Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são dispositivos usados para melhorar o condicionamento térmico de ambientes construídos. Eles funcionam através da ventilação do ar por um ou mais dutos enterrados, utilizando o solo como fonte ou sumidouro de calor. Em virtude da defasagem entre as temperaturas do ar e das camadas superficiais da Terra, é possível resfriar o ar no verão e aquecê-lo no inverno. Seus princípios de operação baseiam-se na mecânica dos fluidos e transferência de calor, áreas onde a teoria Construtal tem sido usada para melhorar o desempenho, ou reduzir imperfeições, de vários sistemas térmicos, após uma estratégica análise de suas geometrias (ou de seu design), também chamada de método Design Construtal que se fundamenta na lei construtal. Dessa lei, projetos em engenharia devem começar, por exemplo, descobrindo as arquiteturas que facilitam o escoamento entre uma fonte pontual e um volume, ou vice-versa. Explorando esses conceitos para TCSA, onde a corrente é o calor que flui entre os dutos e o solo, esta tese objetiva centralmente avaliar o desempenho térmico desses dispositivos em função de possíveis desenhos de suas estruturas. Particularmente, isso foi feito: (1) usando um duto e variando seu diâmetro e vazão de ar; (2) inserindo novos dutos, até um total de cinco, mantendo a vazão de ar constante, e estudando diversas disposições geométricas. Numericamente, foram empregados dois modelos testados e validados a partir de dados experimentais, que foram simulados no código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT, o qual baseia-se em métodos de volumes finitos. As geometrias e malhas foram geradas no software GAMBIT. Dos resultados numéricos, esta tese também avançou desenvolvendo novos modelos para o conceito de potencial térmico instantâneo, que é uma medida das diferenças de temperatura entre a saída e a entrada dos dutos de TCSA. Descobriu-se que estes modelos podiam ser simplificados em termos de funções senoidais, facilitando análises e definições analíticas subsequentes, criando um quadro resumo para grandes volumes de dados simulados. Das avaliações dos resultados nos estudos com um duto, foram encontradas faixas para a obtenção de rendimentos térmicos anuais estimados em pelo menos 80%, com mudanças no diâmetro e/ou vazão do ar. Analisando múltiplos dutos, foram reveladas melhorias significativas de rendimento com: (1) o aumento no número de dutos; (2) a redução, até certos limites, da razão entre os espaçamentos verticais e horizontais entre eles; (3) a ampliação da razão entre o volume da instalação e o volume do domínio computacional. Destaca-se, ainda, que em todos os casos foram calculados balanços energéticos, com a estimativa das taxas (e quantidade) de calor trocado, bem como da energia elétrica consumida pelos ventiladores, mostrando sua viabilidade no condicionamento de ar com redução do consumo de energia elétrica. / The Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices used to improve the thermal conditions of built environments. They work by blowing the air inside buried ducts to use the soil as heat source or sink. Due to a phase difference between the air and ground temperatures, it is possible to cool the air in the summer and heat it in the winter. These operating principles are based on the areas of fluid mechanics and heat transfer, where the Constructal theory has been used to improve the performance, or reduce imperfections, of several thermal systems, after a strategic evaluation of their geometries (or their design), also called Constructal Design method, which is anchored by the constructal law. From this law, engineering projects should begin, for example, finding the architectures which ease the flow between a source point and a volume, or vice versa. Bringing these concepts to EAHE, where the current is the heat which flows between the ducts and the soil, this thesis mainly aims to assess the thermal performance of EAHE due to possible designs of their layouts. Particularly, this was done by: (1) adopting one duct and varying its diameter and/or the air flow; (2) using up to five ducts, keeping the air flow constant, and studying various geometric shapes. Numerically, two models were used, which have been tested and validated from experimental data, and the simulations were done in the CFD software FLUENT, which is based in the finite volume methods. The geometries and meshes were generated by the software GAMBIT. From the numerical results, this thesis also pursued developing new models for the concept of the instantaneous thermal potential, which is a measure of the temperatures differences between the ducts outlet and inlet. It was found that these models can be simplified in terms of sinusoidal functions, helping analysis, definitions, and creating a framework to summarize large volumes of simulated data. From the evaluation of the data in the studies with one duct, ranges for changes in their diameter and/or air flow were found to obtain at least 80% of estimated annual efficiency. Analyzing multiple ducts, significant improvements in efficiency were also obtained by: (1) increasing the number of ducts; (2) reducing, to some extent, the ratio between their vertical and horizontal spacings; (3) increasing the ratio between the installation volume and the computational domain. It should also be highlighted that in all cases the energy balances were computed, to find the rates (and amounts) of exchanged heat, as well as the electric energy consumed by the fans, showing the economic viability of using EAHE as devices for air conditioning.

