Refrigerant management is crucial in the attempts to slow climate change. Emissions from the refrigeration sector are primarily due to poor management and unsafe destruction of refrigerants currently in circulation. Safe refrigerant management and improving system operating efficiency can result in a reduction of emissions. Ice rinks are some of the most energy-intensive public buildings, providing both heating and cooling. The major share of energy in an ice rink is the refrigeration system, which consumes about 43%. There are more than 360 ice rinks in Sweden as of 2018 and the most common type of refrigeration system is an indirect system. With the push for natural fluids, aqua ammonia is becoming a more appealing option as a secondary fluid in ice rinks because of its minimal negative impact on the environment and favorable thermophysical properties. The main drawbacks of the fluid are its toxic characteristics and material compatibility. However, since the first use in 2007, there has been an increase to 34 of the total ice rinks in Sweden that have aqua ammonia as a secondary fluid.  Thermophysical properties are used to calculate refrigeration design parameters, including secondary fluid concentration and pumping power required. The properties of aqua ammonia have not been experimentally tested within this century to the extent presented in this thesis. Existing data is either derived from measured values taken several decades ago or has been calculated. The novelty of this thesis project stems from the unique and more accurate results measured through laboratory work and from the ability to determine the impact of the newly measured values in ice rink refrigeration design. A total of 11 varying concentrations of aqua ammonia were tested for density, dynamic viscosity, specific heat capacity, thermal conductivity, and corrosion of 7 metal specimens. The solutions tested ranged from 2 wt-% to 30 wt-%, correlating to freezing points from -2C to -84C. The measurements for density resulted in values similar to reference values, ranging in a difference of only 0.3% to 1.7%. Dynamic viscosity results followed nearly the same trend as references with changing temperature and solution concentration, with values varying from 0.8% to 17% different than references. Specific heat capacity measurements proved significantly different than reference values. The trend is opposite of the reference, leading to drastically different values, especially at lower temperatures and higher solution concentrations. The difference in values ranges from 0.1% to 28%. Thermal conductivity results show similar trends, but higher values than expected. The difference between measured values and reference values range from 0.1% to 13%. Corrosion results show that copper and brass have the highest corrosion rates of 16.2 mm/yr and 1.84 mm/yr, respectively. The most compatible specimen was stainless steel, followed by carbon steel, with maximum corrosion rates of 0.041 mm/yr and 0.11 mm/yr, respectively. Brass connections commonly used in industry were also tested and resulted in corrosion rates ranging from 69.6 g/yr to 112 g/yr, which accounts for about 1% and 1.5% of the connections’ total weight lost per year. Compiling the laboratory measurements taken during the completion of this thesis project results in a more complete and accurate list of thermophysical properties for aqua ammonia that has never existed before.  These updated thermophysical properties for aqua ammonia, along with measured properties for other secondary fluids, were used to calculate operational parameters in a hypothetical ice rink refrigeration system. The results show that aqua ammonia is favorable with high COP and low pumping power, and therefore low pressure drop. Ammonia is most comparable to CaCl2 and K-formate for most results. The changes in calculated COP between old reference data and new measured data were less than a 1% decrease when plotting versus the temperature of the ice surface and with a set pump control (T) for cooling capacities of 200kW and 300kW. The change in heat transfer coefficients was more significant, with a range of about a 9% to 27% decrease in either the U-pipe under the rink floor or in a plate of the heat exchanger. Even though these heat transfer coefficient values are lower than previously calculated, the required pumping power is also lower using updated properties: 40% lower at a secondary fluid temperature of -10C. Even though the change in heat transfer coefficients is larger with experimental values, the impact on COP is minimal.  