This research comprises an experimental and theoretical study on convective boiling inside tubes containing twisted-tape inserts. The demand for more compact and efficient thermal systems, in which the heat exchangers plays an important role, has led to the development and use of various heat transfer enhancement techniques. Among them twisted-tape insert as a swirl flow device is one of the most used. Twisted-tape inserts have been used for over more than one century ago as a technique of heat transfer enhancement applied to heat exchangers. However, the heat transfer augmentation comes together with pressure drop increment, impacting the pumping power and, consequently, the system efficiency. Moreover, until now it is not clear, the operational conditions under which the heat transfer coefficient augmentation by the use of twisted-tape inserts overcomes pressure drop penalty. In the present study, initially, extensive investigations of the literature concerning convective boiling inside plain tubes with and without twisted-tape inserts were performed. This literature review covers pressure drop, heat transfer coefficient and the leading frictional pressure drop gradient and heat transfer coefficient predictive methods during convective boiling inside tubes with and without twisted-tape inserts. Then, pressure drop and heat transfer coefficient results acquired in the present study were obtained in an experimental apparatus of 12.7 and 15.9 mm ID tubes during flow boiling of R134a for twisted-tape ratios of 3, 4, 9, 14 and tubes without inserts, mass velocities ranging from 75 to 200 kg/m2 s, saturation temperatures of 5 and 15°C and heat fluxes of 5 and 10 kW/m2. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. An analysis of the enhancement of the heat transfer coefficient and the pressure drop penalty is presented. Heat transfer coefficient increments up to 45% keeping the same pumping power and pressure drop penalty of about 35% were obtained by using twisted-tape relative to tubes without inserts. Additionally, through comparison of the present study experimental results with the predictive methods from the literature for heat transfer coefficient during two-phase flow inside tube containing twisted-tape inserts, it was verified that non of these methods predict satisfactory well the experimental results. However, a new method was develop for predicting the heat transfer coefficient during flow boiling inside tubes containing twisted-tape inserts based on the experimental results obtained in the present study. The predictive method takes into account the physical picture of the swirl flow phenomenon by including swirl flow effects promoted by the twisted-tape inserts. The proposed method predicts satisfactorily well the data obtained in the present study, predicting 89.1% of the experimental data within an error band of ± 30% and absolute mean deviation of 15.7%. / A presente pesquisa trata-se de um estudo teórico e experimental sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas. A crescente demanda por sistemas térmicos mais compactos e eficientes, nos quais os trocadores de calor apresentam elevada relevância, tem motivado o desenvolvimento de inúmeras técnicas de intensificação de troca de calor, sendo que a utilização de fitas retorcidas é uma das técnicas mais adotadas. Fitas retorcidas são utilizadas como técnicas de intensificação de troca de calor há mais de um século. Entretanto o incremento da transferência de calor é acompanhado do aumento da perda de pressão, que por sua vez implica em aumento da potência de bombeamento, e consequentemente afeta a eficiência global do sistema. Adicionalmente, até os dias de hoje não há consenso sobre as condições operacionais em que o ganho com o incremento do coeficiente de transferência de calor é superior à perda devido ao aumento da perda de pressão. Neste estudo, inicialmente foi realizada uma extensa revisão da literatura sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com e sem fitas retorcidas. Esta revisão aborda aspectos relacionados à perda de pressão e ao coeficiente de transferência de calor, juntamente com os métodos de previsão destes parâmetros. Foram realizados experimentos para determinação experimental de perda de pressão e coeficiente de transferência de calor, em aparato experimental contando com tubos horizontais com diâmetros internos iguais a 12,7 e 15,9 mm, para escoamento bifásico de R134a, razões de retorcimento iguais a 3, 4, 9, 14 e tubo sem fita, velocidades mássicas entre 75 e 200 kg/m²s, temperaturas de saturação iguais a 5 e 15°C, e fluxo de calor iguais a 5 e 10 kW/m². Os resultados experimentais foram analisados e comparados com estimativas segundo métodos disponíveis na literatura. Uma análise do aumento do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão friccional é apresentada. Foram verificados incrementos do coeficiente de transferência de calor de até 45% para a mesma potência de bombeamento, e aumento de perda de pressão de aproximadamente 35% para tubos com fitas retorcidas em relação aos tubos sem fita. Adicionalmente, através da comparação dos resultados experimentais com os métodos de previsão para coeficiente de transferência de calor, foi verificado que nenhuma metodologia apresentava previsões satisfatórias dos resultados. Portanto um novo método para previsão do coeficiente de transferência de calor durante ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas foi desenvolvido com base nos resultados experimentais obtidos durante o presente estudo. O método proposto é função de parâmetros geométricos e do escoamento, e também de parâmetros físicos do escoamento rotacional induzido pela fita. A metodologia desenvolvida apresenta previsões satisfatórias dos resultados experimentais, prevendo 89,1% dos resultados experimentais com erro inferior a ± 30% e erro médio absoluto igual a 15,7%.

