Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2013-12-05T20:16:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 1993Bitstream added on 2016-01-08T18:12:50Z : No. of bitstreams: 1 91834.pdf: 1902719 bytes, checksum: 57fbf47705b47c6fc3537311fb468fba (MD5) / Neste trabalho procuramos diminuir o "GAP" existente entre a teoria de sistemas lineares mutivariáveis e sua implementação em ambientes industriais. Para tal, estudamos o problema da modelagem, simulação, controle e implementação de uma unidade piloto de um trocador de calor água-vapor. Considerando o modelo linearizado do sistema descrito por uma matriz função de tranferência, nós projetamos um controlador multivariável para desacoplar o mapa de entrada/saída (E/S), com posicionamento de pólos em cada canal de E/S. Resultados de laboratório e simulações nos mostram a performance do compensador proposto em diferentes situações. Também comparamos esta estratégia com um controlador clássico, multi-PID com Desacoplamento Estático.

Orientador: Alberto Luiz de Andrade / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-23T02:23:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarconeLopesda_M.pdf: 3338735 bytes, checksum: 257be75cc8e8f1d0ec3caf96beef78bb (MD5) Previous issue date: 1995 / Resumo: No presente trabalho, desenvolveu-se e implementou-se um algoritmo para a síntese de redes de trocadores de calor, baseado na tecnologia ou análise "pinch", com o objetivo de propor e analisar uma metodologia para a síntese de redes flexíveis de trocadores de calor. Após o desenvolvimento do programa, concentrou-se no estudo de redes multiperíodo, um caso particular das redes flexíveis. As redes multiperíodo são redes que podem operar em várias condições, desde que estas condições sejam pré-estabelecidas. A metodologia para a síntese de redes multiperíodo proposta no presente trabalho, divide-se em duas partes: a primeira é a geração de uma rede de trocador de calor para cada período de operação; segundo, a análise das estruturas das redes, por inspeção sistemática, com a proposição de uma novo estrutura que suporte as condições pré-estabelecidas, a partir das estruturas das redes geradas e da análise de área em cada trocador. É feita a aplicação do programa desenvolvido para dois exemplos de casos citados na literatura, demonstrando a validade da metodologia proposta. Além disto ficou evidenciado a simplicidade de aplicação do método / Abstract: In the present work, it was developed and implemented an algorithm to the heat exchangers networks synthesis, based on the "pinch" analysis, with the objective of analysing and proposing a methodology to the heat exchanger networks flexible synthesis. After the program development, it was concentrated in the study of networks multiperiods, a particular case of flexible networks. The multiperiod networks are networks that can operate in many conditions, since this conditions are previously established. The methodology to the multiperiod networks synthesis proposed in the present work is divided in two parts: the first is the generation of a heat exchanger network to each operation period; second, the networks structures analysis , by sistematic inspection, with the proposition of a new structure that supports the stablished conditions, from the generated networks structures and the area analysis in each exchanger. The developed program is aplicated for two examples of cases showed in the literature, demonstrating the validity of proposed methodology. Besides, it was proved the simplicityof aplication of this method / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-03-18T21:06:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327658.pdf: 7649786 bytes, checksum: 1b3814b5b9db14ce9e7916582532e167 (MD5) Previous issue date: 2014 / Trocadores de calor compactos são caracterizados pela sua alta taxa de transferência de calor em um volume reduzido, tornando-se essenciais em aplicações em que tamanho e peso são importantes, tais como nos setores automobilístico, naval e aéreo. O principal objetivo deste trabalho é desenvolver novas tecnologias de recheios para trocadores de calor compactos, incluindo o projeto e a construção de protótipos de partes de trocadores de calor, empregando o processo de soldagem por difusão. Nesse contexto, é apresentada uma revisão bibliográfica a respeito das características de trocadores de calor compactos, assim como dos aspectos gerais de sua composição e de seu funcionamento. Com base em trabalhos da literatura, foi elaborado um modelo matemático simples para prever o comportamento térmico do trocador de calor compacto. Além disso, foi estudada a influência dos parâmetros temperatura e pressão na soldagem por difusão. Os recheios desenvolvidos neste trabalho foram projetados e produzidos em cobre, sendo empregadas diferentes tecnologias para sua fabricação. Baseado na tecnologia que apresentou o melhor resultado teórico, foi construído um pequeno trocador de calor compacto, o qual foi testado com correntes de água. Os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com a previsão de modelos matemáticos desenvolvidos para este fim. Foi estudada a influência dos parâmetros pressão e temperatura na soldagem por difusão do cobre, utilizando como critério de avaliação os ensaios de tração e cisalhamento. Assim, processos inovadores para fabricação de recheios foram desenvolvidos, contribuindo para o estado da arte em trocadores de calor compactos soldados por difusão e proporcionando um embasamento teórico e experimental que permitirá o prosseguimento dos trabalhos nesta linha de pesquisa.