O sistema de detecção de falhas e diagnóstico é um sistema de suporte ao operador dedicado a funções específicas que alertam os operadores para problemas de falhas em sensores e atuadores, e auxiliam no diagnóstico antes que os limites normais de alarmes sejam atingidos. Sistemas de suporte ao operador surgiram para diminuir a complexidade dos painéis causada pelo grande aumento de informação disponível nas salas de controle das centrais nucleares. Neste trabalho foi desenvolvido um Sistema de Monitoração e Diagnóstico utilizando a metodologia GMDH (Group Method of Data Handling) aplicado ao reator de pesquisas do Ipen IEA-R1. O sistema faz a monitoração, comparando os valores calculados pelo modelo GMDH com os valores medidos. A metodologia desenvolvida foi aplicada inicialmente em modelos teóricos: um modelo teórico de trocador de calor e um modelo teórico do reator IEA-R1. Os resultados obtidos com os modelos teóricos propiciaram uma base para a aplicação da metodologia aos dados de operação do reator. Para a monitoração de dados de operação foram desenvolvidos três modelos GMDH: o primeiro utilizou apenas variáveis de processo, o segundo modelo foi desenvolvido considerando-se algumas variáveis nucleares e três variáveis de temperatura, e o terceiro modelo GMDH considerou todas as variáveis possíveis. Os três modelos apresentaram resultados excelentes, mostrando amplamente a viabilidade da utilização da metodologia GMDH na monitoração de dados de operação. A comparação entre os resultados dos três modelos desenvolvidos mostrou ainda a capacidade da metodologia GMDH de escolher as melhores variáveis para otimização do modelo. Para a implementação de um sistema de diagnóstico, foram adicionadas falhas sinteticamente aos valores das variáveis de temperatura. Os valores de falhas correspondem a uma descalibração da temperatura e o resultado da monitoração de dados com falhas foi utilizado para a elaboração de um sistema de diagnóstico simples e objetivo baseado na lógica nebulosa. / The fault detection and diagnosis system is an Operator Support System dedicated to specific functions that alerts operators to sensors and actuators fault problems, and guide them in the diagnosis before the normal alarm limits are reached. Operator Support Systems appears to reduce panels complexity caused by the increase of the available information in nuclear power plants control room. In this work a Monitoring and Diagnosis System was developed based on the GMDH (Group Method of Data Handling) methodology. The methodology was applied to the IPEN research reactor IEA-R1. The system performs the monitoring, comparing GMDH model calculated values with measured values. The methodology developed was firstly applied in theoretical models: a heat exchanger model and an IPEN reactor theoretical model. The results obtained with theoretical models gave a base to methodology application to the actual reactor operation data. Three GMDH models were developed for actual operation data monitoring: the first one using just the thermal process variables, the second one was developed considering also some nuclear variables, and the third GMDH model considered all the reactor variables. The three models presented excellent results, showing the methodology utilization viability in monitoring the operation data. The comparison between the three developed models results also shows the methodology capacity to choose by itself the best set of input variables for the model optimization. For the system diagnosis implementation, faults were simulated in the actual temperature variable values by adding a step change. The fault values correspond to a typical temperature descalibration and the result of monitoring faulty data was then used to build a simple diagnosis system based on fuzzy logic.

Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. / This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.

The high complexity of vehicle front-end design, arising from considerations of aerodynamics, safety and styling, causes the airflow velocity profile at the radiator face to be highly distorted, leading to potentially reduced airflow volume for heat dissipation. A flow visualisation study showed that the bumper bar significantly influenced the cooling airflow, leading to three-dimensional vortices in its wake and generating an area of relatively low velocity across at least one third of the radiator core. Since repeatability and accuracy of on-road testing are prejudiced by weather conditions, wind-tunnel testing is often preferred to solve cooling airflow problems. However, there are constraints that limit the accuracy of reproducing on-road cooling performance from wind-tunnel simulations. These constraints included inability to simulate atmospheric conditions, limited tunnel test section sizes (blockage effects) and lack of ground effect simulations. The work presented in this thesis involved use of on-road and wind-tunnel tests to investigate the effects of most common constraints present in wind tunnels on accuracy of the simulations of engine cooling performance and radiator airflow profiles. To aid this investigation, an experimental technique for quantifying radiator airflow velocity distribution and an analytical model for predicting the heat dissipation rate of a radiator were developed. A four-hole dynamic pressure probe (TFI Cobra probe) was also used to document flow fields in proximity to a section of radiator core in a wind tunnel in order to investigate the effect of airflow maldistribution on radiator heat-transfer performance. In order to cope with the inability to simulate ambient temperature, the technique of Specific Dissipation (SD) was used, which had previously been shown to overcome this problem.

