Estágio realizado na FLUIDINOVA - Engenharia de Fluídos e orientado pelo Doutor Renato Gomes Sousa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Made available in DSpace on 2015-07-13T12:10:23Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-03-04. Added 1 bitstream(s) on 2015-07-13T12:25:17Z : No. of bitstreams: 1 000825886.pdf: 2374301 bytes, checksum: 0246455742546c0dec95918d7c6ee8fd (MD5) Bitstreams deleted on 2015-08-28T16:09:04Z: 000825886.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2015-08-28T16:10:03Z : No. of bitstreams: 1 000825886_20170303.pdf: 155651 bytes, checksum: a527d9f67c6e1878afe1e6d089b2784c (MD5) Bitstreams deleted on 2017-03-03T11:01:32Z: 000825886_20170303.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2017-03-03T11:02:41Z : No. of bitstreams: 1 000825886.pdf: 2374306 bytes, checksum: b2970a9c7666a2c1bbf81049f8840f62 (MD5) / A busca por novos materiais com propriedades físicas e químicas melhoradas tem se intensificado nos últimos anos devido aos avanços na área da nanotecnologia. Esses avanços tem permitido a miniaturização e o aumento no desempenho de diversos sistemas e dispositivos. Nesse contexto tem se intensificado a busca por modos de aumentar a condutividade térmica (k) de sistemas trocadores de calor, através do emprego de nanofluidos, que consistem na dispersão da nanomateriais em um fluido trocador de calor tradicional (água, etileno glicol e óleos). Essa dispersão visa permitir um grande aumento na taxa de transferência de calor dos dispositivos trocadores de calor. Os nanofluidos devem ser estáveis por longos períodos de tempo, para isso deve-se tentar inibir as tendências de agregação destes nanomateriais, através do uso de estratégias de proteção e estabilização das nanopartículas que o compõem. O uso de tais estratégias de estabilização da dispersão está correlacionando ao estudo da estabilidade de sistemas coloidais. Neste trabalho, foram obtidos nanofluidos aquosos contendo nanopartículas de sulfeto de cobre estáveis por longos períodos. O fluido aquoso é vantajoso por apresentar maior condutividade térmica entre os fluidos tradicionais, além de sua baixa toxicidade quando comparado a fluidos orgânicos. A obtenção de nanopartículas de cobre em meio aquoso é um desafio à estabilidade coloidal da dispersão formada, devido à oxidação das nanopartículas metálicas. Foram testados vários agentes de superfície para preparar nanofluidos aquosos estáveis. O nanofluido com alta estabilidade química e coloidal foi produzido com ácido tioglicólico como agente de superfície. A presença do grupo mercapto deste reagente levou à formação de nanopartículas de sulfeto cobre com estabilidade coloidal superior a 389 dias. As partículas foram caracterizadas em... / The search for new materials with improved physical and chemical properties has intensified in recent years due to advances in nanotechnology. These advances have allowed the miniaturization and increased performance of various systems and devices. In this context has intensified the search for ways to increase the thermal conductivity (k) heat exchanger systems, through nanofluids employment, involving the dispersion of nanomaterials in a traditional fluid heat exchanger (water, ethylene glycol and oils). This dispersion is designed to enable a large increase in heat transfer rate of heat exchangers devices. Nanofluids must be stable for long periods of time, so it should try to inhibit the aggregation trends of these nanomaterials, through the use of protective strategies and stabilization of nanoparticles that comprise it. The use of such dispersion stabilization strategies are correlated to study the stability of colloidal systems. In this paper, nanofluids containing stable aqueous copper sulfide nanoparticles for long periods were obtained. The aqueous fluid is advantageous due to its higher thermal conductivity between traditional fluids, in addition to its low toxicity compared to body fluids. Obtaining copper nanoparticles in aqueous medium is a challenge to the stability of the colloidal dispersion formed due to oxidation of metallic nanoparticles. Various surfactants were tested to prepare stable aqueous nanofluids. The nanofluid with high chemical stability and was colloidal produced with thioglycolic acid as surfactant. The presence of mercapto group in this reaction led to the formation of copper sulfide nanoparticles with colloidal stability more than 389 days. The particles were characterized for morphology and size distribution by transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The colloidal stability of nanofluids was assessed by zeta potential...