A pesquisa realizada envolveu a avaliação experimental dos efeitos do fluido e da orientação do escoamento no desempenho de um dissipador de calor baseado na ebulição convectiva em microcanais. Estes dissipadores de calor são usados como uma nova aplicação para a refrigeração dos novos dispositivos eletrônicos que geram altas taxas de calor. Efetuou-se inicialmente uma extensa pesquisa bibliográfica sobre o escoamento monofásico e a ebulição convectiva em microcanais e em multi-microcanais através da qual levantou-se os principais métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão. Então, utilizando o aparato experimental desenvolvido durante o mestrado de Do Nascimento (2012) avaliou-se a transferência de calor e perda de pressão de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais paralelos. O dissipador de calor avaliado possui 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de altura e espaçados de 200 µm. Ensaios experimentais foram executados para o R245fa, fluido de baixa pressão utilizado em ciclos frigoríficos de baixa pressão, e R407C, fluido de alta pressão usado para conforto térmico, temperatura de saturação de 25 e 31°C, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, graus de subresfriamento do líquido de 5, 10 e 15°C, título de vapor máximo de até 0,38, fluxos de calor de até 350 kW/m², e para 3 orientações diferentes do dissipador de calor, horizontal, vertical com os canais alinhados horizontalmente e vertical com escoamento ascendente. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com métodos da literatura. Coeficientes de transferência de calor médios de até 35 kW/m² °C foram obtidos. Resultados adquiridos para o R245fa e R407C foram inferiores aos levantados por Do Nascimento (2012) para o R134a utilizando o mesmo dissipador. O fluido R407C apresentou frequências e amplitudes de oscilações inferiores aos fluidos R134a e R245fa. Nenhum método para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão proporcionou previsões satisfatórias dos dados experimentais. O modelo Homogêneo com viscosidade da mistura bifásica dada por Cicchitti et al. (1960) apresentou as melhores previsões da perda de pressão, já para o coeficiente de transferência de calor, os métodos de Bertsch et al. (2009) e Liu e Winterton (1991) apresentaram as melhores previsões. O dissipador com sua base posicionada horizontalmente fornece coeficientes de transferência de calor superiores enquanto sua base na vertical e escoamento ascendente verificam-se perdas de pressão inferiores. Imagens do escoamento bifásico foram obtidas com uma câmera de alta velocidade e analisadas. / This study presents an experimental investigation on the effect of the fluid and the footprint orientation on the performance of a heat spreader based on flow boiling inside micro-scale channels. This heat spreader is used in an electronics cooling application with high-power density. Initially an extensive investigation of the literature concerning single-phase and two-phase flow inside a single microchannels and multi-microchannels was performed. In this literature review the leading predictive methods for heat transfer coefficient and pressure drop are described. The experimental study was carried out in the apparatus developed by Do Nascimento (2012). The heat sink evaluated in the present study is comprised of fifty parallel rectangular microchannels with cross-sectional dimensions of 100 µm width and of 500 µm depth, and total length of 15 mm. The fins between consecutive microchannels are 200 µm thick. Experimental tests were performed for R245fa, low-pressure fluid used in low pressure refrigeration cycles, and R407C, high-pressure fluid used for heat comfort, saturation temperature of 25 and 31°C, mass velocities from 400 to 1500 kg/m² s, degrees of subcooling of the liquid of 5, 10 and 15°C, outlet vapor quality up to 0.38, heat fluxes up to 350 kW/m², and for the following footprint heat sink orientations: horizontal, vertical with the microchannels aligned horizontally and vertical with upward flow. The results were parametrically analyzed and compared again the predictive methods from literature. Average heat transfer coefficients up to 35 kW/m² °C were obtained. The results for R134a from Do Nascimento (2012) for the same heat sink presented heat transfer coefficients higher than R245fa and R407C. The fluid R407C presented oscillation of the temperature due to thermal instability effects with lower frequency and amplitude lower than R134a, and R245fa. None predictive method provided satisfactory heat transfer coefficient and pressure drop predictions of the experimental data. The Homogeneous model with the viscosity given by Cicchitti et al. (1960) provided the best pressure drop prediction while the heat transfer coefficient was best predicted by Bertsch et al. (2009) and Liu and Winterton (1991). The horizontal orientation of the footprint provided the highest heat transfer coefficients while the vertical footprint orientation with upward flow the lowest pressure drops. Images of the two-phase flow were obtained with a high-speed camera and analyzed.