A presente pesquisa trata do estudo teórico/experimental dos efeitos da geometria e dos parâmetros construtivos em trocadores de calor compactos do tipo serpentina para aplicações em refrigeração e ar condicionado no desempenho termo/hidráulico do ar. Para tanto, 15 serpentinas comerciais foram submetidas a testes em uma bancada experimental onde ambas as condições de entrada do ar e da água quente, utilizada como fluido dos tubos, podiam ser controladas e ajustadas. Serpentinas com aletas corrugadas (\"wavy\") e ventiladas convexas (\"convex louver\"), com distintas densidades de atletas, número de fileiras de tubos em profundidade, diâmetro e passo de tubos foram investigadas. Um programa de simulação de serpentinas foi desenvolvido para dar suporte ao tratamento de resultados. Os resultados experimentais obtidos confirmaram tendências da literatura acerca de efeitos da geometria da serpentina no desempenho termo/hidráulico do ar nas serpentinas. Algumas correlações da literatura se compararam bem aos resultados experimentais, embora algumas ilustraram importantes discrepâncias. Foram também investigadas distintas configurações geométricas segundo uma análise que envolve a segunda lei da Termodinâmica. Finalmente, os resultados experimentais, mediante regressão de dados, permitiram a elaboração de correlações gerais para os coeficientes de transferência de calor e de atrito do ar que incorporam os efeitos dos parâmetros geométricos das serpentinas. Tais correlações representaram bem os resultados experimentais com razoável acuracidade. / The research reported herein is about a theoretical and experimental study of the effects of geometric and constructive parameters of compact heat exchangers of the coil type for refrigeration and air conditioning applications over the air-side thermo-hydraulic performance. For that purpose, 15 commercial coils have been submitted to tests in an experimental set-up where both the inlet conditions of the air and those of the warm water, used as tube fluid, could be adequately controlled and adjusted. Wavy and convex louver fin coils with different fin density, number of tube rows, and tube spacing and diameter have been investigated. A computer simulation program of air coils has been developed as a working tool in the experimental results treatment and manipulation. The obtained experimental results follow closely established trends of the literature regarding the effects of the geometric parameters over the thermo-hydraulic performance of the air flow in the coils. Some correlations from the literature compare reasonably well with the experimental results though some have shown important discrepancies. It has also been investigated the performance of the different geometric configurations through a second law of Thermodynamics analysis. Finally, experimental results have been curve fitted in such a way to develop generalized correlations for the air-side heat transfer and friction coefficients that include all the important geometric parameters of the aircoils. Such correlations have proved to fit the experimental results with reasonable accuracy.