The takeaway from this project is that aqua ammonia is a favorable secondary fluid compared to calcium chloride and ethylene glycol, the two most commonly used secondary fluids in ice rink refrigeration. A system using aqua ammonia would have a 45% and 47% lower pumping power requirement compared to calcium chloride and ethylene glycol, respectively. The system would also have a 4.7% and 11.6% higher COP when compared to systems with calcium chloride and ethylene glycol, respectively. The significantly lower pumping power will lower total energy demand of the ice rink, thus decreasing operation costs. / Köldmediehantering är avgörande i försöken att sakta ner klimatförändringen. Utsläppen från kylsektorn beror främst på dålig hantering och osäker destruktion av köldmedier som för närvarande är i omlopp. Säkrare hantering av köldmedium och förbättrad systemdriftseffektivitet kan leda till ett minskat utsläpp. Ishallar är några av de mest energiintensiva offentliga byggnaderna som ger både uppvärmning och kylning. Den största andelen energi i en ishall är kylsystemet som förbrukar cirka 43%. Det finns mer än 360 isbanor i Sverige från och med 2018 och den vanligaste typen av kylsystem är ett indirekt system. Med trycket på naturliga vätskor blir ammoniakvatten ett mer tilltalande alternativ som en köldbärare i ishallar på grund av dess minimala negativa påverkan på miljön och gynnsamma termofysikaliska egenskaper. Köldbärares främsta nackdelar är dess toxiska karaktär och materialkompatibilitet. Sedan den första användningen 2007 har det dock skett en ökning till 34 av de totala ishallar i Sverige som har ammoniakvatten som köldbärare.  Termofysikaliska egenskaper används för att beräkna parametrar för kyldesign, inklusive köldbärares koncentration och pumpeffekten som krävs. Ammoniakvattens egenskaper har inte testats experimentellt under detta sekel i den utsträckning som presenteras i detta exjobb. Befintliga data härleds antingen från uppmätta värden som tagits för flera decennier sedan eller har beräknats. Nyheten härrör i detta exjobbsprojekt från de unika och mer exakta resultat som mätts genom laboratoriearbetet och från förmågan att bestämma effekten av de nyligen uppmätta värdena i kylskåpsdesign. Totalt 11 olika koncentrationer av ammoniakvatten testades med avseende på densitet, dynamisk viskositet, specifik värmekapacitet, värmeledningsförmåga och korrosion av 7 metallprover. De testade lösningarna varierade från 2 vikt-% till 30 vikt-%, korrelerade med fryspunkter från -2 ° C till -84 ° C. Mätningarna för densitet resulterade i värden som liknar referensvärdena, med en skillnad på endast 0,3% till 1,7%. Dynamiska viskositetsresultat följde nästan samma trend som referenser med förändrad temperatur och lösningskoncentration, med värden som varierade från 0,8% till 17% annorlunda än referenser. Specifika värmekapacitetsmätningar visade sig vara väsentligt annorlunda än referensvärden. Trenden är motsatt referensen, vilket leder till drastiskt olika värden, särskilt vid lägre temperaturer och högre koncentrationer. Skillnaden i värden varierar från 0,1% till 28%. Värmeledningsförmåga visar liknande trender, men högre värden än förväntat. Skillnaden mellan uppmätta värden och referensvärden sträcker sig från 0,1% till 13%. Korrosionsresultat visar att koppar och mässing har de högsta korrosionshastigheterna på 16,2 mm / år respektive 1,84 mm / år. Det mest kompatibla exemplet var rostfritt stål, följt av kolstål, med maximala korrosionshastigheter på 0,041 mm / år respektive 0,11 mm / år. Mässinganslutningar som vanligen används i industrin testades också och resulterade i korrosionshastigheter från 69,6 g / år till 112 g / år, vilket motsvarar för cirka 1% och 1,5% av anslutningarnas totala viktförlust per år. Att sammanställa laboratoriemätningarna som gjorts under slutförandet av detta projekt resulterar i en mer fullständig och noggrann lista över termofysikaliska egenskaper för ammoniakvatten som aldrig funnits tidigare.  