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.

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-05-25T14:45:18Z No. of bitstreams: 1 Bruno de Sá Beckerle.pdf: 3991624 bytes, checksum: 500b993c0f3a1c3a8c3abae05ed51c5e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-25T14:45:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bruno de Sá Beckerle.pdf: 3991624 bytes, checksum: 500b993c0f3a1c3a8c3abae05ed51c5e (MD5) Previous issue date: 2015-01-05 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo experimental da transferência de calor e queda de pressão na ebulição do isobutano, R-600a, em um tubo composto por 7 mini canais paralelos, cujo diâmetro hidráulico é de 1,47 mm. Os testes em ebulição foram realizados com uma temperatura de saturação de 22 ºC e pressão de saturação de 302 kPa, com velocidade mássica entre 50 e 200 kg/(m²s) e fluxos de calor na seção de testes entre 7 e 40 kW/m². Com os testes realizados verificou-se que o coeficiente de transferência de calor aumenta conforme o incremento do fluxo de calor e velocidade mássica, sendo que esta última tem maior influência para baixos títulos de vapor. O coeficiente de transferência de calor atingiu valores máximos próximos a 3.200 W/(m²K) para a condição de maior vazão e fluxo de calor. 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. A perda de pressão por atrito representou até 93,7% da perda total. Também foram analisados os padrões de escoamento, sendo observados os padrões de bolhas isoladas, bolhas alongadas, intermitente e anular, sendo que o padrão de bolhas isoladas foi observado para baixos fluxos e títulos de vapor, e o padrão anular mostrou-se presente para títulos superiores a 0,13. / This work presents an experimental study of heat transfer and drop pressure in flow boiling of the isobutane, R-600a, in a 7 mini channel of 1,47 mm hydraulic diameter. The tests were performed a boiling with a saturation temperature of 22 °C and saturation pressure of 302 kPa, with a mass velocity between 50 and 200 kg/(m²s) and heat fluxes in the test section between 7 and 40 kW/m². In the tests, it was found that the heat transfer coefficient increases with increasing heat flux and mass velocity has more influence at low quality. The heat transfer coefficient achieved values around 3.200 W/(m²K) for the condition of greater flow and heat flux. The drop pressure was increase by increasing the mass velocity and quality in all tests, while the heat flow have any influence on the drop pressure to the greater mass velocity. The friction drop pressure represented to 93.7% of the total loss. As well analyzed the flow patterns, and observing the patterns of isolated bubbles, plugs/slugs, intermittent and annular, and that the pattern of isolated bubbles were observed for low quality and heat flux and the annular pattern was present for quality from 0.13.

