos, durante dias típicos de verão na cidade de Florianópolis. A evaporação do sistema proposto ocorre através de um material poroso. Água é bombeada por toda a superfície do material, sem a utilização de trabalho mecânico, contando somente com suas propriedades intrínsecas, como capilaridade. Os meios porosos estudados foram: discos de fibra cerâmica encontradas em duas espessuras, 13 e 6 mm, e tecido de algodão. Entre os materiais avaliados, a disposição do material de fibra cerâmica de maior espessura sobre a cobertura foi o que apresentou os melhores resultados, no que se refere a diminuição de fluxo térmico transferido para o interior de edificações. Para um valor de radiação incidente de 1000 "W" "m" ^"-2" , o material poroso de 13 mm, conseguiu reduzir o fluxo de calor transferido para o interior de uma cobertura, aproximadamente 12 vezes quando seco e 10 vezes quando umedecido, se comparados à uma cobertura exposta. O fato do meio evaporativo mostrar-se menos eficiente que o meio seco, não era esperado. Dois fatores foram determinantes: o fato da absortividade solar aumentar quando o meio é umedecido e o fato do meio umedecido ser muito mais condutor que o meio seco. Apesar disso, o meio evaporativo pode mostrar-se mais competitivo em climas mais secos, devido ao aumento da taxa de evaporação quando tem-se baixos valores de umidade relativa, e ainda em situações onde o resfriamento noturno é favorável, uma vez que o meio poroso seco isola a cobertura, dificultado a perda de calor durante a noite, enquanto o umedecido, por ser mais condutor, permite uma troca de calor entre o ambiente interno e externo. Uma possível estratégia seria manter o meio umedecido durante a noite e permitir a secagem durante o dia (cortando o suprimento de água). A mesma estratégia poderia ser adotada para climas temperados, mantendo o meio umedecido em períodos quentes e mantê-lo seco nos períodos frios. Outro resultado importante encontrado neste trabalho, é que, quando utilizou-se o tecido de algodão, o material menos espesso entre os estudados, o desempenho do sistema evaporativo, foi melhor do que o do material seco, mostrando uma relação entre a espessura do meio poroso e a eficiência do sistema evaporativo. / Abstract : Buildings are exposed to solar radiation in a daily basis, part of whichis absorbed by the walls and roof, being transferred to its interior,resulting in an increase in the temperature of the structure and, consequently,a greater consumption of electrical energy due to the use of airconditioners. An alternative to promote thermal comfort inside buildingswithout consuming electrical energy is the use of passive coolingsystems on roofs e.g. evaporative. The present work aims to evaluate,theoretically and experimentally, the thermal effects of an evaporativecooling system placed on a roof. For this purpose, an experimentalapparatus was designed which was exposed to real environmental conditions.Indoor temperature, heat flux, global solar irradiance, air velocity,wind direction, ambient temperature, evaporated water mass andrelative humidity were measured during typical summer days in thecity of Florianópolis. The evaporation of the proposed system occursthrough a porous material. Water is pumped through the entire surfaceof the material with no external mechanical work, relying only on itsintrinsic properties, i.e., capillarity. The porous media studied were:ceramic fiber disks, which thicknesses of 13 and 6 mm, and cotton fabric.Among the studied materials, the thickest ceramic fiber showedthe best results regarding the reduction of the heat flux transferred throughthe slab. For an incident global radiation of 1000 Wm??2, the 13mm-thick porous material was able to reduce the heat load transferredthrough the roof by a factor of 12 when dry and by a factor of 10 whenwet when compared to an exposed roof. The fact that the wet porousmedium was less efficient than the dry one was not expected. Two factorswere determinant: solar absorptivity increases when the mediumis wetted and that the wet material has a higher thermal conductivitythan when it is dry. Nevertheless, the wet medium may be more competitivein drier climates, due to the increase of the evaporation ratewhen low values of relative humidity were measured. Additionally, coolingduring the night is favored in wet medium, given that the dryporous medium insulates the roof, hindering the loss of heat duringthe night, while the wet material, due to higher conductances, allows ahigher heat flux between the internal and external environments. Onepossible strategy would be to keep the medium wetted at night andallow drying during the day (by cutting off the water supply). Thesame strategy could