Dessa uppdaterade termofysikaliska egenskaper för ammoniakvatten, tillsammans med uppmätta egenskaper för andra köldbärare, användes för att beräkna driftsparametrar i ett hypotetiskt kylsystem. Resultaten visar att ammoniakvatten är gynnsam med hög COP och en låg pumpeffekt och därmed ett lågt tryckfall. Ammoniakvatten är mest jämförbart med CaCl2 och K-formiat för de flesta resultat. Förändringarna i beräknad COP mellan gamla referensdata och nya uppmätta data var mindre än 1% minskning vid planering jämfört med isytans temperatur och med en inställd pumpkontroll (T ) för kylkapacitet på 200 kW och 300 kW. Förändringen i värmeövergångstal var mer signifikant, med ett intervall på cirka 9% till 27% minskning i antingen U-röret under golvet eller i en platta på värmeväxlaren. Även om dessa värmeövergångstal är lägre än tidigare beräknat, är den erforderliga pumpeffekten också lägre med hjälp av uppdaterade egenskaper: 40% lägre vid en köldbärarestemperatur på -10 ° C. Även om förändringen i värmeövergångstal är större med experimentella värden, är påverkan på COP minimal.  Slutsatser från detta projekt är att ammoniakvatten är en lämplig köldbärare jämfört med kalciumklorid och etylenglykol, de två vanligaste köldbärare i ishallskylning. Ett system som använder ammoniakvatten skulle ha ett pumpeffektbehov på 45% respektive 47% jämfört med kalciumklorid respektive etylenglykol. Systemet skulle också ha en 4,7% och 11,6% högre COP jämfört med system med kalciumklorid respektive etylenglykol. Den betydligt lägre pumpeffekten kommer att sänka det totala energibehovet för ishallar, vilket minskar driftskostnaderna.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.

Cette étude porte sur la filtration des particules métalliques contenues dans les fumées de métallisation. Des retours d'expériences spécifiques aux dépoussiéreurs filtrants les fumées de métallisation témoignent d'un colmatage des filtres très rapide ainsi que de l'inefficacité des techniques de décolmatage pneumatique habituellement utilisées. Il en résulte une durée de vie des éléments filtrants très réduite. L'objectif de cette étude est de caractériser le colmatage puis le décolmatage afin d'améliorer les performances des dépoussiéreurs à cartouches filtrantes vis-à-vis des fumées de métallisation. Trois axes de recherches ont été exploré sur un banc pilote spécialement équipé : - la caractérisation des fumées de métallisation. Elle a permis de qualifier la structure spatiale de la particule par la dimension fractale et le facteur de forme dynamique grâce au couplage série DMA-ELPI et à une méthodologie originale d'analyse des données validée sur différents aérosols. Les caractéristiques obtenues expliquent les propriétés colmatantes des fumées de métallisation. - La caractérisation du dépôt engendré au cours de la phase de filtration (ou de colmatage). Elle montre une structure incompressible dans la gamme de filtration habituellement pratiquée en industrie. Ces travaux ont permis d'estimer la porosité expérimentale du dépôt formé par les fumées de métallisation. - L'étude sur le décolmatage. Elle décrit et explique l'inefficacité des décolmatages utilisés en industrie. Il ressort que seule une très faible surface du média plissé est décolmatée. L'alternative du precoating se révèle très efficace mais seulement en mode off-line / This study deals with the filtration of metallic particles contained in the metallization fumes. Experience feedback specific to the filtration of metallization fumes by dust collectors report a rapid clogging of filters and the inefficiency of pneumatic cleaning techniques commonly used. This leads to a high reduction in filters lifetime. The objective of this study is characterize clogging then unclogging in order to improve the performance of dust cartridge filter against metallization fumes. Three research axes were explored on a dedicated bench : - Metallization fumes characterization. It allows describing the spatial structure of the particle by the fractal dimension and the dynamic shape factor with the DMA-ELPI serial coupling and thanks to an original data analysis methodology validated on various aerosols. The characteristics obtained explain the clogging properties of metallization fumes. - Characterization of the cake generated during the filtration phase (or clogging). It shows a incompressible structure in the velocities filtration range of industry. The experimental porosity of the cake formed by filtering metallization fumes is estimated thanks to these studies. - Study on cleaning. It describes and explains the inefficiency of pneumatic cleaning techniques employed in industry. It appears that only a very small surface of the pleated media is unclogged. The precoating alternative is shown to be very efficient provided that it is combined with off-line cleaning procedures