Submitted by Morgana Andrade (morgana.andrade@ufes.br) on 2016-04-20T22:14:13Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) tese_2452_Mariana Frizera.pdf: 7628756 bytes, checksum: 7fb4daf0933cfd2f18906ac0d2c39ebd (MD5) / Approved for entry into archive by Patricia Barros (patricia.barros@ufes.br) on 2016-04-25T16:11:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) tese_2452_Mariana Frizera.pdf: 7628756 bytes, checksum: 7fb4daf0933cfd2f18906ac0d2c39ebd (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-25T16:11:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) tese_2452_Mariana Frizera.pdf: 7628756 bytes, checksum: 7fb4daf0933cfd2f18906ac0d2c39ebd (MD5) / LabPetro - Fundação Ceciliano Abel de Almeida

A pesquisa realizada envolveu a avaliação experimental dos efeitos do fluido e da orientação do escoamento no desempenho de um dissipador de calor baseado na ebulição convectiva em microcanais. Estes dissipadores de calor são usados como uma nova aplicação para a refrigeração dos novos dispositivos eletrônicos que geram altas taxas de calor. Efetuou-se inicialmente uma extensa pesquisa bibliográfica sobre o escoamento monofásico e a ebulição convectiva em microcanais e em multi-microcanais através da qual levantou-se os principais métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão. Então, utilizando o aparato experimental desenvolvido durante o mestrado de Do Nascimento (2012) avaliou-se a transferência de calor e perda de pressão de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais paralelos. O dissipador de calor avaliado possui 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de altura e espaçados de 200 µm. Ensaios experimentais foram executados para o R245fa, fluido de baixa pressão utilizado em ciclos frigoríficos de baixa pressão, e R407C, fluido de alta pressão usado para conforto térmico, temperatura de saturação de 25 e 31°C, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, graus de subresfriamento do líquido de 5, 10 e 15°C, título de vapor máximo de até 0,38, fluxos de calor de até 350 kW/m², e para 3 orientações diferentes do dissipador de calor, horizontal, vertical com os canais alinhados horizontalmente e vertical com escoamento ascendente. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com métodos da literatura. Coeficientes de transferência de calor médios de até 35 kW/m² °C foram obtidos. Resultados adquiridos para o R245fa e R407C foram inferiores aos levantados por Do Nascimento (2012) para o R134a utilizando o mesmo dissipador. O fluido R407C apresentou frequências e amplitudes de oscilações inferiores aos fluidos R134a e R245fa. Nenhum método para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão proporcionou previsões satisfatórias dos dados experimentais. O modelo Homogêneo com viscosidade da mistura bifásica dada por Cicchitti et al. (1960) apresentou as melhores previsões da perda de pressão, já para o coeficiente de transferência de calor, os métodos de Bertsch et al. (2009) e Liu e Winterton (1991) apresentaram as melhores previsões. O dissipador com sua base posicionada horizontalmente fornece coeficientes de transferência de calor superiores enquanto sua base na vertical e escoamento ascendente verificam-se perdas de pressão inferiores. Imagens do escoamento bifásico foram obtidas com uma câmera de alta velocidade e analisadas. / This study presents an experimental investigation on the effect of the fluid and the footprint orientation on the performance of a heat spreader based on flow boiling inside micro-scale channels. This heat spreader is used in an electronics cooling application with high-power density. Initially an extensive investigation of the literature concerning single-phase and two-phase flow inside a single microchannels and multi-microchannels was performed. In this literature review the leading predictive methods for heat transfer coefficient and pressure drop are described. The experimental study was carried out in the apparatus developed by Do Nascimento (2012). The heat sink evaluated in the present study is comprised of fifty parallel rectangular microchannels with cross-sectional dimensions of 100 µm width and of 500 µm depth, and total length of 15 mm. The fins between consecutive microchannels are 200 µm thick. Experimental tests were performed for R245fa, low-pressure fluid used in low pressure refrigeration cycles, and R407C, high-pressure fluid used for heat comfort, saturation temperature of 25 and 31°C, mass velocities from 400 to 1500 kg/m² s, degrees of subcooling of the liquid of 5, 10 and 15°C, outlet vapor quality up to 0.38, heat fluxes up to 350 kW/m², and for the following footprint heat sink orientations: horizontal, vertical with the microchannels aligned horizontally and vertical with upward flow. The results were parametrically analyzed and compared again the predictive methods from literature. Average heat transfer coefficients up to 35 kW/m² °C were obtained. The results for R134a from Do Nascimento (2012) for the same heat sink presented heat transfer coefficients higher than R245fa and R407C. The fluid R407C presented oscillation of the temperature due to thermal instability effects with lower frequency and amplitude lower than R134a, and R245fa. None predictive method provided satisfactory heat transfer coefficient and pressure drop predictions of the experimental data. The Homogeneous model with the viscosity given by Cicchitti et al. (1960) provided the best pressure drop prediction while the heat transfer coefficient was best predicted by Bertsch et al. (2009) and Liu and Winterton (1991). The horizontal orientation of the footprint provided the highest heat transfer coefficients while the vertical footprint orientation with upward flow the lowest pressure drops. Images of the two-phase flow were obtained with a high-speed camera and analyzed.