<br> / Abstract : Compact heat exchangers are mainly characterized by their high heat exchange rate in small volume, what makes them essential in applications in which weight and size are important, such as the automotive, marine and aerospace industries. The main objective of this work is developing new core technologies for compact heat exchangers by designing and building prototypes in which the diffusion bonding process is employed. A literature review of compact heat exchangers characteristics, as well as the general aspects of their structure and operation are presented. Based on a literature studies, an onedimensional steady state thermal model was developed to predict the thermal behavior of the compact heat exchanger. Furthermore, the influence of temperature and pressure on the diffusion bonding process were studied as well. The heat exchanger cores were manufactured in copper with different kinds of technologies. A small heat exchanger was built using the theoretical model best results and it was ested with water streams. A good agreement was obtained when the experimental results were compared to the mathematical model. Add to this, the influence of pressure and temperature on the diffusion bonding process was predicted using tension and shear tests as evaluation criteria. In this way, innovative processes for cores manufacturing using diffusion bolding were developed, contributing for the state of the art in compact heat exchangers and providing a theoretical and experimental knowledge, which will allow further studies in this research line.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:22:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 347849.pdf: 5677568 bytes, checksum: c4e10ecf9f54068e9e5cb437b4469ffc (MD5) Previous issue date: 2017 / Trocadores de calor compactos são equipamentos caracterizados pela alta área de transferência de calor em um volume reduzido. Esses dispositivos foram desenvolvidos para aplicações em que requisitos como massa e espaço são restritivos, como nos segmentos aeroespacial, marinho e automobilístico. Mortean (2014) estudou e desenvolveu novas tecnologias de fabricação de núcleos de trocadores de calor compactos em cobre, empregando o processo de soldagem por difusão para a união do conjunto. Tendo em vista a viabilidade técnica da tecnologia, o presente trabalho focou em desenvolver ferramentas para o projeto térmico, hidráulico e de fabricação de trocadores de calor compactos produzidos em aço inoxidável AISI 316L, a partir da técnica de soldagem por difusão. Este estudo foi dividido em duas grandes áreas: a primeira focada na soldagem por difusão, diretamente relacionada com o processo de fabricação, e a segunda nos modelos teóricos para prever o comportamento do trocador de calor compacto. Numa primeira etapa, foi aprimorada a técnica de soldagem por difusão, estudando a união de diferentes aços inoxidáveis, para em seguida determinar os melhores parâmetros (temperatura, pressão e tempo) na soldagem do aço inoxidável AISI 316L, material selecionado para a fabricação dos protótipos. Visando aplicações em trocadores de calor compactos, foi realizado um estudo da influência de diferentes geometrias na união do núcleo, além de uma análise do efeito da técnica de soldagem por difusão com pressão oscilante na interface de ligação. As amostras produzidas no estudo experimental foram comparadas por meio de ensaios mecânicos de tração, análises metalográficas e testes de vazamento. Em paralelo, foi realizada uma análise teórica e experimental do comportamento térmico e hidrodinâmico do trocador de calor. Modelos analíticos e numéricos foram desenvolvidos para escoamentos em regime laminar e em transição. Correlações para o número de Nusselt para canais de seção transversal quadrada, para escoamento laminar termicamente em desenvolvimento e escoamento em transição, foram propostas. Dados experimentais, envolvendo a transferência de calor e a perda de carga, forneceram informações para a comparação com os modelos propostos, em que foi constatada uma boa convergência. Ao final do trabalho, obteve-se uma metodologia de cálculo para o projeto de trocadores de calor com placa usinada e um procedimento adequado de fabricação. De modo que, futuramente, o país possa produzir estes equipamentos, baseado em sua própria tecnologia, desenvolvendo a indústria nacional e diminuindo a dependência de equipamentos importados.