A presente pesquisa envolve um estudo teórico-experimental da transferência de calor e da perda de carga na condensação e no escoamento monofásico de fluidos refrigerantes halogenados no interior de lâminas com micro canais. Os ensaios consideram o fluido refrigerante puro R-134-a e a mistura quase azeotrópica R-410A. As lâminas estudadas envolvem micro canais de seção quadrada de Dh = 1,214 mm e de seção circular de Dh = 1,494 mm. Os ensaios de líquido subresfriado compreendem velocidades mássicas de 390 a 1360 Kg/sm2 para um temperatura de saturação de 40ºC e subresfriamento de 10ºC. Por sua parte, os ensaios foram realizados considerando um fluxo de calor constante de 5 kW/m2, títulos de vapor de 0,1 a 0,9, velocidades mássicas de 410 a 1135 kg/sm2, temperaturas de saturação de 40 a 50ºC e misturas óleo-refrigerante com concentrações de óleo em massa de 0,25 e 0,45%. Para cada condição de ensaio foram avaliados o coeficiente de transferência de calor e a queda de pressão por atrito na lâmina ensaiada. Os resultados para escoamento monofásico apresentaram consistência com relação às correlações típicas aplicáveis a transferência de calor e perda de carga para regime turbulento em tubos convencionais, apresentando, em média, valores de 12% superiores. Na maioria das condições de ensaios de condensação, segundo mapas de escoamento disponíveis na literatura, foi identificado o domínio do padrão estreitamento anular. Este comportamento foi aferido pelos resultados experimentais de perda de carga mostrando dependência quase exclusiva do parâmetro de Martinelli, e o mecanismo conectivo como principal mecanismo de transferência de calor, característico no padrão anular. Os resultados de condensação foram correlacionados a partir de abordagens empíricas em função do parâmetro de Martinelli e o conceito de velocidade mássica equivalente. Assim como, a partir de uma abordagem semi-empírica considerando um modelo anular que permite avaliar os mecanismos principais de transferência de calor e quantidade de movimento, avaliando a espessura do filme de líquido na parede do canal. Finalmente, os resultados experimentais e os obtidos a partir das correlações desenvolvidas são comparados com estudos disponíveis na literatura relativos a lâminas com micro canais. / This project involves a theoretical-experimental study of heat transfer and pressure drop in condensation and single phase flow of halogen refrigerants in microchannel tubes. The tests include the pure refrigerant R-134a and quasi azeotropic mixture R-410A. The microchannel tubes tested include one with square ports of Dh = 1,214 mm and other with circular port of Dh = 1,494 mm. The subcooled liquid tests considered the mass velocities of 390 to 1360 kg/sm2, the saturation temperature of 40ºC and subcooled of 10ºC. The condensing tests considered a constant heat flux of 5 kW/m2, vapor quality of 0,15 to 0,9, mass velocities of 410 to 1135 kg/sm2, saturation temperature of 40 to 50ºC and oil-refrigerant mixtures with oil mass concentrations of 0,25 and 0,45%. For each test condition was evaluated the coefficient of heat transfer and frictional pressure drop in the microchannel tube. The single phase results agree with typical correlations used in conventional tubes to evaluate the heat transfer and pressure drop in turbulent flow, even though the most of experimental date are 12% higher. The most of flow patterns in condensation were identified as annular using the flow patterns maps available on literature. This behavior was verified through pressure drop results, which show exclusive dependence on Martinelli Parameter. The heat transfer results show that the main heat transfer mechanism was convective, typical in annular flow. The results of condensation were correlated from empirical approachs using the Martinelli parameter and the equivalent mass velocity concept. And, also a semi-empirical approach modeling the annular flow to evaluate the mechanism of heat transfer through the liquid film around the wall of the tube. Finally, the experimental results and the results obtained through the models were compared with correlations referred to microchannels available on the literature.