This research comprises an experimental and theoretical study on convective boiling inside tubes containing twisted-tape inserts. The demand for more compact and efficient thermal systems, in which the heat exchangers plays an important role, has led to the development and use of various heat transfer enhancement techniques. Among them twisted-tape insert as a swirl flow device is one of the most used. Twisted-tape inserts have been used for over more than one century ago as a technique of heat transfer enhancement applied to heat exchangers. However, the heat transfer augmentation comes together with pressure drop increment, impacting the pumping power and, consequently, the system efficiency. Moreover, until now it is not clear, the operational conditions under which the heat transfer coefficient augmentation by the use of twisted-tape inserts overcomes pressure drop penalty. In the present study, initially, extensive investigations of the literature concerning convective boiling inside plain tubes with and without twisted-tape inserts were performed. This literature review covers pressure drop, heat transfer coefficient and the leading frictional pressure drop gradient and heat transfer coefficient predictive methods during convective boiling inside tubes with and without twisted-tape inserts. Then, pressure drop and heat transfer coefficient results acquired in the present study were obtained in an experimental apparatus of 12.7 and 15.9 mm ID tubes during flow boiling of R134a for twisted-tape ratios of 3, 4, 9, 14 and tubes without inserts, mass velocities ranging from 75 to 200 kg/m2 s, saturation temperatures of 5 and 15°C and heat fluxes of 5 and 10 kW/m2. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. An analysis of the enhancement of the heat transfer coefficient and the pressure drop penalty is presented. Heat transfer coefficient increments up to 45% keeping the same pumping power and pressure drop penalty of about 35% were obtained by using twisted-tape relative to tubes without inserts. Additionally, through comparison of the present study experimental results with the predictive methods from the literature for heat transfer coefficient during two-phase flow inside tube containing twisted-tape inserts, it was verified that non of these methods predict satisfactory well the experimental results. However, a new method was develop for predicting the heat transfer coefficient during flow boiling inside tubes containing twisted-tape inserts based on the experimental results obtained in the present study. The predictive method takes into account the physical picture of the swirl flow phenomenon by including swirl flow effects promoted by the twisted-tape inserts. The proposed method predicts satisfactorily well the data obtained in the present study, predicting 89.1% of the experimental data within an error band of ± 30% and absolute mean deviation of 15.7%. / A presente pesquisa trata-se de um estudo teórico e experimental sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas. A crescente demanda por sistemas térmicos mais compactos e eficientes, nos quais os trocadores de calor apresentam elevada relevância, tem motivado o desenvolvimento de inúmeras técnicas de intensificação de troca de calor, sendo que a utilização de fitas retorcidas é uma das técnicas mais adotadas. Fitas retorcidas são utilizadas como técnicas de intensificação de troca de calor há mais de um século. Entretanto o incremento da transferência de calor é acompanhado do aumento da perda de pressão, que por sua vez implica em aumento da potência de bombeamento, e consequentemente afeta a eficiência global do sistema. Adicionalmente, até os dias de hoje não há consenso sobre as condições operacionais em que o ganho com o incremento do coeficiente de transferência de calor é superior à perda devido ao aumento da perda de pressão. Neste estudo, inicialmente foi realizada uma extensa revisão da literatura sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com e sem fitas retorcidas. Esta revisão aborda aspectos relacionados à perda de pressão e ao coeficiente de transferência de calor, juntamente com os métodos de previsão destes parâmetros. Foram realizados experimentos para determinação experimental de perda de pressão e coeficiente de transferência de calor, em aparato experimental contando com tubos horizontais com diâmetros internos iguais a 12,7 e 15,9 mm, para escoamento bifásico de R134a, razões de retorcimento iguais a 3, 4, 9, 14 e tubo sem fita, velocidades mássicas entre 75 e 200 kg/m²s, temperaturas de saturação iguais a 5 e 15°C, e fluxo de calor iguais a 5 e 10 kW/m². Os resultados experimentais foram analisados e comparados com estimativas segundo métodos disponíveis na literatura. Uma análise do aumento do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão friccional é apresentada. Foram verificados incrementos do coeficiente de transferência de calor de até 45% para a mesma potência de bombeamento, e aumento de perda de pressão de aproximadamente 35% para tubos com fitas retorcidas em relação aos tubos sem fita. Adicionalmente, através da comparação dos resultados experimentais com os métodos de previsão para coeficiente de transferência de calor, foi verificado que nenhuma metodologia apresentava previsões satisfatórias dos resultados. Portanto um novo método para previsão do coeficiente de transferência de calor durante ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas foi desenvolvido com base nos resultados experimentais obtidos durante o presente estudo. O método proposto é função de parâmetros geométricos e do escoamento, e também de parâmetros físicos do escoamento rotacional induzido pela fita. A metodologia desenvolvida apresenta previsões satisfatórias dos resultados experimentais, prevendo 89,1% dos resultados experimentais com erro inferior a ± 30% e erro médio absoluto igual a 15,7%.