be adopted for temperate climates by keeping themedium moistened in hot periods and keeping it dry in cold periods.Another important result found in this work is that, when using a materialwith a lower thickness (the cotton fabric), the performance of theevaporative system was better than the system with the dry material,showing a relationship between the thickness of the porous medium andthe efficiency of the evaporative system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:18:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348528.pdf: 3337035 bytes, checksum: 12e4eb3980b77f2a2fe6d2ea51f3eed4 (MD5) Previous issue date: 2017 / Os polímeros termoplásticos são amplamente usados na indústria, uma área em que são muito aplicados é área médica. Devido a esse intenso uso faz-se cada vez mais necessária uma melhor caracterização do comportamento mecânico desses materiais para que sejam possíveis melhores simulações numéricas e projetos. O presente trabalho apresenta ensaios cíclicos e de fluência realizados no Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE). Esse material é usado principalmente em superfícies que estão sujeitas à atrito em próteses de ombro, quadril e joelho. Os ensaios cíclicos foram realizados em três diferentes taxas de deformação (0,12, 0,012, 0,0012mm/s) e os de fluência em três diferentes intensidades de carregamento (4, 8, 16MPa). Os resultados desses ensaios foram usados para a identificação de parâmetros no modelo de viscoelasticidade proposto por Simo [1] e também no modelo com abordagem variacional proposto por Fancello et al. [2]. Nenhum dos dois modelos foi capaz de descrever bem o comportamento do material na faixa solicitação em que os ensaios foram feitos, mas os resultados indicam próximos passos para que a simulação do comportamento deste polímero possa ser feita com sucesso. / Abstract : Thermoplastic polymers are widely used in industry, one area in which they are often applied is the medical field. Due to this intense use a better characterization of the mechanical behavior of these materials is increasingly important so that better numeric simulations and designs are made possible. This work presents cyclic and creep tests performed on Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). This material is mainly used on surfaces subject to friction in shoulder, hip and knee prosthesis. The cyclic tests were performed in three different strain rates (0,12, 0,012, 0,0012mm/s) and the creep tests in three different loads (4, 8, 16MPa). The test results were used to find parameters in the viscoelasticity model proposed by Simo [1] and also in the variational model proposed by Fancello et al. [2]. None of the models were capable of describing well the material behavior in the range that the tests were executed, but the results indicate new steps so that the numerical modeling of this polymer can be successfully made.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:19:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348532.pdf: 16601839 bytes, checksum: cac95698bcf29efc1f4d529fbfb70eef (MD5) Previous issue date: 2017 / A sísmica é um dos procedimentos mais utilizados para a investigação da subsuperfície marinha. Uma etapa crucial no processamento de dados sísmicos é a deconvolução, que permite melhorar a qualidade da imagem sísmica. Essa operação tem fontes conhecidas de erros como a falta de conhecimento da forma do pulso e a escolha do algoritmo. Os algoritmos de deconvolução dividem-se em dois grupos: determinísticos, quando o pulso é conhecido e probabilísticos, quando não. Avaliou-se diferentes técnicas de deconvolução, sendo três determinísticas -- a com regularização, a simultânea e a iterativa -- e uma probabilística, a deconvolução em impulsos. As técnicas mostram limitações dependendo das características do pulso e do ruído. Com o conhecimento do pulso e aplicação de técnicas determinísticas os resultados se mostram melhores, sendo a técnica probabilística empregada bastante instável. Com isso, é proposto um método para estimar a forma do pulso utilizando o próprio traço, com intuito de aplicar métodos determinísticos quando o sinal não é conhecido. A forma de onda do pulso é representada como uma combinação de funções simples na qual aplica-se um filtro adaptativo alimentado por um algoritmo LMS para que haja a reconstrução do sinal original, sem distorções. Aplica-se o método associado às técnicas de deconvolução analisadas. Os resultados exibem erros até 30% menores e se mostram mais estáveis que a técnica probabilística. Além disso, estimativa de pulso e deconvolução são aplicados a dados reais, trazendo melhores resultados para a imagem sísmica. / Abstract : Concerning the