<br> / Abstract : Compact heat exchangers are heat transfer devices characterized by high heat transfer area in small volume. They were developed for applications where weight and volume are significantly relevant constraints, such as aerospace, marine and automotive segments. Mortean (2014) studied new manufacturing technologies of compact heat exchanger cores in copper, using the diffusion bonding process as a join technique. Based on the previous study, the current work focused on the thermal, hydraulic and manufacturing designs of compact heat exchangers, produced in stainless steel AISI 316L, joined by diffusion bonding technique. The study was divided into two main areas: the first, focused on diffusion bonding, directly related to the manufacturing process, and the second one, focused on the theoretical models to predict the thermal and hydrodynamic behavior of the heat exchanger. First, the diffusion bonding technique to join different stainless steels alloys was studied, and then, the best welding parameters (temperature, pressure and time) were determined to join stainless steel AISI 316L plates, selected material to produce the prototypes. Aiming to study compact heat exchangers applications, the influence of different core geometries and impulse cyclic pressuring diffusion bonding technique were studied. The samples were evaluated by mechanical tensile tests, metallographic analyzes and leak tests. In parallel, a theoretical and experimental analysis of the heat exchanger thermal and hydrodynamic behavior were carried out. Analytical and numerical models for laminar and transition flow were developed. Nusselt number correlations, for rectangular channels, in laminar thermally developing flow and transitional flow were proposed. Experimental tests, for heat transfer and pressure drop, were performed and their results were compared with the theoretical model, showing a good comparison. Thus, a mathematical methodology and an adequate manufacturing procedure to design and produce cut plate heat exchanger were obtained. As a result, in the future, the country can produce these type of equipment, based on its own technology, developing the national industry and reducing its dependence on abroad.

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:32:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_2828_DissertacaoMestradoDaviddeAlmeidaFiorillo.pdf: 3338341 bytes, checksum: 8a73fd7a67c6dfd9d6c011955f005eb6 (MD5) Previous issue date: 2010-12-22 / Este trabalho foi motivado a partir da experiência do autor, enquanto engenheiro de automação de uma indústria de transporte de petróleo e derivados, atuando na melhoria do controle de temperatura de óleo pesado de um trocador de calor do tipo casco e tubos. Associados aos problemas inerentes dos sistemas térmicos industriais como a inércia, resistências e capacitâncias térmicas, tempo morto e histereses, encontram-se também as limitações devido ao subdimensionamento ou superdimensionamento destas plantas. Portanto, controladores clássicos monovariáveis são pouco eficazes na regulação de e diminuição da variabilidade de teperatura de óleo, podendo assumir valores de até ± 60 ºC em torno do setpoint. Neste trabalho são investigadas estratégias para o controle de temperatura aplicado ao trocador de calor na realização da tarefa de regular a temperatura de saída de óleo sob variações de carga (vazão de óleo e alimentação de vapor). Primordialmente, são levantadas informações sobre os mecanismos termodinâmicos que regem o funcionamento do trocador. Em seguida, é proposta uma modelagem baseada em parâmetros físicos, como, dimensões, vazões de entrada e saída de óleo e vapor e massa de aço do casco e tubos. São apresentados e comparados resultados da modelagem proposta com dados reais de um trocador. A principal contribuição do estudo foi a proposição de uma associação de estratégias de controle para regular a energia consumida pelo trocador, baseada na realimentação de fluxos de vapor e de entrada de óleo. As informações de vazão, pressão e temperatura foram unificadas na variável energia e associada a técnicas de controle PID feedback, feedforward e preditor de Smith. O arranjo foi capaz de compensar variações de cargas tanto da vazão óleo como da linha de vapor, reduzindo a variabilidade para ± 10 ºC. O método de controle de energia e associações de estratégias foi confrontado com o método clássico PID feedback monovariável, que além de diminuir o desgaste do atuador foi capaz diminuir o desperdício de energia em até 69% . Ao final do trabalho, são apresentados resultados da simulação do controlador proposto sobre a modelagem e arranjo de instrumentação para aplicação do método abordado.

