A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar. / The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.

O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar. / The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico no interior de tubos com fitas retorcidas. Esta técnica tem sido utilizada há várias décadas para a intensificação de troca de calor para escoamento monofásico e evaporação convectiva no interior de tubos. No entanto, com sua utilização, o aumento do coeficiente de troca de calor é acompanhado pelo incremento da perda de pressão. Portanto a compreensão dos fenômenos relacionados aos incrementos da perda de pressão e troca de calor são fundamentais para engenheiros projetistas. Neste estudo, inicialmente, é apresentada uma extensa revisão bibliográfica sobre padrões de escoamento, modelos para estimativa de fração de vazio e metodologias para previsão da perda de pressão em tubos com e sem fitas retorcidas para escoamentos bifásicos e monofásicos. Foram realizados experimentos em bancada experimental utilizando seção de testes com diâmetro interno de 15,9 mm e dois metros de comprimento com fitas apresentando razões de retorcimento de 3, 4, 9, 14 e , a última correspondente ao tubo sem inserto. Os experimentos foram executados para o refrigerante R134a, velocidades mássicas entre 75 e 250 kg/m²s, e títulos de vapor entre 5 e 95% no caso de escoamentos bifásicos. Resultados foram levantados para velocidades mássicas entre 100 e 450 kg/m²s para escoamentos monofásicos. Durante os ensaios foram levantados resultados de perda de pressão e identificados subjetivamente os respectivos padrões de escoamento. Como resultado final deste estudo é proposta uma correlação para previsão da perda de pressão durante o escoamento no interior de tubos com fitas retorcidas. / A theoretical and experimental study on single and two-phase flow inside tubes with twisted tapes inserts is presented. Twisted tape inserts have been used for decades as a technique of heat transfer enhancement. However, their heat transfer enhancement is accompanied by an increase of the pressure drop. Therefore, understanding the pressure drop and heat transfer mechanisms is fundamental for heat exchanger designers in order to optimize these devices when using twisted-tape inserts. Based on these aspects the present study concerns single and two-phase flows inside tubes with twisted tapes. Experiments were performed in an experimental apparatus for a 15.9 mm ID and twisted tape with twist ratios of 3, 4, 9, 14 and , the last one corresponding to a plain tube without tape. For two-phase flow, experiments were conducted for R134a, mass velocities from 75 to 250 kg/m²s and vapor qualities from 5 to 95%. In case of single-phase flow, experiments were performed for mass velocities from 100 to 450 kg/m²s. The experimental campaign was focused on pressure drop and flow pattern subjective identification. Additionally an extensive literature review on flow patterns, superficial void fraction, and methodologies for prediction of the pressure drop in plain tubes with and without twisted-tape inserts during single and two-phase flow is presented. As final result, a correlation for prediction of pressure drop during flow inside tubes with twisted tape inserts is proposed.