investigation of ocean subsurface, seismic is still among the most useful techniques. A crucial stage in seismic data processing is the deconvolution, which allows improving the seismic image. This operation has known sources of errors caused mainly by the absence of a priori knowledge of the seismic pulse shape and the choice of the algorithm used. The deconvolution algorithms are categorized into two groups: deterministic, when the pulse is known and probabilistic, when not. An evaluation of different deconvolution techniques were made, including three deterministics the one with regularization, the simultaneous and the iterative and a probabilistic one, the spiking deconvolution. The techniques showed limitations depending on the characteristics of the pulse and the noise. In general, if the excitation signal is known and the determistic techniques are applied, better results are obtained, being the probabilistic technique employed quite unstable. Thereby, a method is proposed to estimate the shape of the signal using the own trace, in order to use deterministic methods when the pulse is unknown. The pulse waveform is represented as a combination of simples functions, in wich an adaptive filter fed by a LMS is applied to reconstruct the the waveform, without distortion. The method is used with the analyzed deconvolution techniques. The results show30%lower errors and the algorithm is more stable than the probabilistic one. Besides that, pulso estimation and deconvolution are used to analize real data, bringing better results to the seismic image.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:20:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348407.pdf: 30655459 bytes, checksum: 89d2b5aa66b1e8b7ae40e4796c73c05c (MD5) Previous issue date: 2017 / Um Regenerador Magnético Ativo (RMA) ideal operando segundo o ciclo termo-magnético de Brayton realiza quatro processos fundamentais. Dois destes envolvem a variação do campo magnético aplicado no regenerador em condições adiabáticas, a fim de promover a manifestação do efeito magnetocalórico (EMC) na matriz de sólido refrigerante. Os outros dois ocorrem com o campo magnético fixo e envolvem o escoamento e a transferência de calor entre a matriz e o fluido de trabalho responsável por realizar as transferências de calor para os reservatórios térmicos. Na prática, os protótipos de RMAs desenvolvidos até então realizam simultaneamente as etapas de variação magnética e de escoamento devido às limitações na concepção dos circuitos magnéticos e hidráulicos. Portanto, a sincronização entre os perfis temporais de escoamento e de variação de campo magnético apresenta um papel importante na operação do sistema. Nesta perspectiva, a presente dissertação busca contribuir para a metodologia utilizada no estudo da sincronização escoamento-campo magnético através da aplicação de técnicas experimentais e numéricas. Para tanto, um aparato de avaliação de RMAs foi adaptado a fim de permitir a redução do período de escoamento do ciclo, alterando dessa forma o perfil temporal de fluxo de massa. A abordagem numérica foi viabilizada pela validação de um modelo matemático baseado na solução das equações de conservação do problema através do Método de Volumes Finitos. Os resultados obtidos mostraram que a redução dos períodos de escoamento é uma alternativa viável para a melhoria da performance do RMA. Por exemplo, um ganho de 96\% na capacidade de refrigeração foi observado ao reduzir o período de escoamento em 20\%. Contudo, essa melhoria não é irrestrita devido às exigências de vazão mássica que acompanham essa redução. Para o mesmo exemplo, a potência de bombeamento requerida pelo menor período foi 2,5 vezes maior. O modelo matemático foi validado e viabilizou a investigação de maiores reduções do período de escoamento, além da aplicação de uma metodologia de Minimização de Geração de Entropia para determinar o efeito da modificação do perfil temporal de escoamento nas fontes de irreversibilidades no RMA. Uma contribuição adicional envolveu a caracterização do desbalanceamento de massa entre as etapas do ciclo. Tal obstáculo requereu a avaliação por meios experimentais de uma técnica numérica proposta na literatura, a fim de operar corretamente o aparato e contribuir para futuras concepções e avaliações de circuitos hidráulicos para RMAs. / Abstract : Idealized active magnetic regenerators (AMR) are based on the thermo-magnetic Brayton cycle, which includes four steps. Two of them are adiabatic magnetic field changes (magnetization and demagnetization) that lead to temperature variations of the regenerator matrix as a result of the magnetocaloric effect (MCE). The others are isofield fluid flow (cold-to-hot and