Banca: João Andrade de Carvalho Júnior / Banca: José Antônio Perrella Balestieri / Banca: Genésio José Menon / Banca: José Roberto Simões Moreira / Bancs: Arnaldo césar da Silva Walter / Resumo: No presente trabalho, foi desenvolvido um algoritmo para descrever a cinética da incrustação das proteínas presentes no soro do leite, tendo como subsídio as curvas de solubilidade das mesmas. Tais curvas foram determinadas experimentalmente a temperaturas na faixa de 40- 100C, incluindo a dependência do pH, entre 4,0 e 7,0. O algoritmo foi desenvolvido para aplicação no interior de tubos cilíndricos permitindo um modelo matemático unidimensional. O sistema de equações foi resolvido pelo método de diferenças finitas com a aplicação do algoritmo na linguagem Delphi 6.0. Os resultados obtidos foram comparados com os resultados dos ensaios experimentais realizados em um trocador de calor tubular construído na planta piloto do Departamento de Ciências Agrárias da Universidade de Taubaté. Os resultados mostraram que a solubilidade proteica depende da temperatura e do pH; já a cinética de incrustação, além da temperatura e do pH do fluido, depende também da vazão mássica do mesmo. O tempo necessário para o decréscimo de 30% do raio interno do tubo foi menor para maiores valores de vazão e temperatura e em pH próximo do ponto isoelétrico das proteínas do soro do leite (5,0), visto que a solubilidade proteica é mínima nestas condições. A deposição das proteínas foi mais acentuada na região de entrada do tubo. De acordo com os resultados obtidos no pasteurizador construído, observou-se convergência dos mesmos com os resultados obtidos pela simulação, validando os modelos cinéticos propostos pelo algoritmo / Abstract: In present work an algorithm was developed to describe fouling kinetics of whey proteins, based on these proteins solubility curves. Such curves were determined experimentally in the range of 40-100C, including dependence with pH, among 4.0 to 7.0. The algorithm was developed for cylindrical tubes thus leading to a less complex one-dimensional mathematical model. The system of equations was solved by the finite differences method with an algorithm developed in Delphi 6.0 and the results obtained were compared with the results of the experimental tests carried out on a tubular heat exchanger, constructed in the pilot plant of the Agronomy Department, in Taubate University. Experimental results showed that protein solubility depends on the solution temperature and pH and the fouling kinetics was dependent on the fluid temperature and pH, as well as the mass flow rate. The time needed for 30% decrease on the internal radius was smaller for higher values of both temperature and flow rate, as well as near the isoelectric point of whey proteins (pH around 5.0), since protein solubility is minimal under these conditions. Protein deposition was more intense in the tube entrance. According to the experimental results obtained by the constructed pasteurizer, it was observed convergence with those obtained from the simulation, verifying, therefore, the validation of kinetic models proposed by the algorithm

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T07:50:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 284573.pdf: 7894726 bytes, checksum: 58625ffe289b6118bfb4d16d1f9b3318 (MD5) / O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de um conceito alternativo de superfícies estendidas para trocadores de calor compactos. O evaporador de aletas periféricas é um trocador de calor de fluxo cruzado cuja superfície do lado do ar é formada por conjuntos de aletas radiais cujas bases são conectadas aos tubos e cujas pontas se conectam à aletas periféricas. Cada conjunto é composto por seis aletas radiais e seis aletas periféricas, formando uma estrutura hexagonal. A configuração das superfícies estendidas do lado do ar é composta por três níveis de aletas, cada qual caracterizado pelo comprimento da aleta radial. Cada conjunto é montado com uma defasagem de 30o com relação ao conjunto vizinho. Uma bancada experimental foi utilizada para avaliar a queda de pressão e a transferência de calor do lado do ar em 5 protótipos de evaporadores em função da vazão de ar e de características geométricas dos trocadores de calor, como tamanho de aletas, disposição espacial e comprimento do