Orientador: Miguel Jafelicci Júnior / Banca: Pedro Henrique Cury Camargo / Banca: Marcos Augusto de Lima Nobre / Resumo: A busca por novos materiais com propriedades físicas e químicas melhoradas tem se intensificado nos últimos anos devido aos avanços na área da nanotecnologia. Esses avanços tem permitido a miniaturização e o aumento no desempenho de diversos sistemas e dispositivos. Nesse contexto tem se intensificado a busca por modos de aumentar a condutividade térmica (k) de sistemas trocadores de calor, através do emprego de nanofluidos, que consistem na dispersão da nanomateriais em um fluido trocador de calor tradicional (água, etileno glicol e óleos). Essa dispersão visa permitir um grande aumento na taxa de transferência de calor dos dispositivos trocadores de calor. Os nanofluidos devem ser estáveis por longos períodos de tempo, para isso deve-se tentar inibir as tendências de agregação destes nanomateriais, através do uso de estratégias de proteção e estabilização das nanopartículas que o compõem. O uso de tais estratégias de estabilização da dispersão está correlacionando ao estudo da estabilidade de sistemas coloidais. Neste trabalho, foram obtidos nanofluidos aquosos contendo nanopartículas de sulfeto de cobre estáveis por longos períodos. O fluido aquoso é vantajoso por apresentar maior condutividade térmica entre os fluidos tradicionais, além de sua baixa toxicidade quando comparado a fluidos orgânicos. A obtenção de nanopartículas de cobre em meio aquoso é um desafio à estabilidade coloidal da dispersão formada, devido à oxidação das nanopartículas metálicas. Foram testados vários agentes de superfície para preparar nanofluidos aquosos estáveis. O nanofluido com alta estabilidade química e coloidal foi produzido com ácido tioglicólico como agente de superfície. A presença do grupo mercapto deste reagente levou à formação de nanopartículas de sulfeto cobre com estabilidade coloidal superior a 389 dias. As partículas foram caracterizadas em... / Abstract: The search for new materials with improved physical and chemical properties has intensified in recent years due to advances in nanotechnology. These advances have allowed the miniaturization and increased performance of various systems and devices. In this context has intensified the search for ways to increase the thermal conductivity (k) heat exchanger systems, through nanofluids employment, involving the dispersion of nanomaterials in a traditional fluid heat exchanger (water, ethylene glycol and oils). This dispersion is designed to enable a large increase in heat transfer rate of heat exchangers devices. Nanofluids must be stable for long periods of time, so it should try to inhibit the aggregation trends of these nanomaterials, through the use of protective strategies and stabilization of nanoparticles that comprise it. The use of such dispersion stabilization strategies are correlated to study the stability of colloidal systems. In this paper, nanofluids containing stable aqueous copper sulfide nanoparticles for long periods were obtained. The aqueous fluid is advantageous due to its higher thermal conductivity between traditional fluids, in addition to its low toxicity compared to body fluids. Obtaining copper nanoparticles in aqueous medium is a challenge to the stability of the colloidal dispersion formed due to oxidation of metallic nanoparticles. Various surfactants were tested to prepare stable aqueous nanofluids. The nanofluid with high chemical stability and was colloidal produced with thioglycolic acid as surfactant. The presence of mercapto group in this reaction led to the formation of copper sulfide nanoparticles with colloidal stability more than 389 days. The particles were characterized for morphology and size distribution by transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The colloidal stability of nanofluids was assessed by zeta potential... / Mestre

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-15T04:17:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Morais_EdvaldoRodrigode_D.pdf: 6747685 bytes, checksum: c02b586c7235aff32140ce7dcd3c8e2c (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Em reações altamente exotérmicas, uma das principais características dos reatores catalíticos de leito fixo está relacionada ao surgimento do ponto quente ou hot-spot, sendo sua prevenção de fundamental importância para o bom desempenho do reator, uma vez que ele pode levar ao aumento excessivo da temperatura no leito catalítico, o que poderia resultar em possíveis condições de instabilidade. Um fator importante para estabelecer limites de estabilidade e que, portanto, deve ser considerado dentro do projeto de reatores catalíticos de leito fixo, está relacionado à escolha da configuração de escoamento do fluido refrigerante. Desta forma, duas novas configurações de escoamento para o fluido refrigerante, empregando simultaneamente as configurações convencionais co-corrente e contra-corrente, são propostas. O objetivo é explorar e analisar a influência de diferentes configurações de refrigeração sobre o comportamento de reatores catalíticos de leito fixo monotubulares e multitubulares através de sua modelagem e simulação, reduzindo assim os efeitos do ponto-quente sobre o comportamento estacionário do reator. O emprego de modelos multitubulares é essencial quando existe a necessidade de se considerar detalhadamente todos os aspectos relacionados ao projeto mecânico do reator e também onde as interações existentes entre os