hot-to-cold) and heat transfer between the solid and the fluid thermal agent. In real systems, however, the magnetization and demagnetization steps in general occur simultaneously with the cold-to-hot and hot-to-cold blows due to conceptual restraints of the magnetic and hydraulic circuits. As a result, the synchronization between the magnetic field change and fluid flow processes play a vital role in the AMR behavior. Therefore, this dissertation aims to implement experimental and numerical procedures for the assessment of the synchronization between magnetic and fluid flow waveforms in RMAs. The apparatus for evaluation of RMA performance was updated in order to allow variations on the fluid flow waveform by means of the reduction of blow time fraction. Numerical modeling of the governing equations was performed by a Finite Volume Method routine. Results indicate that reduced blow fractions can improve system performance, but there is a limit for such reduction, as the required flow rate increases. The mathematical model was able to reproduce experimental cooling capacities and transient variables, and it allowed the implementation of a Entropy Generation Minimization routine for better understanding of the losses mechanisms associated to the blow fraction. This dissertation also advanced the methodology for the experimental characterization of blow mass imbalance, which was a difficulty found during the experiments.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:24:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348525.pdf: 5019460 bytes, checksum: 4ed315a3b59a2bab9c3e13fc079bb513 (MD5) Previous issue date: 2017 / Medições tridimensionais subaquáticas possuem diversas aplicações, por exemplo, na indústria de petróleo e gás para o controle de equipamentos submarinos durante procedimentos de manutenção otimizados. Sistemas com sensores de triangulação a laser (LTS) já são utilizados em ambientes subaquáticos e alguns desafios com LTS nestes ambientes já foram discutidos. Entre estes obstáculos estão a má qualidade de imagem, devido à absorção de luz e retrodifusão, e refração, devido às interfaces entre água e vidro e vidro e ar. O efeito da refração pode ser modelado conhecendo-se a distância da câmera à superfície de refração, o eixo de refração, o índice de refração dos meios e a espessura da janela óptica. Este trabalho analisa dois métodos para a calibração subaquática de LTS com experimentos em laboratório utilizando um LTS desenvolvido para esta aplicação. O primeiro método utiliza um ajuste polinomial, correlacionando o pico do laser para cada linha da imagem da câmera com um ponto 3D. Este método necessita de uma calibração subaquática completa. O segundo método, proposto aqui, é baseado no modelo de câmera pinhole e um plano matemático ajustado para o plano de luz laser projetado. Em medições de ar, para cada pico de laser detectado na imagem, uma linha pode ser definida através do centro da lente aplicando a matriz de projeção do modelo pinhole. A intersecção desta linha com o plano laser matemático resulta na medição de um ponto 3D. Para medições subaquáticas com um LTS de alta qualidade é necessário considerar, adicionalmente, o efeito da refração na interface entre a janela e água. Considerando a janela óptica normal ao eixo da câmera, um caminho de raio é definido no plano de refração de acordo com a lei de Snell para interceptar o plano do laser, definindo um ponto 3D. A calibração para medição subaquática necessita, portanto, estimar a distância da superfície de refração até o centro óptico da câmera. No método proposto, após a calibração no ar, um degrau é medido embaixo d'água e a distância da janela da câmera é otimizada. O método é avaliado de acordo com as diretrizes do VDI / VDE 2634 e vários objetos foram utilizados como exemplos de medição. / Abstract : Underwater tridimensional measurement has many applications, for example, to control underwater equipment during optimized maintenance procedures in the oil and gas industry. Systems with laser triangulation sensors (LTS) are being used underwater at present and some underwater problems with LTS have already been discussed. Among these challenging obstacles are poor image quality, due to light absorption and backscattering, and refraction, due to optical window interfaces between water and air inside the camera chamber. The refraction effect can be predicted knowing the distance from the camera pinhole center to the surface of refraction, the axis of refraction, the refractive index of the mediums and the thickness of the optical window. This work analyses two methods for underwater LTS calibration using real experiments with a built LTS, in-air and underwater. The