trocador. O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para circulação interna dentro dos tubos. Um modelo teórico unidimensional baseado na teoria clássica de meios porosos foi desenvolvido para predizer o comportamento termo-hidráulico do trocador de calor. O modelo incorpora a geometria real das aletas no cálculo da porosidade do lado do ar. A permeabilidade do lado do ar é calculada de acordo com o modelo de Kozeny-Carman baseado na definição de diâmetro das partículas devida à Whitaker. As correlações de Whitaker (1972) e de Handley e Heggs (1968) para o número de Nusselt e de Ergun (1952) e de Montillet et al. (2007) para o fator de atrito foram implementadas no modelo e previram com uma concordância satisfatória os dados experimentais, com um erro máximo de 10% para a transferência de calor e 20% e 30% respectivamente para a queda de pressão. A determinação das dimensões ótimas do evaporador de aletas periféricas para uma taxa de transferência de calor especificada foi realizada para as situações-limite de temperatura de parede constante e de fluxo de calor constante com base em um cálculo da minimização da geração de entropia (devido à transferência de calor e atrito) no lado do ar. / This work presents a theoretical and experimental analisys of a novel compact heat exchanger surface geometry for refrigeration applications. The so-called peripheral finned-tube evaporator is a cross-flow heat exchanger whose air-side is composed by a hexagonal arrangement of open-pore cells formed by radial fins whose bases are attached to the tubes and whose tips are connected to the peripheral fins. Each fin arrangement is made up of six radial fins and six peripheral fins forming a hexagon-like structure. The air-side fin configuration is composed of three levels of fin arrangement, each characterized by the length of radial fin and mounted with a 30o offset from its neighboring level. An experimental apparatus was used to measure the air-side pressure drop and the heat transfer characteristics in 5 evaporators prototypes as a function of the air flow rate and the heat exchanger geometric parameters, such as the radial length of fins, distribution and evaporator lenght. The test facility consists of an open wind tunnel connected to a water loop. A one-dimensional theoretical model based on the theory of porous media has been developed to predict the thermal-hydraulic behavior of the heat exchanger. The model incorporates the actual fin geometry into the calculation of the air-side porosity. The air-side permeability is calculated according to the Kozeny-Carman model with the particle diameter definition due to Whitaker. The correlations due to Whitaker (1972) and Handley and Heggs (1968) for the Nusselt number and due to Ergun (1952) and Montillet et al. (2007) for the friction factor have been implemented in the model. They have predicted the experimental data with an acceptable level of agreement, showing a maximum deviation of 10% for the heat transfer and 20% and 30% for the pressure drop, respectively. The optimum overall dimensions of the peripheral finned-tube evaporator have been determined for the limiting cases of constant wall temperature and constant wall heat flux based on a minimization of the entropy generation (due to fluid friction and heat transfer) on the air-side for a given air heat transfer rate.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T02:23:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 260272.pdf: 3191393 bytes, checksum: 29bf709451b50a2a0c5b3e2460cdf5fa (MD5) / O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de trocadores de calor tubo-aleta aplicados a refrigeração doméstica. O desempenho de um conceito alternativo de evaporador, o chamado Evaporador de Fluxo Acelerado (EFA), foi investigado sistematicamente. Neste evaporador, a área de seção transversal do lado do ar diminui com a distância da região de entrada, causando a aceleração do escoamento e promovendo um aumento no coeficiente de transferência de calor do lado ar. Um estudo de otimização também foi realizado com o objetivo de obter uma configuração otimizada para o EFA aplicado a um refrigerador doméstico. Uma bancada experimental foi construída para avaliar a perda de carga e a transferência de calor em 15 protótipos de evaporadores, em função da vazão, da razão da