The need for clean and renewable fuel such as hydrogen is driven by a growing worldwide population and increasing air pollution from fossil fuels. One of the major barriers for the use of hydrogen in automotive industry is the storage of hydrogen. Physisorption is the most promising storage technique due to its high storage density, reversibility and rapid sorption kinetics besides being safe and volume-efficient. A major challenge for physisorption is the need to manage the heat of adsorption at cryogenic temperatures. In this thesis, a 6061 aluminum microchannel cooling plate is designed to remove the equivalent heat flux required by the adsorption of hydrogen within an adsorption bed. Therefore, the objective of this thesis is to determine whether laser welding and heat treating strategies can be developed for a 6061 aluminum microchannel cooling plate as part of a larger hydrogen storage thermal management system. Key manufacturing process requirements include controlling the hermeticity, strength and dimensional stability of the heat-treated weld joint. A hermetic microchannel cooling plate was successfully laser welded and heat treated using free convection in air to quench the solution heat treatment. The weld strength and warpage obtained were within acceptable limits. Experimental testing of the fabricated microchannel cooling plate showed acceptable percent error with an experimental heat removal rate within 13.4% of computational fluid dynamics (CFD) analyses and an average pressure drop error of 25%. Calculations show that the cooling plate developed could support a hydrogen storage thermal management system taking up 5.0% and 10.3% of the system displacement volume and mass, respectively. / Graduation date: 2013

O sistema de detecção de falhas e diagnóstico é um sistema de suporte ao operador dedicado a funções específicas que alertam os operadores para problemas de falhas em sensores e atuadores, e auxiliam no diagnóstico antes que os limites normais de alarmes sejam atingidos. Sistemas de suporte ao operador surgiram para diminuir a complexidade dos painéis causada pelo grande aumento de informação disponível nas salas de controle das centrais nucleares. Neste trabalho foi desenvolvido um Sistema de Monitoração e Diagnóstico utilizando a metodologia GMDH (Group Method of Data Handling) aplicado ao reator de pesquisas do Ipen IEA-R1. O sistema faz a monitoração, comparando os valores calculados pelo modelo GMDH com os valores medidos. A metodologia desenvolvida foi aplicada inicialmente em modelos teóricos: um modelo teórico de trocador de calor e um modelo teórico do reator IEA-R1. Os resultados obtidos com os modelos teóricos propiciaram uma base para a aplicação da metodologia aos dados de operação do reator. Para a monitoração de dados de operação foram desenvolvidos três modelos GMDH: o primeiro utilizou apenas variáveis de processo, o segundo modelo foi desenvolvido considerando-se algumas variáveis nucleares e três variáveis de temperatura, e o terceiro modelo GMDH considerou todas as variáveis possíveis. Os três modelos apresentaram resultados excelentes, mostrando amplamente a viabilidade da utilização da metodologia GMDH na monitoração de dados de operação. A comparação entre os resultados dos três modelos desenvolvidos mostrou ainda a capacidade da metodologia GMDH de escolher as melhores variáveis para otimização do modelo. Para a implementação de um sistema de diagnóstico, foram adicionadas falhas sinteticamente aos valores das variáveis de temperatura. Os valores de falhas correspondem a uma descalibração da temperatura e o resultado da monitoração de dados com falhas foi utilizado para a elaboração de um sistema de diagnóstico simples e objetivo baseado na lógica nebulosa. / The fault detection and diagnosis system is an Operator Support System dedicated to specific functions that alerts operators to sensors and actuators fault problems, and guide them in the diagnosis before the normal alarm limits are reached. Operator Support Systems appears to reduce panels complexity caused by the increase of the available information in nuclear power plants control room. In this work a Monitoring and Diagnosis System was developed based on the GMDH (Group Method of Data Handling) methodology. The methodology was applied to the IPEN research reactor IEA-R1. The system performs the monitoring, comparing GMDH model calculated values with measured values. The methodology developed was firstly applied in theoretical models: a heat exchanger model and an IPEN reactor theoretical model. The results obtained with theoretical models gave a base to methodology application to the actual reactor operation data. Three GMDH models were developed for actual operation data monitoring: the first one using just the thermal process variables, the second one was developed considering also some nuclear variables, and the third GMDH model considered all the reactor variables. The three models presented excellent results, showing the methodology utilization viability in monitoring the operation data. The comparison between the three developed models results also shows the methodology capacity to choose by itself the best set of input variables for the model optimization. For the system diagnosis implementation, faults were simulated in the actual temperature variable values by adding a step change. The fault values correspond to a typical temperature descalibration and the result of monitoring faulty data was then used to build a simple diagnosis system based on fuzzy logic.