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 presente pesquisa trata de um estudo experimental da transferência de calor e da perda de carga de fluidos refrigerantes puros e suas misturas em mudança de fase convectiva no interior de tubos lisos e aqueles dotados de ranhuras internas. Para tanto, foi desenvolvido um equipamento experimental cujo componente básico é composto por um tubo horizontal, aquecido por intermédio de uma resistência elétrica do tipo fita, aderida à superfície externa do tubo. As condições de ensaio variaram numa ampla faixa, permitindo cobrir as condições verificadas na maioria das instalações frigoríficas. Os resultados experimentais foram agrupados em duas faixas de velocidades mássicas: elevadas (G > ou = 200 kg/s.m2), onde prepondera o padrão anular de escoamento, e reduzidas (G < 200 kg/s.m2), predominando o padrão estratificado. Os principais parâmetros que afetam o coeficiente de transferência de calor, tais como, velocidade mássica, fluxo de calor, tipo de refrigerante, temperatura de evaporação e diâmetro do tubo foram analisados. O desempenho termo-hidráulico, relativo ao efeito combinado da transferência de calor e da perda de carga dos tubos ranhurados, foi sensivelmente superior quando comparados aos tubos lisos. A análise dos resultados experimentais permitiu a proposição de correlações para a perda da carga, avaliada através do multiplicador bifásico, &#966L, e para coeficiente de transferência de calor, em tubos lisos e ranhurados. As correlações propostas se mostraram adequadas para aplicações práticas, proporcionando desvios reduzidos em relação aos resultados experimentais. Destacam-se as correlações obtidas para o multiplicador bifásico para tubos microaletados e para o coeficiente de transferência de calor para vazões reduzidas em tubos lisos. Diversos registros fotográficos dos principais padrões de escoamento foram levantados, tendo sido importante na análise e entendimento da mudança de fase. / Present research deals with an experimental study of the heat transfer and pressure drop of pure and mixtures of refrigerants undergoing convective boiling inside horizontal smooth and microfin tubes. An experimental apparatus has been developed and constructed whose main component is a horizontal tube electrically heated. Experimental results have been grouped into two mass velocity ranges: the one corresponding to mass velocities lower than 200 kg/s.m2, where the stratified flow pattern is dominant, and that for mass velocities higher than 200 kg/s.m2, where typically the annular flow pattern can be found. Effects over the heat transfer coefficient of physical parameters such as mass velocity, heat flux, diameter, saturation temperature, and refrigerant have been investigated and analyzed. It has been found out that the thermo-hydraulic performance of microfin tubes is better than that of the smooth ones. Empirical correlations have been proposed for both the two-phase flow multiplier and the heat transfer coefficient for different ranges of operating conditions as well as for smooth and microfin tubes. Results from the proposed correlations can be deemed adequate for practical applications given the limited dispersion obtained with respect to their experimental counterpart. Noteworthy are the results obtained from correlations for both the two phase flow multiplier for microfin tubes and the heat transfer coefficient for the lower range of mass velocities in smooth tubes. Finally, worth mentioning is the photographic essay developed in present research involving the flow patterns that occur under convective boiling of refrigerants in horizontal tubes.