tubos forem importantes. Dentre as configurações de refrigeração empregadas estão as formas convencionais, denominadas co-corrente e contra-corrente, e também as configurações mistas, que utilizam ambas as formas convencionais simultaneamente. Como caso de estudo é considerada a reação de oxidação parcial do benzeno em anidrido maleico sobre catalisador de pentóxido de vanádio (V2O5), a qual apresenta equações de taxa complexas e é altamente exotérmica, e representa uma importante classe dentro dos processos industriais. Para tanto foram desenvolvidos softwares escritos em FORTRAN 90 capazes de permitir ao usuário o estudo de diversas configurações de refrigeração e diferentes condições de operação e de projeto, tanto para o reator monotubular quanto multitubular, sendo ainda compatíveis com outras reações de interesse industrial, o que torna os procedimentos e a metodologia desenvolvidos de uso geral / Abstract: One of the main characteristics of fixed bed catalytic reactors when high exothermic reactions are carried out is the presence of the hot-spot. Prevention of hot-spot appearance is extremely important for good reactor performance, since it can lead to an excessive increase in reactor bed temperature, which could result in unstable conditions. An important factor to establish stability limits and, therefore, to be considered during the fixed bed catalytic reactor design is the choice of the coolant flow pattern. In doing so, two new coolant flow patterns are purposed using both co-current and counter-current conventional configurations simultaneously. The main objective is to explore and analyze the influence of different cooling modes on the monotubular and multitubular fixed bed catalytic reactors behavior through their modeling and simulation, reducing in this way the effects of the hot-spot on the steady state reactor behavior. The use of multitubular models is essential when there is a need to consider in detail all aspects related to the reactor mechanical design and also where the interactions between tubes are important. Among the cooling modes used are the conventional flow patterns, called co-current and counter-current, and also the mixed flow patterns, which use both conventional forms simultaneously. As a case study, the reaction of partial oxidation of benzene to maleic anhydride over a vanadium pentoxide catalyst (V2O5) is considered, which presents complex rate equations, is highly exothermic, and represent an important class of industrial processes. Bearing this in mind, FORTRAN 90 softwares that permit the user to study different cooling modes and various operational and design conditions for both mono-tubular and multitubular reactors were developed. These softwares are compatible with other reactions of industrial interest, which makes the procedures and methodology developed for general use / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

[pt] O presente trabalho trata da caracterização e simulação de compressores alternativos dos tipos automotivo, hermético e semi-hermético, motivado pela necessidade de estudo de novos refrigerantes, com menor impacto ambiental, isto é, sem potencial de destruição da camada de ozônio e baixo potencial de efeito estufa. O estudo apresenta uma metodologia para a modelagem, mediante a qual, dependendo do tipo de compressor, este é dividido nos seguintes volumes de controle: mufla de sucção, câmara de sucção, cilindro de compressão, câmara de descarga, linha de descarga, motor elétrico, carcaça do compressor, massa metálica interna e gás escoando no interior da carcaça. Equações fundamentais de conservação, de troca de calor, de queda de pressão e de propriedades termofísicas do refrigerante são aplicadas a cada volume de controle. Buscando o desenvolvimento de modelos simples, porem, ainda capazes de identificar o desempenho do compressor operando com diferentes refrigerantes, optou-se pelo desenvolvimento de modelos semi-empíricos, determinando-se coeficientes empíricos, característicos do compressor e independentes do refrigerante ou das condições de operação. Foram efetuados ensaios calorimétricos normalizados em duas instalações laboratoriais existentes para os compressores hermético e semihermético. Para o compressor hermético foi utilizado o HFC-134a como referência e foram testados os refrigerantes HFO-1234yf e HFO-1234ze(E) e a mistura HDR-17. Para o compressor semi-hermético foi utilizada uma instalação de refrigeração comercial instrumentada do tipo ar-ar, operando com a mistura R404A (referência), tendo sido testados oito novos fluidos. Para o compressor automotivo foram utilizados dados experimentais do refrigerante HFO-1234yf, existentes na literatura. A caracterização dos compressores alternativos foi bem sucedida na medida em que os parâmetros empíricos determinados a partir de diferentes refrigerantes mostraram-se com valores suficientemente próximos. Nos testes experimentais foram identificados fluidos refrigerantes com desempenho maior e baixo potencial de aquecimento global. Atingiu-se, com a modelagem, o desenvolvimento de uma ferramenta computacional capaz de predizer as condições de operação de compressores alternativos operando com novos refrigerantes, a partir do modelo baseado em parâmetros empíricos obtidos de testes experimentais com refrigerantes convencionais, de fácil obtenção. O método de gradiente reduzido generalizado (GRG) foi utilizado na solução do sistema de equações não lineares, para a caracterização dos compressores