first method uses a polynomial adjustment correlating to the laser peak for each camera image line with a 3D point. This method needs a complete calibration in the underwater environment. The second method proposed is based on the pinhole camera model and a fitted mathematical plane for the projected laser light plane. In air measurements, a line can be defined through the lens center using the pinhole projection matrix for each laser peak detected in the image. The intersection of this line with the laser mathematical plane leads to a measured 3Dpoint. For high quality underwater LTS measurements, it is necessary to additionally consider the refraction effect on the window and water interface. Considering the optical window normal to the camera axis, a ray path is defined on the plane of refraction according to the Snell?s law to intercept the laser plane, defining a 3D point. The calibration for underwater measurement needs to estimate the window distance from the camera. In the proposed method, after the in-air calibration,a step standard is measured underwater and the window distance from the camera is optimized. The method is evaluated according to the guidelines of VDI/VDE 2634 and multiple objects were evaluated.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:14:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329788.pdf: 9799121 bytes, checksum: 2824407a4410e23af13f8b1cf2818a36 (MD5) Previous issue date: 2014 / O conhecimento de propriedades elétricas de misturas de fluidos é necessário quando se deseja projetar sistemas em que tais misturas entram em contato direto com componentes portadores de carga elétrica. Este é o caso, por exemplo, dos compressores herméticos de refrigeração, nos quais a mistura óleo-refrigerante no interior da carcaça escoa continuamente sobre o motor elétrico. Propriedades elétricas de misturas também são importantes no projeto de sistemas de detecção de fases em escoamentos multifásicos, como sensores de impedância ou capacitivos para a determinação da fração de vazio em escoamentos bifásicos em dutos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um aparato experimental e um procedimento de medição que permita caracterizar propriedades elétricas (permissividade relativa e fator de dissipação) de misturas de óleos e substâncias voláteis sob condições variadas de pressão e temperatura. A bancada experimental, baseada em normas alemã e americanas foi validada a partir de dados experimentais de substâncias puras disponíveis na literatura. Resultados foram gerados para misturas de óleo lubrificante poliol éster (POE) ISO 10 e refrigerantes 134a e 1234yf sob condições controladas de temperatura (25 a 55 ºC) e solubilidade (0 a 100 %). Correlações empíricas foram utilizadas para a predição da permissividade relativa das misturas, com desvios RMS em relação aos resultados experimentais inferiores a 1 %.<br> / Abstract : Electrical properties of fluid mixtures are needed in the design of systems in which the process streams or working fluids come into direct contact with electrically live parts. This is the case, for instance, of hermetic refrigeration compressors, in which the refrigerant-lubricating oil mixture inside the crankcase wets the electric motor continuously. Electrical properties of fluid mixtures are also important in the design of phase fraction detectors, like impedance and capacitance void fraction sensors for two-phase flow in pipes. The purpose of this dissertation is to develop an experimental apparatus and an experimental procedure to measure electrical properties (dissipation factor and relative permittivity) of mixtures involving volatile substances (liquefied gases and refrigerants) and oils under different pressure and temperature conditions. The experimental apparatus was designed and built following the recommendations of the german and american standards for measurements of electrical properties of fluids. The procedure was verified against data for pure substances available in the open literature. Experimental results were generated for mixtures of polyol ester (POE) ISO 10 lubricating oil and refrigerants 134a and 1234yf for temperatures and solubilities ranging from 25 to 55 °C and 0 to 100 %. Empirical correlations were used to predict the relative permittivity of the mixtures, with RMS deviations with respect to the experimental data lower than 1 %.