A contínua mudança na qualidade da carga de alimentação das unidades de destilação atmosférica introduz incertezas na operação do processo de refino. A caracterização precisa do petróleo bruto, cuja composição varia devido à sua natureza intrínseca e às condições de transporte e armazenamento nas refinarias, poderia auxiliar na redução destas incertezas. O processo clássico de caracterização, baseado nas curvas de destilação TBP (True Boiling Point, Ponto de Ebulição Verdadeiro), ainda não permite detectar essas mudanças de modo mais dinâmico, o que reduz a precisão da simulação do processo e, portanto, uma menor confiabilidade nas condições de operação determinadas a partir dela. No Brasil, petróleo pesado é produzido de forma predominante, que é misturado freqüentemente com petróleo leve importado antes do refino. Como conseqüência, nas refinarias brasileiras as características do petróleo mudam em média, a cada três dias, sendo esta taxa de variação incompatível com a determinação das curvas de destilação TBP. A análise SimDis (Simulated Distillation, Destilação Simulada) é atualmente a técnica de laboratório alternativa para aproximar as curvas de destilação. Porém, ainda apresenta algumas características que a tornam tão limitantes quanto a análise TBP. A espectroscopia NIR (Near InfraRed, Infravermelho Próximo), tem se consagrado como uma técnica analítica rápida e viável em inúmeras aplicações industriais na determinação de diversos parâmetros qualitativos. Neste trabalho, metodologias inovadoras de caracterização são desenvolvidas visando reproduzir com maior dinamismo o processo de refino. A reprodução das curvas de destilação das cargas ao processo de destilação atmosférica da Refinaria de Capuava (RECAP ? Petrobras S.A.) através do seu espectro NIR tem sido o ponto de partida no desenvolvimento do trabalho. Métodos de calibração multivariada e redes neurais foram utilizados na construção de algoritmos computacionais que permitem a previsão dos perfis de destilação do petróleo processado, os quais foram utilizados na simulação do processo para avaliar o impacto da aplicação desta metodologia. A boa qualidade da reprodução das propriedades físico-químicas do petróleo através do NIR foi comprovada, uma vez que os modelos construídos foram condicionados às características da matéria analisada. Quanto à reprodução do cenário real do processo através da simulação, os resultados obtidos são promissores, mostrando que a caracterização da carga é útil para reproduzir mudanças no processamento. Porém, alguns aspectos precisam ainda ser aprofundados visando o melhor desempenho das metodologias. Contudo, os resultados desta pesquisa reforçam a relevância do papel da espectroscopia NIR, juntamente com técnicas clássicas de laboratório utilizadas, numa nova concepção de caracterização, que tem na rapidez e confiabilidade os seus principais aliados e pode ser aplicada na simulação de um processo visando uma melhor qualidade de operação. / The continuous variation in the quality of the feed petroleum to atmospheric distillation unities brings uncertainty to the operation of the refining process. The characterization of the crude oil, whose composition varies due to its intrinsic nature and the transport conditions and storage in refineries, could be useful in reducing the uncertainty. The classic process of characterization, based on TBP distillation curves (True Boiling Point), still does not permit to detect these changes in a more dynamic manner, which reduces the precision of the process simulation and, consequently, less confidence in the operation conditions determined from it. In Brazil, heavy petroleum is produced predominantly, which is typically blended with light imported petroleum before refining. As a consequence, in Brazilian refineries the characteristics of the petroleum change, on the average, about every three days. This rate of the petroleum change is incompatible with the determination of TBP curves. Nowadays, SimDis analysis (Simulated Distillation) is an alternative laboratory technique able to approximate the distillation curves. However, it still presents some limiting characteristics like those of TBP analysis. In the last decades, the NIR spectroscopy (Near InfraRed) has showed to be a both fast and feasible analytical technique for innumerous industrial applications in the determination of various qualitative parameters. In the present work, an innovative characterization methodology is developed aiming to reproduce more dynamically the refining process. The reproduction of distillation curves of the feed to the atmospheric distillation process of the Refinery of Capuava (RECAP ? Petrobras S.A.) from its NIR spectral determination has been the initial point for the development. Multivariate calibration methods and neural networks have been used in the construction of computational algorithms that allow the prediction of distillation profiles of the petroleum processed. These profiles were applied in process simulation in order to evaluate the impact of the application of this methodology. The good quality of the physicochemical properties of petroleum reproduction using NIR was confirmed, it is due to the fact that constructed models were conditioned to the characteristics of the samples analyzed. With respect to the reproduction of the real process behavior through simulation, the results obtained are promising, which show that the feed characterization is useful in order to reproduce process variations. However, some aspects need to be analyzed deeply in order to improve the performance of the methodologies. Finally, the results of this research strengthen the role of NIR spectroscopy together with classic laboratory techniques used in a new characterization concept, whose major advantages are the rapidity and the trustworthiness of its predictions, that can be applied in order to improve the quality of the simulation of a process.