seção transversal entre a entrada e a saída, do número de aletas e do comprimento do trocador. O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para circulação interna dentro dos tubos. Um modelo de evaporador que simula o comportamento termo-hidráulico do lado ar também foi desenvolvido. Este modelo divide o evaporador em regiões (volumes de controle) e em geometrias elementares (tubos e aletas), para fazer uso das informações de geometrias mais simples disponíveis na literatura e, assim, modelar os fenômenos que ocorrem neste componente. Um modelo simplificado de um refrigerador doméstico (duas portas, #frostfree#) também foi elaborado para avaliar o impacto global da utilização de um determinado evaporador no sistema de refrigeração. Os resultados numéricos dos modelos do evaporador e do sistema de refrigeração foram validados através da comparação com dados experimentais, verificando-se uma razoável concordância de ±15%. Através dos estudos de otimização verificou-se que o conceito do EFA apresenta um grande potencial para a aplicação em refrigeradores domésticos, já que todas as configurações dos evaporadores obtidos pela otimização apresentaram alguma aceleração. Com a utilização de um EFA, foi possível constatar reduções de massa do evaporador de até 40%, com uma redução no COP do sistema de apenas 1%. A theoretical and experimental analysis of tube-fin evaporators utilized in household top-mount #no-frost# refrigerators is carried out in the present dissertation. The performance of an alternative evaporator concept, the so-called Accelerated Flow Evaporator (AFE) is systematically investigated. In this evaporator, the air-side cross sectional area decreases with the distance from the air flow inlet causing the air flow to accelerate and promote an enhancement of the air-side heat transfer coefficient. This heat transfer enhancement allows a reduction of the heat exchanger volume and hence its material cost. An optimization analysis is also carried out to identify an optimized configuration of the AFE utilized in household refrigerators. An experimental apparatus was constructed to measure the air-side pressure drop and the heat transfer in 15 evaporators prototypes as a function of the air flow rate, the ratio of the outlet and inlet cross-section area and the number of fins. The test facility consists of an open wind tunnel connected to a water loop. A mathematical model which simulates the air-side thermal-hydraulic behavior of the evaporator was also developed. The modeling approach consists of dividing the evaporator into n control volumes in the direction of the air flow. The tube pitches, fin density and inlet and outlet cross-sectional areas can be set independently for each control volume. A mathematical model for the refrigeration system was also developed to take into account the overall impact on the system performance due to a change in the configuration of the evaporator. The agreement between the models and the experimental results is within ±15%. The optimization results have shown that the AFE concept presents a significant potential for household refrigeration applications, since all configurations obtained from the optimization runs contained evaporators with some acceleration. When the AFE concept was employed, the mass of the evaporator could be reduced by as much as 40%, with an associated COP reduction of only 1%.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:11:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345853.pdf: 21111781 bytes, checksum: 05a64c90d221b516495f80d7a11cb2f0 (MD5) Previous issue date: 2016 / Pesquisas recentes têm se dedicado ao desenvolvimento de materiais não metálicos para construção de trocadores de calor. Os materiais poliméricos, em particular, apresentam diversas vantagens para construção de trocadores de calor, como resistência à corrosão, baixa densidade e baixo custo. Porém, a principal desvantagem dos polímeros é possuir baixa condutividade térmica quando comparados aos metais. Dessa forma, grande parte dos esforços de pesquisa tem sido direcionados a buscar meios para aumentar a condutividade térmica do polímero por meio da inserção de materiais metálicos ou materiais de alta condutividade térmica à base de carbono, como, por exemplo, fibras de carbono, negro de fumo, grafite, nanotubos de