Apresenta um estudo teórico-experimental da ebulição convectiva do fluido refrigerante R-134a no interior de tubos lisos. Os parâmetros físicos disponíveis para medida foram: pressão, temperatura, vazão de refrigerante e potência de aquecimento, os quais, juntamente com o registro fotográfico, foram utilizados para caracterizar os padrões de escoamento e as transições, investigando-se os efeitos do diâmetro do tubo, da velocidade mássica e do fluxo de calor sobre a perda de pressão e a transferência de calor. Os principais padrões de escoamento visualizados foram: o intermitente, o anular e o estratificado, nos quais constatou-se que, as transições são governadas, principalmente, pelos efeitos da velocidade mássica e do diâmetro do tubo. Dentre estes padrões de escoamento, o anular e o estratificado foram modelados analiticamente. O modelo para o escoamento anular foi utilizado na obtenção de correlações para o fator de atrito interfacial e para espessura do filme de líquido. O modelo para o escoamento estratificado foi dividido em duas partes, uma destinada a obter a configuração da interface, a qual se mostrou côncava e a outra destinada à determinação dos fatores de atrito líquido-parede e interfacial os quais foram correlacionados / The research reports a theoretical and experimental study of convective boiling of refrigerant R-134a in smooth tubes. Tests have been carried out to measure the following physical parameters at the test section: mass flow rate, pressure and pressure drop, refrigerant and surface temperatures and the electrical power. In addition to these parameters, a photographic study has been carried out from pictures taken at the test section exit in order to determine the flow regimes that intervene under the imposed operating conditions. Effects over the pressure drop and heat transfer of the mass flow rate, heat flux, quality, and tube diameter have been investigated. Three flow regimes have been found: the intermitent, the stratified and the annular. Flow regime transitions are apparently governed by the mass velocity and tube diameter. The annular and the stratified flow regimes have been semi-empirically modeled using a mechanistic approach. The annular flow model has been applied to develop correlations for two important physical parameters: the interfacial friction factor and the film thickness. Through the stratified model, the shape of the interface has been evaluated along with correlations for the liquid to wall and interface friction factors

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico em um dissipador de calor baseado em microcanais. Este tipo de dissipador de calor tem sido usado para a intensificação da troca de calor em sistemas compactos e de alto desempenho. A intensificação da troca de calor promovida pelo escoamento em microcanais é acompanhada de um incremento na perda de pressão, portanto o estudo destes dois parâmetros é essencial para o entendimento dos fenômenos relacionados e fundamental para o desenvolvimento de ferramentas de projeto para dissipadores de calor baseados em microcanais. Inicialmente, um levantamento bibliográfico extenso sobre a ebulição convectiva em microcanais de reduzido diâmetro foi realizado. Este estudo da literatura trata de critérios de transição entre micro- e macro-escala, padrões de escoamento, métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e perda de pressão. Atenção específica foi dada a estudos de dissipadores de calor baseados em microcanais. Com base nesta análise da literatura, uma bancada experimental foi confeccionada para que dados experimentais de transferência de calor e perda de pressão pudessem ser levantados a partir de um dissipador de calor de microcanais. O dissipador de calor fabricado para este estudo é constituído de 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de profundidade e espaçados entre si de 200 µm. Experimentos foram executados para o R134a, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, título de vapor máximo de 0,35 e fluxos de calor de até 310 kW/m². Como conclusão deste trabalho observa-se perda de pressão elevada em relação aos valores fornecidos pelos métodos de previsão da literatura e um coeficiente de transferência de calor próximo ao estimado pelo modelo de três zonas proposto por Thome et al. (2004). / This study presents a theoretical and experimental investigation on single and two-phase flows in a microchannel based heat sink. Multi-microchannel heat sinks are able of dissipating extremely high heat fluxes under confined conditions. Such characteristics have attracted the attention of academia and industry and actually several studies are being carried out in order to evaluate and optimize such devices. Initially, an extensive investigation of the literature concerning convective boiling in micro-scale channels was performed. This literature review covers transitional criteria between micro- and macro-scale flow boiling, two phase flow patterns, heat transfer coefficient and pressure drop during convective boiling. Special attention was given to studies concerning microchannels based heat sinks. Based on this investigation, an experimental facility was built for performing heat transfer and pressure drop measurements during single-phase flow and flow boiling in microchannel based heat sinks. For this study, a microchannel based heat sink was also manufactured. The heat sink contains 50 rectangular parallel microchannels, 15 mm long, 100 µm wide by 500 µm deep and separated by 200 µm walls. Experiments were performed for R134a, mass velocity of 400-1500 kg/m²s, maximum vapor quality of 0,35 and heat fluxes up to 310 kW/m². The database obtained in the present study was compared against pressure drop and heat transfer coefficient prediction methods from the literature. It was found that no one method is accurate in predicting heat sink pressure drop while heat transfer coefficient results were accurately predicted by the 3-zone model proposed by Thome et al. (2004).