alternativos. O modelo de simulação foi desenvolvido na linguagem Fortran. As propriedades termodinâmicas dos fluidos refrigerantes foram obtidas pelo pacote computacional REFPROP (NIST Standard Reference Database 23, Version 8.0). Os valores previstos pela simulação apresentaram boa concordância com os resultados experimentais. / [en] This work shows a methodology for calculating the characteristic parameters of an open, a hermetic and a semi-hermetic reciprocating compressor. This study was motivated by the need to study new refrigerants with lower environmental impact with reduced global warming potential and zero ozone depletion potential. The compressor is divided in control volumes: suction muffler, suction chamber, compressor cylinder, discharge chamber, discharge line, electric motor, flowing gas through the compressor, compressor shell and inner metallic mass. Fundamental equations of conservation, heat exchange, pressure drop and thermophysical properties of the refrigerant are applied to each control volume. A semi-empirical model and standard calorimetric tests are used to obtain empirical parameters independents of refrigerant and operating conditions. For the hermetic compressor was used as reference the refrigerant HFC-134a and tested refrigerants HFO-1234yf, HFO-1234ze(E) and a mixture HDR-17. For the semihermetic compressor, an instrumented commercial refrigeration system operating with the mixture R404A was used as reference. In this system eight new fluids have been tested. For the automotive compressor experimental data from refrigerant HFO-1234yf obtained from literature were used. The characterization of the reciprocating compressors has been successful because the empirical parameters determined from different refrigerants proved to have sufficiently close values. A computational tool, able to predict the operating conditions of reciprocating compressors (open automotive, hermetic and semihermetic), working with new and untested refrigerants, was developed from the simulation models. The generalized reduced gradient (GRG) method was implemented in order to obtain a numerical solution for the characteristic parameters and the simulation computer program was developed in FORTRAN. Refrigerant properties were calculated using the software REFPROP version 8.0, developed by NIST, U.S.A.

[pt] Um gerador de pasta de gelo foi desenvolvido para o estudo experimental de suas características de transferência de calor. Uma das características da pasta de gelo é que pode ser bombeada como qualquer líquido. O gerador de pasta de gelo é um evaporador, do tipo trocador de calor de superfície raspada com intensificação mecânica de transferência de calor. Foi estabelecida a influência de vários parâmetros na transferência de calor no gerador de pasta de gelo: a vazão mássica, a velocidade de rotação do raspador, a temperatura da parede na interface, a temperatura de operação da solução aquosa, entre outros. Estudou-se tanto a transferência de calor com ou sem mudança de fase. Utilizaram-se soluções aquosas de etanol com diferentes concentrações. A pasta de gelo era produzida continuamente sem acumulação no evaporador. O gerador era parte de um sistema integral contendo os seguintes componentes: o sistema de medição da fração de gelo on-line, através da medição da massa específica da pasta de gelo; uma bomba helicoidal de cavidade progressiva, que permitia controlar a vazão, por meio de um variador de freqüência; um aquecedor elétrico, atuando como carga térmica, com a possibilidade de variar a capacidade desta carga térmica e, com isto, o controle da temperatura de operação do sistema; e o sistema de aquisição de dados. Foi estabelecido um modelo para determinar, experimentalmente, o número de Nusselt e, por conseguinte, o coeficiente interno de transferência de calor da pasta de gelo. Utilizou-se uma unidade condensadora convencional, com R22 como fluido refrigerante. A pasta de gelo resultante era bombeada continuamente em um circuito fechado, assegurando o estudo de um fluido homogeneamente distribuído, visto que o circuito não permitia a acumulação de pasta de gelo. Os sistemas de geração de pasta de gelo apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulação estáticos de gelo ou dinâmicos, como o ice harvesting. / [en] An ice slurry generator for was developed for the experimental study of its heat transfer characteristics. One of the main characteristic of ice slurry is that it can be pumped as any liquid. The ice slurry generator is an evaporator, with mechanical heat transfer enhancement, by surface scraping. The dependence of several parameters on heat exchanger performance was established. They included: mass flow rate, scraped rotational velocity, surface temperature, solution operating temperature. Single and two-phase flow was studied. Aqueous ethanol solutions, of different concentrations, were used. Ice slurry was produced on a continuous basis. The experimental apparatus consisted of the heat exchanger itself, an on-line ice mass fraction measurement device, a helicoidal positive displacement variable flow rate pump, an electrical heater, the data acquisition system and a R22 condensing unit. The ice slurry was pumped continuously on a closed circuit, providing a homogeneous fluid, as no accumulation of ice was possible. Ice slurry systems have the potential of significant reduction on capital and maintenance costs, when compared to traditional technologies, static or dynamic, of ice thermoaccumulation.