carbono, grafeno, entre outros, a fim de formar um material compósito com condutividade térmica mais elevada que a da matriz polimérica. O interesse da pesquisa conduzida nesta tese reside na viabilização de um trocador de calor fabricado a partir de um material compósito para utilização em aplicações de pequenas taxas de transferência de calor. O objetivo do trabalho foi a concepção, fabricação e avaliação do desempenho térmico de trocadores de calor poliméricos contendo manta de fibra de carbono e materiais particulados (aditivo) para aumento da condutividade térmica. Três trocadores de calor foram fabricados e testados em um calorímetro de túnel de vento, com a seguinte composição: 50% de manta de fibra de carbono, 50% de resina epóxi (sem aditivo); 50% de manta de fibra de carbono, 49,5% de resina epóxi e 0,5% de nanoplaquetas de carbono; 50% de manta de fibra de carbono, 49,5% de resina epóxi e 0,5% de grafite expandido. O fluido de trabalho utilizado nos testes para a determinação da condutância térmica do trocador de calor polimérico foi a água.Os resultados mostraram que o trocador de calor sem aditivo obteve um desempenho térmico ligeiramente melhor, seguido pelo trocador com nanoplaquetas de carbono e o trocador com grafite expandido. Tal conclusão foi corroborada por uma análise microestrutural dos materiais compósitos por micrografia MEV, que evidenciou uma maior presença de vazios nos trocadores de calor com aditivos. Análises termográficas, realizadas simultaneamente aos testes no calorímetro, permitiram calcular a eficiência global de superfície, que também evidenciou um ligeiramente melhor desempenho térmico do trocador de calor sem aditivo.<br> / Abstract : Recently, several research initiatives have been directed to the development of nonmetallic materials for the construction of heat exchangers. Polymeric materials, in particular, have several advantages, such as corrosion resistance, low density and low cost. However, the main disadvantage of polymers is their low thermal conductivity compared to metals. Thus, much of the research effort has been on finding ways to increase a thermal conductivity of polymers by inserting metallic or of high thermal conductivity carbonaceous fillers, such as carbon fibers, carbon black, graphite, carbon nanotubes, graphene, etc., so as to produce a composite material with a higher thermal conductivity than that of the polymer matrix. The motivation for the research conducted in this thesis lies in the possibility of using polymer composite heat exchangers in applications involving low heat transfer rates. The aim of the work was to design, manufacture and evaluate the thermal performance of polymeric heat exchangers containing carbon fiber and composite materials (fillers) to increase thermal conductivity. Three heat exchangers were fabricated and tested on a wind tunnel calorimeter, with the following composition: 50% carbon fiber fabric, 50% epoxy resin (no fillers); 50% carbon fiber fabric, 49.5% epoxy resin and 0.5% graphene nanoplatelets; 50% carbon fiber fabric, 49.5% epoxy resin and 0.5% expanded graphite. Water was used as the working fluid in the experimental tests carried out to determine the thermal conductance of the heat exchangers. The calorimeter results show that the heat exchanger without fillers obtained a slightly better thermal performance, followed by the graphene nanoplatelet exchanger and by the expanded graphite exchanger. This conclusion was corroborated by a microstructural analysis of composite materials by SEM (scaning electronic microscopy) micrographs, which showed a greater number of voids and heat exchangers with fillers. Infrared imaging analyses, performed simultaneously to the calorimeter tests, allowed the calculation of the overall surface efficiency, which also revealed a slightly better thermal performance of the heat exchanger without fillers.