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. / The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico em um dissipador de calor baseado em microcanais. Este tipo de dissipador de calor tem sido usado para a intensificação da troca de calor em sistemas compactos e de alto desempenho. A intensificação da troca de calor promovida pelo escoamento em microcanais é acompanhada de um incremento na perda de pressão, portanto o estudo destes dois parâmetros é essencial para o entendimento dos fenômenos relacionados e fundamental para o desenvolvimento de ferramentas de projeto para dissipadores de calor baseados em microcanais. Inicialmente, um levantamento bibliográfico extenso sobre a ebulição convectiva em microcanais de reduzido diâmetro foi realizado. Este estudo da literatura trata de critérios de transição entre micro- e macro-escala, padrões de escoamento, métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e perda de pressão. Atenção específica foi dada a estudos de dissipadores de calor baseados em microcanais. Com base nesta análise da literatura, uma bancada experimental foi confeccionada para que dados experimentais de transferência de calor e perda de pressão pudessem ser levantados a partir de um dissipador de calor de microcanais. O dissipador de calor fabricado para este estudo é constituído de 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de profundidade e espaçados entre si de 200 µm. Experimentos foram executados para o R134a, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, título de vapor máximo de 0,35 e fluxos de calor de até 310 kW/m². Como conclusão deste trabalho observa-se perda de pressão elevada em relação aos valores fornecidos pelos métodos de previsão da literatura e um coeficiente de transferência de calor próximo ao estimado pelo modelo de três zonas proposto por Thome et al. (2004). / This study presents a theoretical and experimental investigation on single and two-phase flows in a microchannel based heat sink. Multi-microchannel heat sinks are able of dissipating extremely high heat fluxes under confined conditions. Such characteristics have attracted the attention of academia and industry and actually several studies are being carried out in order to evaluate and optimize such devices. Initially, an extensive investigation of the literature concerning convective boiling in micro-scale channels was performed. This literature review covers transitional criteria between micro- and macro-scale flow boiling, two phase flow patterns, heat transfer coefficient and pressure drop during convective boiling. Special attention was given to studies concerning microchannels based heat sinks. Based on this investigation, an experimental facility was built for performing heat transfer and pressure drop measurements during single-phase flow and flow boiling in microchannel based heat sinks. For this study, a microchannel based heat sink was also manufactured. The heat sink contains 50 rectangular parallel microchannels, 15 mm long, 100 µm wide by 500 µm deep and separated by 200 µm walls. Experiments were performed for R134a, mass velocity of 400-1500 kg/m²s, maximum vapor quality of 0,35 and heat fluxes up to 310 kW/m². The database obtained in the present study was compared against pressure drop and heat transfer coefficient prediction methods from the literature. It was found that no one method is accurate in predicting heat sink pressure drop while heat transfer coefficient results were accurately predicted by the 3-zone model proposed by Thome et al. (2004).