L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l’intégrité et la durée de vie d’échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l’échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l’échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l’échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l’aide d’un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l’échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l’échangeur est évaluée à partir d’une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l’évaluation du nombre de cycles à rupture. / This study proposes a simple methodology to estimate the mechanical response and lifetime of weldedheat exchangers subjected to thermal loadings. The structure of the heat exchanger is modeled toestimate its mechanical response for thermal loads. Thermoelastic calculations are carried out with thefinite elements method. From these simulations, the regions where the stress concentrates areidentified. Then, a micromechanics approach is adopted to identify the material’s elastic plasticresponse with isotropic and kinematic hardening. Its durability under oligocyclic fatigue isinvestigated with an original 4 points alternate bending.d vice. From these experiments, a Manson-Coffin criterion is identified. This criterion is used to estimate the heat exchangers lifetime in terms ofmaximum cycles for thermal loadings with different magnitude. To this end, the plastic deformation isestimated from the macroscopic calculation with an energy equivalence between the thermoelasticcalculation and the non linear one. The predictions are found in agreement with experimental datacarried out on test-heat exchangers, for both the thermoelastic response and the number at cycles atrupture.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. / This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O sistema de detecção de falhas e diagnóstico é um sistema de suporte ao operador dedicado a funções específicas que alertam os operadores para problemas de falhas em sensores e atuadores, e auxiliam no diagnóstico antes que os limites normais de alarmes sejam atingidos. Sistemas de suporte ao operador surgiram para diminuir a complexidade dos painéis causada pelo grande aumento de informação disponível nas salas de controle das centrais nucleares. Neste trabalho foi desenvolvido um Sistema de Monitoração e Diagnóstico utilizando a metodologia GMDH (Group Method of Data Handling) aplicado ao reator de pesquisas do Ipen IEA-R1. O sistema faz a monitoração, comparando os valores calculados pelo modelo GMDH com os valores medidos. A metodologia desenvolvida foi aplicada inicialmente em modelos teóricos: um modelo teórico de trocador de calor e um modelo teórico do reator IEA-R1. Os resultados obtidos com os modelos teóricos propiciaram uma base para a aplicação da metodologia aos dados de operação do reator. Para a monitoração de dados de operação foram desenvolvidos três modelos GMDH: o primeiro utilizou apenas variáveis de processo, o segundo modelo foi desenvolvido considerando-se algumas variáveis nucleares e três variáveis de temperatura, e o terceiro modelo GMDH considerou todas as variáveis possíveis. Os três modelos apresentaram resultados excelentes, mostrando amplamente a viabilidade da utilização da metodologia GMDH na monitoração de dados de operação. A comparação entre os resultados dos três modelos desenvolvidos mostrou ainda a capacidade da metodologia GMDH de escolher as melhores variáveis para otimização do modelo. Para a implementação de um sistema de diagnóstico, foram adicionadas falhas sinteticamente aos valores das variáveis de temperatura. Os valores de falhas correspondem a uma descalibração da temperatura e o resultado da monitoração de dados com falhas foi utilizado para a elaboração de um sistema de diagnóstico simples e objetivo baseado na lógica nebulosa. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Ce travail de recherche examine aux échelles globale et locale les caractéristiques thermo-hydrauliques au sein des échangeurs à plaques ondulées pour les écoulements monophasiques et en mode condensation. Il comprend deux parties :La première partie concerne l'analyse des structures d'écoulement en mode monophasique à partir d'un outil de simulations numériques, et dont les résultats sont validés à partir d'une campagne expérimentale. L'exploitation des résultats de simulations, à partir d'observables judicieusement sélectionnées, a permis de quantifier les grandes classes d'écoulement en fonction des paramètres géométriques et fluidiques de l'échangeur. Ce nouvel éclairement sur les structures d'écoulement a conduit à la proposition d'un modèle général original sur les lois de friction au sein de ces échangeurs de géométrie d'écoulement complexe.La deuxième partie concerne l'étude de la condensation de la vapeur avec et sans surchauffe en entrée de l'échangeur. Ainsi, un dispositif expérimental permettant le contrôle précis des conditions aux limites a été développé, et une métrologie spécifique, basée sur la thermographie infrarouge a également été mis au point, afin de remonter à certaines grandeurs locales le long du condenseur (titre de vapeur, coefficient d'échange thermique...). On observe ainsi une très forte variabilité des coefficients d'échanges thermiques et de la densité de flux de chaleur le long du condenseur, et la surchauffe de la vapeur tend à intensifier les transferts thermiques. Ce complément de mesures remet en question certaines hypothèses de la littérature quant à l'élaboration de corrélations sur les transferts de chaleur dans les condenseurs. / This research work examines at the global and local scales the thermo-hydraulic characteristics of plate heat exchangers with corrugated chevron plates, for single-phase and condensation flows. The study is divided into two parts:The first part concerns the analysis of flow structures of single-phase flows using numerical simulations, which are validated using the results of the experimental campaign. The analysis of the simulations results, from a flow characteristic observable that has been carefully chosen, has allowed quantifying the main flow categories as a function of the heat exchanger geometric parameters and the flow characteristics. This new information on the flow structures has led to the proposal of an original generalized model of the friction law inside this type of heat exchanger with complex geometry.The second part concerns the study of condensation with and without vapor superheating at the inlet of the heat exchanger. Thus, a specific experimental setup allowing precise control of the boundary conditions has been developed. Otherwise a specific metrology, based on infrared thermography, has been set to the point in order to determine the variation of certain local quantities along the condenser (vapor mass fraction, heat transfer coefficient...). Thus, we observe a high and wide variability of the heat transfer coefficients and the heat flux density along the condenser, and the superheating of the vapor tends to increase the heat transfers. These additional measures question certain assumptions of the literature regarding the development of heat transfer correlations in plate heat condensers.