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327998.pdf: 3676297 bytes, checksum: 37aa8333354ebbf38bac7a89c1ac9492 (MD5) Previous issue date: 2014 / Neste trabalho realizou-se um estudo numérico e experimental sobre o desempenho de condensadores skin aplicados a refrigeradores domésticos. Um modelo matemático foi desenvolvido considerando tanto a transferência de calor para o ambiente externo como para os compartimentos refrigerados. Um modelo bidimensional, utilizando a técnica dos volumes finitos, foi utilizado para subsidiar o desenvolvimento do modelo matemático. O modelo desenvolvido considera a transferência de calor através do tubo, da fita metálica, da chapa externa e da camada de isolamento térmico. O modelo é capaz de estimar a taxa de transferência de calor a partir da geometria do condensador, das temperaturas do ambiente e dos compartimentos refrigerados, da vazão mássica de refrigerante e do estado termodinâmico do fluido refrigerante na entrada do condensador. Numa segunda etapa, o modelo do condensador foi incorporado a um modelo de simulação de sistemas de refrigeração. Dessa forma tornou-se possível avaliar o efeito das características do condensador sobre a capacidade de refrigeração, consumo de energia e coeficiente de performance. Uma base de dados experimentais foi obtida através de ensaios realizados com um refrigerador posicionado no interior de uma câmara com temperatura e umidade controladas e submetido a diferentes condições de funcionamento. Os ensaios foram realizados em regime permanente, ou seja, com o compressor funcionando ininterruptamente sob a ação de resistências elétricas colocadas no interior dos compartimentos refrigerados. Foram utilizados diferentes valores de temperatura ambiente, temperatura do gabinete, temperatura do congelador e rotação do compressor, os quais deram origem a dezesseis pontos experimentais. Além disso, foram registradas imagens termográficas para mapear os campos de temperatura nas paredes externas do refrigerador. As estimativas do modelo foram confrontadas com a base de dados experimentais quando se observou diferenças inferiores a 5%. As estimativas do modelo mostraram ainda que aproximadamente 60% do calor total é rejeitado para o ambiente externo e que os 40% restantes são transferidos para o interior dos compartimentos refrigerados. Além disso, identificou-se que mais de 80% do calor rejeitado para o meio ambiente ocorre por radiação. Os resultados da simulação do sistema de refrigeração permitiram concluir ainda que os parâmetros do condensador com maior efeito sobre o consumo de energia são a condutividade térmica e a espessura da chapa externa e do isolamento térmico. Ficou evidente também que a passagem dos tubos do condensador pela parede do congelador aumenta consideravelmente o consumo de energia.<br> / Abstract : The aim of this work is to numerically and experimentally investigate the performance of skin condensers applied to household refrigerators. To this end a two-dimensional CFD (Computational fluid Dynamics) code was firstly developed to support the development of the mathematical model. The developed model takes into account both the heat transfer to the ambient and to the refrigerated compartments by considering the heat transfer through the tube wall, aluminum tape, outer steel shell and insulation layer. The model predicts the heat transfer rates based on the internal and external temperatures, condenser geometry, refrigerant mass flow rate, pressure and temperature at the condenser inlet. In a second step, the condenser model was added to a simulation model of refrigerating systems. In this way it becomes possible to evaluate the effect of the condenser characteristics on the, cooling capacity, energy consumption and coefficient of performance. Steady-state tests ? compressor running continuously under the action of electric heaters placed inside the refrigerated compartments ? were carried out in different operating conditions with the product positioned within a climate-controlled chamber. The tests were carried out at different values of ambient temperatures, fresh-food compartment temperatures, freezer compartment temperatures and compressor speeds. Thermo graphic images of the temperature fields of the refrigerator outer steel shell were also recorded during the experiments. The model predictions were compared with the experimental database with the deviations falling inside a ?5% error band. It was shown that, independently of the operating conditions, the condenser rejects 60% of the heat to the ambient and the remaining 40% to the refrigerated compartments. It was also found that radiation is responsible by over 80% of the heat rejected to the ambient. It was also shown that the condenser parameters with the largest effect on the energy consumption are the thermal conductivity and thickness of the outer shell and thermal insulation layer. Furthermore, it was shown that there are some performance gains when the condenser tubes are not placed in the freezer walls.