A presente dissertação de mestrado envolve o estudo da perda da pressão e dos padrões para escoamentos água/ar em um canal retangular segundo inclinações a partir do plano horizontal de -90° a 90°. Também foi avaliado o efeito nestes parâmetros de rotacionar a seção de testes em torno de seu eixo axial segundo ângulos de 45° e 60°, determinados a partir da condição de suas faces superior e inferior posicionadas horizontalmente. O texto se inicia com a apresentação de um amplo estudo da literatura sobre métodos de previsão de padrões de escoamento e perda de pressão durante escoamentos bifásicos no interior de dutos. Em seguida é descrito o aparato experimental projetado e construído para este estudo. Tal descrição inclui o detalhamento da seção de testes, que consiste em um canal retangular de seção transversal com dimensões de 6,0 x 6,5 mm². Resultados foram levantados para vazões mássicas entre 90 e 760 kg/m²s, correspondendo a velocidades superficiais entre 0,03 a 19,42 m/s e 0,1 a 0,76 m/s, para, respectivamente as fases gás e líquido. Mapas de escoamento foram desenvolvidos com base em imagens capturadas por câmera de alta velocidade, e também com base na técnica de agrupamento de dados k-means. Os escoamentos foram classificados segundo os padrões bolhas, intermitente e anular. As características hidrodinâmicas e as transições entre estes padrões foram significativamente alteradas pela inclinação do canal. Constatou-se também significativa influência da rotação em torno do eixo do canal, favorecendo efeitos de estratificação no escoamento. As transições obtidas experimentalmente foram comparadas com os métodos de previsão disponíveis na literatura. Os métodos de Taitel e Dukler (1976), para escoamento horizontal, e Taitel et al. (1980) para escoamento vertical ascendente, apresentaram as melhores previsões dos dados experimentais. Com o objetivo de estimar a parcela gravitacional da perda de pressão, levantou-se resultados para a fração de vazio superficial avaliada com base na velocidade média de bolhas alongadas e no tratamento de imagens no caso do escoamento em bolhas. Resultados de perda de pressão por atrito foram comparados com vinte métodos de previsão da literatura. As correlações de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) proporcionaram as melhores previsões para escoamento horizontal. Para escoamentos inclinados, comparou-se 25 métodos da literatura para a determinação da perda de pressão por atrito com os resultados de perda de pressão experimentais, com a perda de pressão gravitacional estimada considerando 20 métodos para a fração de vazio superficial. Desta análise constatou-se que a combinação dos métodos de Mishima e Hibiki (1996) e Zhang et al. (2010) para a previsão da parcela de perda de pressão devido ao atrito e o método de Spedding e Chen (1984) para previsão da fração de vazio superficial, utilizado para a determinação da parcela gravitacional, proporcionam previsões satisfatórias dos dados experimentais. / The present dissertation concerns a study on pressure drop and flow patterns for air/water flows inside a rectangular channel positioned according to inclination angles, relative to the horizontal plane, from -90° to 90°. The effects on flow patterns and pressure drop of rotating the test section relative to its longitudinal axis according to angles of 45° and 60° are also evaluated. Initially, a broad review of the literature concerning experimental studies and predictive methods for flow pattern and pressure drop inside channels is presented. Then, the experimental facility developed for this study is described. In this description, the test section, consisting of a rectangular channel with cross-sectional area of 6.0 x 6.5 mm² is detailed. Experimental data were obtained for mass velocities from 90 to 760 kg/m²s, corresponding to gas and liquid superficial velocities from 0.03 to 19.4 m/s and from 0.1 to 0.76 m/s, respectively. Flow patterns maps were developed based on the following approaches: analyses of two-phase flow images from a high speed video camera; and using the k-means clustering algorithm based on pressure drop and optical signals. The bubbly, intermittent and annular flow patterns were characterized. From the analyses of the data, it was found that the flow pattern transitions are significantly affected by the flow inclination and channel rotation. Two-phase flow stratification effects are enhanced by rotating the channels. Among the flow pattern predictive method evaluated in the present study, Taitel and Dukler (1976), for horizontal channels, and Taitel et al. (1980), for upward flow, provided the best predictions of the data obtained in the present study. In order of estimating the gravitational parcel of the pressure drop, superficial void fraction results were obtained based on the mean velocity of elongated bubbles, for intermittent flow, and on the image processing of bubbles, for bubbly flow. Experimental results for frictional pressure drop were compared against 20 predictive methods available in the literature. The methods of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) performed the best for horizontal flows. The frictional pressure drop predictions were also evaluated for inclined flows by comparing the measured total pressure drop against the corresponding calculated values based on the combination of 25 frictional pressure drop predictive methods and the gravitational parcel of pressure drop estimated according to 20 predictive methods for superficial void fraction. From this analysis, it was found that the combination of Mishima e Hibiki (1996) and Zhang et al. (2010) methods for frictional pressure drop with the method of Spedding e Chen (1984), for void fraction, used to determine the gravitational parcel, provide satisfactory predictions of the experimental data.