A presente pesquisa trata do estudo teórico/experimental dos efeitos da geometria e dos parâmetros construtivos em trocadores de calor compactos do tipo serpentina para aplicações em refrigeração e ar condicionado no desempenho termo/hidráulico do ar. Para tanto, 15 serpentinas comerciais foram submetidas a testes em uma bancada experimental onde ambas as condições de entrada do ar e da água quente, utilizada como fluido dos tubos, podiam ser controladas e ajustadas. Serpentinas com aletas corrugadas (\"wavy\") e ventiladas convexas (\"convex louver\"), com distintas densidades de atletas, número de fileiras de tubos em profundidade, diâmetro e passo de tubos foram investigadas. Um programa de simulação de serpentinas foi desenvolvido para dar suporte ao tratamento de resultados. Os resultados experimentais obtidos confirmaram tendências da literatura acerca de efeitos da geometria da serpentina no desempenho termo/hidráulico do ar nas serpentinas. Algumas correlações da literatura se compararam bem aos resultados experimentais, embora algumas ilustraram importantes discrepâncias. Foram também investigadas distintas configurações geométricas segundo uma análise que envolve a segunda lei da Termodinâmica. Finalmente, os resultados experimentais, mediante regressão de dados, permitiram a elaboração de correlações gerais para os coeficientes de transferência de calor e de atrito do ar que incorporam os efeitos dos parâmetros geométricos das serpentinas. Tais correlações representaram bem os resultados experimentais com razoável acuracidade. / The research reported herein is about a theoretical and experimental study of the effects of geometric and constructive parameters of compact heat exchangers of the coil type for refrigeration and air conditioning applications over the air-side thermo-hydraulic performance. For that purpose, 15 commercial coils have been submitted to tests in an experimental set-up where both the inlet conditions of the air and those of the warm water, used as tube fluid, could be adequately controlled and adjusted. Wavy and convex louver fin coils with different fin density, number of tube rows, and tube spacing and diameter have been investigated. A computer simulation program of air coils has been developed as a working tool in the experimental results treatment and manipulation. The obtained experimental results follow closely established trends of the literature regarding the effects of the geometric parameters over the thermo-hydraulic performance of the air flow in the coils. Some correlations from the literature compare reasonably well with the experimental results though some have shown important discrepancies. It has also been investigated the performance of the different geometric configurations through a second law of Thermodynamics analysis. Finally, experimental results have been curve fitted in such a way to develop generalized correlations for the air-side heat transfer and friction coefficients that include all the important geometric parameters of the aircoils. Such correlations have proved to fit the experimental results with reasonable accuracy.

Recentemente, observa-se o crescimento do número de trocadores de calor baseados em microcanais devido a necessidade de transferência de elevadas taxas de calor utilizando dispositivos compactos. Tubos de calor, trocadores de calor compactos para equipamentos eletrônicos e controle térmico de satélites, sistemas de condicionamento de ar para automóveis, escritórios e residências são exemplos de aplicações para condensação em canais de diâmetro reduzido. No entanto, na literatura encontra-se reduzido número de estudos experimentais tratando da condensação no interior de canais com diâmetros inferiores a 3 mm, os quais geralmente envolvem refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP). Neste contexto, o presente estudo apresenta uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, perda de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor durante a condensação no interior de canais convencionais e de micro-escala (minicanais). Levantou-se resultados para o gradiente de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor em aparato experimental localizado na Universidade de Pádua (Università Degli Studi di Padova) para os fluidos refrigerante R1234ze(E) e R32 (GWP de 550 e 6, respectivamente), temperatura de saturação de 40°C, fluxo de calor até 35 kW/m², grau de sub-resfriamento da parede entre 2 e 10 K, velocidade mássicas entre 55 e 275 kg/m²s e título de vapor de 0 a 1. Os dados foram levantados em seção de teste composta por 36 minicanais com diâmetro hidráulico de 1,6 mm e geometria retangular, com o efeito de resfriamento obtido através de água resfriada escoando em contra-corrente ao refrigerante. Os dados experimentais levantados para o gradiente de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor foram comparados com métodos de previsão da literatura, concluindo que as correlações propostas por Jige, Inoue e Koyama (2016) fornecem as melhores previsões. O comportamento do coeficiente de transferência de calor foi analisado com foco nos mecanismos físicos predominantes durante a condensação. A partir desta análise concluiu-se o predomínio de efeitos de tensão superficial em velocidades mássicas reduzidas e de arrasto em velocidades mássicas elevadas. Este estudo também apresenta uma avaliação comparativa do desempenho dos refrigerantes R1234ze(E) e R32 em relação ao R134a (GWP de 1300) baseada na taxa de transferência de calor por unidade de potência de bombeamento e no potencial de transferência de calor, conforme o critério proposto por Cavallini et al. (2010). Esta análise revelou o desempenho superior para o refrigerante R32 seguido do R134a, com o R1234ze(E) apresentando o pior resultado, independentemente da velocidade mássica. / Recently, micro-scale channels are increasingly being used to combine high heat transfer rates and high degree of compactness. Condensation inside small diameter channels can be found in several applications such as heat