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.

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%.

O trabalho consiste em análises experimental, teórica e computacional do escoamento dos gases de exaustão através de um conversor catalítico platina-paládio, instalado num motor de combustão interna movido a etanol. Foram realizados ensaios dinanométricos no motor para análise das medidas experimentais no sistema de exaustão e para aquisição de valores das propriedades termodinâmicas, de transporte e de concentrações químicas, os quais serviram de dados iniciais para a simulação computacional desenvolvida com a utilização dos softwares CFX e MFIX. Os programas resolvem um conjunto de equações conservativas que permitem a análise da variação da pressão, temperatura, velocidade e composição química dos gases de escape ao longo do suporte monolítico. Além de avaliar a formação e os níveis das emissões provenientes da combustão da mistura ar-combustível. A eficiência catalítica no primeiro suporte do conversor foi de 11% THC, 100% NOx e 20% CO. Foi verificada uma diferença de 1,23% entre a velocidade média experimental e a simulada. Modelos matemáticos foram aplicados no estudo da perda de carga no conversor catalítico e na relação difusão-reação do consumo e formação das espécies químicas. / The thesis describes computational, experimental, and theoretical analysis of the exhaust gases flow through a Pt/Pd catalytic converter installed on internal combustion engine burning ethanol. The obtained values related to energy properties and mass transport in experimental tests is the base of initial values for development of the computational simulation by using CFX and MFIX software. The programs solves a group of conservative equations that allow to analysis of variation such as pressure, temperature, and also, velocity of exhausting gases along the monolithic support, moreover to evaluate the formation of gases and its emission levels on the incoming air-fuel mixture combustion and its respective chemical reactions of oxidation. The catalytic efficiency through the first monolith of the converter were about of 11% THC, 100% NOx e 20% CO. It was verified also a small difference of 1,2 % between the experimental and the simulated average velocity. In addition mathematical models were applied on the study of the load loss in catalytic converter, diffusion-reaction of the consumption and also formation of chemical species.

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.

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.

Este trabalho de pesquisa visa estudar o processo de formação das emissões gasosas num motor de combustão interna movido à álcool e analisar os fatores que contribuem para o controle dessas emissões em níveis estabelecidos pela legislação. Especial atenção foi dada à aplicação de conversores catalíticos platina/paládio como auxiliar no processo de controle das emissões gasosas automotivas. Foram realizados ensaios dinanométricos de um motor de combustão interna para analisar as emissões e o controle destas, em condições operacionais, em função da razão ar-combustível, ponto de ignição e rotação. O conversor catalítico contribuiu para redução de mais de 80% das emissões gasosas danosas à saúde, quando o motor operava em condições estequiométricas. Observou-se a necessidade de desenvolver o sistema de admissão e descarga do motor para receber o catalisador sem que este cause redução considerável à queda da eficiência volumétrica do motor. / This work of research aim analyzes process of formation of gas emissions in alcohol internal combustion engines and analyses factors that contribute to control those emissions in level established by legislation. Special attention was faced application of catalytic converters platin/palladium with auxiliary in the process of control emissions gas automotives. Assays dynamometric were realized of to analyses emission and control them, in conditions operation ales, in function of air-fuel ratio, point of ignition and rotation the catalytic converters contribute to reduction more of 80% of emissions gas that cause damage health, when observed that necessity of develop system of admission and exhaust of engines to receive catalysts out that provocate reduction considerable decrease of efficiency volumetric of engines.