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:53:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 340516.pdf: 54430678 bytes, checksum: 42711a8079169b10668fdbd86e539846 (MD5) Previous issue date: 2016 / Abstract: The proper functioning and reliability of electronic components depend upon adequate thermal management since high temperature isthe principal vector of failure in these devices. The growing complexityof current electronic component design associated with the everincreasingpower consumption and the continuous scale reduction placethermal management of electronics as one of the most strategic challengesfor technological innovation in heat transfer. Therefore, new conceptsfor high heat ux removal are required, such as mechanical vapor compression refrigeration, which is among the most promising activecooling technologies. This thesis presents a novel heat sink for thermalmanagement of electronic devices. The cooler was designed to operateintegrated with a compact vapor compression refrigeration system andcombines the expansion device and the evaporator in a single coolingunit, thus producing a highly eective two-phase jet impingement cooling of the heated surface. An experimental apparatus was designedand built which operates with a small-scale oil-free linear compressor using R-134a as the working uid. A purpose-built calorimeter wasdeveloped to measure the heat dissipation rate through the compressorshell, thus providing closure for the overall system energy balance. Thethermal performance of both the jet impingement cooling module andthe vapor compression refrigeration system were evaluated for a varietyof operating conditions. In addition, a comprehensive thermodynamicanalysis was performed using dierent performance metrics. Experimentshave been carried out with single and multiple orice congurationsof the jet heat sink. The inuence of the following parameters wasquantied: (i) applied thermal load, (ii) orice diameter, (iii) oriceto-heater distance, (iv) hot reservoir temperature and (v) compressorpiston displacement. At operating conditions for which the system pressure ratio ranged from 1.4 to 2.2, the two-phase jet heat sink wascapable of dissipating cooling capacities of up to 160 W and 200 Wfrom a 6.4-cm2 surface for single and multiple orice congurations,respectively, maintaining the temperature of the impingement surfacelower than 40°C with heat transfer coecients ranging from around 14,000 to 16,000 W/(m2K).<br> / O funcionamento e a confiabilidade de componentes eletrônicos dependem do seu gerenciamento térmico visto que temperatura e o principal vetor de falha operacional nestes sistemas. A crescente complexidade no projeto de componentes eletrônicos associada ao aumento do consumo de potencia e a contínua redução de escala colocam o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos como um dos maiores desafio para inovação tecnológica em transferência de calor. Assim, novos conceitos são necessários tais como o emprego de sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapor, que estão entre as mais promissoras tecnologias de resfriamento ativo. A presente tese introduz um novo aparato para o resfriamento de componentes eletrônicos que opera integrado a um sistema de refrigeração compacto e combina o dispositivo de expansão e o evaporador em uma mesma unidade de resfriamento. A técnica de resfriamento e baseada em jatos bifásicos incidentes sobre uma superfície aquecida. Uma bancada experimental que opera comum compressor linear compacto e utiliza R-134a puro como fluido refrigerante foi projetada e construída. Um calorímetro foi desenvolvido para verificação indireta do fechamento dos balancos de energia do sistema, quantificando o calor dissipado na carcaça do compressor. Os desempenhos térmicos do evaporador de jatos bifásicos e do sistema de refrigeração foram avaliados para varias condições operacionais. Uma análise termodinâmica foi conduzida envolvendo diferentes métricas de desempenho. Experimentos foram realizados com um único bocal e com múltiplos bocais de atomização. A influência dos seguintes parâmetros foi quantificada: (i) carga térmica aplicada, (ii) diâmetro do orifício do bocal, (iii) distancia do bocal a superfície de incidência, (iv) temperatura do reservatório quente e (v) deslocamento linear do pistão do compressor.Em condições de operação para as quais a razão de pressão do sistema variou de 1,4 a 2,2, o evaporador de jatos bifásicos foi capaz de remover cargas térmicas de ate 160 W e 200 W em uma superfície com 6,4 cm2 de área utilizando configurações de jatos único e múltiplos, respectivamente. Para estes casos, a temperatura da superfície foi mantida abaixo de 40°C e coeficientes de transferência de calor de 14.000 a 16.000 W/(m2K) foram atingidos.