pipes, thermal management of electronic equipments, spacecraft thermal control, automotive and residential air conditioning systems, heat pumps and refrigeration systems. However, despite of its importance, few studies concerning condensation inside minichannels (DH < 3 mm) involving low GWP (Global Warming Potential) refrigerants are found in the literature. In this context, initially, this study presents a critical review on the literature involving transition criteria on two-phase flow patterns for micro- and macro-scale conditions, frictional pressure drop and heat transfer coefficient during condensation inside channels. Experimental results for frictional pressure gradient and heat transfer coefficient obtained in apparatus located at the University of Padua (Università Degli Studi di Padova) are carefully analysed. The database includes results for the refrigerants R1234ze(E) and R32 (GWP of 550 and 6, respectively), saturation temperature of 40°C, heat flux up to 35 kW/m², fluid and wall temperature diference up to 10 K, mass velocity in the range of 55 to 275 kg/m²s and vapor quality between 0 and 1. The test section is composed of 36 rectangular minichannels with hydraulic diameter of 1.6 mm. The refrigerant is cooled by water flowing. From a comparison of experimental data for frictional pressure drop and heat transfer coefficient, and prediction methods available in literature, the methods proposed by Jige, Inoue e Koyama (2016) were ranked as the best ones. During the data analyses, focus was put on in order to relate the heat transfer coefficient behavior with the prevailing mecanisms during condensation. Based on this carefull analysis, the predominance of surface tension effects was pointed out under conditions of low mass velocities and condensation inside rectangular minichannels. On the other hand, for high mass velocities shear stress effects prevailed. Also, it has been presented a comparative evaluation of the performance of the refrigerants R1234ze(E), R32 and R134a (GWP of 1300) based on the following criteria: (i) heat transfer rate per unit of power pumping; and (ii) a penalty factor based on the heat transfer potential proposed by Cavallini et al. (2010). According to this evaluation, independently of the mass velocity, the refrigerant R32 was ranked as the one presenting the best performance, followed by R134a ranked as the second best. The refrigerant R1234ze(E) provided the worst performance among them all.

The performance of a combined vapor-compression cycle/ORC is evaluated using waste-heat from a diesel generator. A flat plate microchannel heat exchanger is employed to provide energy exchange between the diesel exhaust stream and an oil loop, which provides energy to a boiler. This study finds an increased diesel duty corresponds with an increased cooling capacity, for a maximum of 5 kW of cooling (with 13.5 kWe diesel load). System COP is reduced with a higher input power due to limitations in the cooling cycle. A number of solutions are identified to increase the COP and cooling capacity. A new microchannel heat exchanger to recovery heat is designed to increase performance compared to the previous version. / Graduation date: 2012

Hydrogen has been shown to be a promising replacement for fossil fuels for use in light duty vehicles because it is a clean, renewable and plentiful resource with a high gravimetric energy density. However, in order to obtain an acceptable volumetric energy density, densification of the hydrogen is required. Adsorptive materials have been shown in the literature to increase volumetric and gravimetric storage densities. A major issue with adsorptive storage is that the adsorption process generates heat and optimal storage conditions are at temperatures below 100 K at pressures up to 50 atm. There is a need to develop heat exchanging architecture that enables adsorbents to be a viable method for hydrogen storage by managing the thermal environment of the storage tank. Based on previous modeling efforts to determine an acceptable bed module height for removal of heat via microchannel cooling plates, a thermal management system has been designed and tested capable of removing the heat of adsorption within adsorbent-filled hydrogen storage tanks. The system uses liquid nitrogen cooling to maintain tank temperatures of below 80 K at 50 atm. System studies show that the microchannel architecture offers a high cooling capacity with about a 6% displacement volume. Simulations and experiments have been conducted to evaluate the design for the cooling capacity, pressure drop, and flow distribution between and across the cooling plates, stress due to the pressurized environment, and thermal stress. Cost models have been developed to demonstrate that the system can be manufactured for a reasonable cost at high production volumes. Experimental results show that the modular system offers an acceptable cooling capacity and pressure drop with good flow distribution while adequately managing thermal stresses during operation. / Graduation date: 2013

Concern with global climate change has led to the interest in the use of natural refrigerants, such as carbon dioxide, as replacements in heat pump systems. When operating in a transcritical cycle, carbon dioxide heat pumps are well suited for use in high temperature water heating heat pumps. In this work, four systems are analyzed: with and without the use of a suction line heat exchanger, and two water heating schemes. These two schemes involve the heating of water to its desired temperature at a low water flow rate in a single pass through the heat pump, and the heating of water at a high water flow rate, but requiring multiple passes. The performance and resulting heat exchanger size of these four systems is analyzed through the development of an overall system model. This system model uses component-level models that were developed based upon heat exchanger geometry and subsequently validated through experimental testing on a test facility developed for this purpose.

Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são dispositivos usados para melhorar o condicionamento térmico de ambientes construídos. Eles funcionam através da ventilação do ar por um ou mais dutos enterrados, utilizando o solo como fonte ou sumidouro de calor. Em virtude da defasagem entre as temperaturas do ar e das camadas superficiais da Terra, é possível resfriar o ar no verão e aquecê-lo no inverno. Seus princípios de operação baseiam-se na mecânica dos fluidos e transferência de calor, áreas onde a teoria Construtal tem sido usada para melhorar o desempenho, ou reduzir imperfeições, de vários sistemas térmicos, após uma estratégica análise de suas geometrias (ou de seu design), também chamada de método Design Construtal que se fundamenta na lei construtal. Dessa lei, projetos em engenharia devem começar, por exemplo, descobrindo as arquiteturas que facilitam o escoamento entre uma fonte pontual e um volume, ou vice-versa. Explorando esses conceitos para TCSA, onde a corrente é o calor que flui entre os dutos e o solo, esta tese objetiva centralmente avaliar o desempenho térmico desses dispositivos em função de possíveis desenhos de suas estruturas. Particularmente, isso foi feito: (1) usando um duto e variando seu diâmetro e vazão de ar; (2) inserindo novos dutos, até um total de cinco, mantendo a vazão de ar constante, e estudando diversas disposições geométricas. Numericamente, foram empregados dois modelos testados e validados a partir de dados experimentais, que foram simulados no código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT, o qual baseia-se em métodos de volumes finitos. As geometrias e malhas foram geradas no software GAMBIT. Dos resultados numéricos, esta tese também avançou desenvolvendo novos modelos para o conceito de potencial térmico instantâneo, que é uma medida das diferenças de temperatura entre a saída e a entrada dos dutos de TCSA. Descobriu-se que estes modelos podiam ser simplificados em termos de funções senoidais, facilitando análises e definições analíticas subsequentes, criando um quadro resumo para grandes volumes de dados simulados. Das avaliações dos resultados nos estudos com um duto, foram encontradas faixas para a obtenção de rendimentos térmicos anuais estimados em pelo menos 80%, com mudanças no diâmetro e/ou vazão do ar. Analisando múltiplos dutos, foram reveladas melhorias significativas de rendimento com: (1) o aumento no número de dutos; (2) a redução, até certos limites, da razão entre os espaçamentos verticais e horizontais entre eles; (3) a ampliação da razão entre o volume da instalação e o volume do domínio computacional. Destaca-se, ainda, que em todos os casos foram calculados balanços energéticos, com a estimativa das taxas (e quantidade) de calor trocado, bem como da energia elétrica consumida pelos ventiladores, mostrando sua viabilidade no condicionamento de ar com redução do consumo de energia elétrica. / The Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices used to improve the thermal conditions of built environments. They work by blowing the air inside buried ducts to use the soil as heat source or sink. Due to a phase difference between the air and ground temperatures, it is possible to cool the air in the summer and heat it in the winter. These operating principles are based on the areas of fluid mechanics and heat transfer, where the Constructal theory has been used to improve the performance, or reduce imperfections, of several thermal systems, after a strategic evaluation of their geometries (or their design), also called Constructal Design method, which is anchored by the constructal law. From this law, engineering projects should begin, for example, finding the architectures which ease the flow between a source point and a volume, or vice versa. Bringing these concepts to EAHE, where the current is the heat which flows between the ducts and the soil, this thesis mainly aims to assess the thermal performance of EAHE due to possible designs of their layouts. Particularly, this was done by: (1) adopting one duct and varying its diameter and/or the air flow; (2) using up to five ducts, keeping the air flow constant, and studying various geometric shapes. Numerically, two models were used, which have been tested and validated from experimental data, and the simulations were done in the CFD software FLUENT, which is based in the finite volume methods. The geometries and meshes were generated by the software GAMBIT. From the numerical results, this thesis also pursued developing new models for the concept of the instantaneous thermal potential, which is a measure of the temperatures differences between the ducts outlet and inlet. It was found that these models can be simplified in terms of sinusoidal functions, helping analysis, definitions, and creating a framework to summarize large volumes of simulated data. From the evaluation of the data in the studies with one duct, ranges for changes in their diameter and/or air flow were found to obtain at least 80% of estimated annual efficiency. Analyzing multiple ducts, significant improvements in efficiency were also obtained by: (1) increasing the number of ducts; (2) reducing, to some extent, the ratio between their vertical and horizontal spacings; (3) increasing the ratio between the installation volume and the computational domain. It should also be highlighted that in all cases the energy balances were computed, to find the rates (and amounts) of exchanged heat, as well as the electric energy consumed by the fans, showing the economic viability of using EAHE as devices for air conditioning.

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor / A Heat Exchanger Network (HEN) can be defined as a group of heat exchangers interconnected aiming to reduce the energy demand of a system, being widely used in the process industries. However, a HEN is subject to fouling, which causes a decrease on the thermal effectiveness of heat exchangers. This phenomenon is provoked by the accumulation of undesirable materials on thermal surface. In order to compensate the reduction of thermal effectiveness caused by fouling, it becomes necessary to increase the utility consumption. Thus, there is an increase of the operation costs, as maintenance costs. It is estimated that the costs associated to fouling reach billions of dollars annually. Facing this problem, several researches have investigated methods to prevent fouling and/or how to manage HEN operations. Studies involve since optimization of individual heat exchangers, simulation and fouling monitoring, until cleaning schedule optimization of HENs. The present work proposes a HEN simulation model, applied to fouling management. Consequently, it was developed a set of integrated computational codes, which involve a HEN stationary simulation, a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling, a parameter estimation procedure for diagnosing fouling problems and an operational optimization procedure of this sort of system. Related to the stationary simulator, the HEN model is formulated using a matrix approach and the mass and energy balances are solved as linear equation systems. Focusing on optimization, it redistributes the HEN flows in order to improve the heat exchangers thermal efficiency, for example, searching for the HEN flows that maximize the inlet furnace stream temperature in crude distillation units. The algorithm was implemented to some literature examples and on a problem of a real refinery. All results show to be promising, which suggests that the proposal of this work may be an interesting approach for operations involving HENs

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor / A Heat Exchanger Network (HEN) can be defined as a group of heat exchangers interconnected aiming to reduce the energy demand of a system, being widely used in the process industries. However, a HEN is subject to fouling, which causes a decrease on the thermal effectiveness of heat exchangers. This phenomenon is provoked by the accumulation of undesirable materials on thermal surface. In order to compensate the reduction of thermal effectiveness caused by fouling, it becomes necessary to increase the utility consumption. Thus, there is an increase of the operation costs, as maintenance costs. It is estimated that the costs associated to fouling reach billions of dollars annually. Facing this problem, several researches have investigated methods to prevent fouling and/or how to manage HEN operations. Studies involve since optimization of individual heat exchangers, simulation and fouling monitoring, until cleaning schedule optimization of HENs. The present work proposes a HEN simulation model, applied to fouling management. Consequently, it was developed a set of integrated computational codes, which involve a HEN stationary simulation, a pseudo-stationary simulation of HEN behavior related to fouling, a parameter estimation procedure for diagnosing fouling problems and an operational optimization procedure of this sort of system. Related to the stationary simulator, the HEN model is formulated using a matrix approach and the mass and energy balances are solved as linear equation systems. Focusing on optimization, it redistributes the HEN flows in order to improve the heat exchangers thermal efficiency, for example, searching for the HEN flows that maximize the inlet furnace stream temperature in crude distillation units. The algorithm was implemented to some literature examples and on a problem of a real refinery. All results show to be promising, which suggests that the proposal of this work may be an interesting approach for operations involving HENs