Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-01-17T03:16:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 343115.pdf: 2569414 bytes, checksum: 500f50c26f5aade2bae3bfa3afebefea (MD5) Previous issue date: 2016 / Trocadores de calor assistidos pela tecnologia de termossifões são equipamentos altamente eficientes. Estes tipos de dispositivos podem transferir altas taxas de calor, com baixas resistências térmicas, entre dois escoamentos com diferentes temperaturas. Diferentes configurações geométricas podem ser adotadas, dependendo da aplicação, incluindo os trocadores de fluxo cruzado ou casco tubos. Nestes tipos de trocadores de calor, os fluxos das correntes quente e fria ocorrem externamente ao feixe de tubos. Para a estimativa dos coeficientes de troca de calor externa por convecção externa e a para a determinação das perdas de carga monofásicas, são usadas correlações experimentais. Entretanto, correlações experimentais podem não estar disponíveis para geometrias complexas ou/e quando as propriedades termofísicas ficam fora do intervalo de validade, como acontece com fluidos muito viscosos. Ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) mostram ter grande aplicabilidade no projeto de trocadores de calor. Uma das principais dificuldades no estudo de trocadores assistidos por termossifões é selecionar uma correlação apropriada para acoplar termicamente os fenômenos internos de mudança de fase com os escoamentos em convecção forçada externa ao feixe de tubos. Neste trabalho, é proposta uma metodologia de acoplamento térmico empregando ferramentas numéricas para trocadores de calor com termossifões. A metodologia acopla o modelo de resistência térmica equivalente para termossifões, associada à mudança de fase interna, com as simulações numéricas dos escoamentos externos. Foram estudados três casos: o primeiro consiste de um termossifão único trocando calor com duas correntes fluidas em escoamento cruzado, o segundo de um feixe de termossifões e finalmente, no terceiro caso, foi analisado um trocador de calor completo do tipo casco casco assistidos por termossifões. Para a avaliação do coeficiente externo de transferência de calor por convecção, foram comparadas as previsões feitas pelas correlações experimentais presentes na literatura contra as respectivas estimativas obtidas da análise computacional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância entre os modelos numéricos e os modelos semianalíticos analisados.<br> / Abstract : Two-phase thermosyphon heat exchangers are highly efficient equipment. They can transfer high heat flux rates, with low thermal resistances, between two fluid streams at different temperatures. Different geometry configurations can be adopted, depending on the application, including: cross-flow and shell and tube, among others. These equipment are normally designed using convection heat transfer and friction empirical correlations for cross-flow external to the tube banks, which are coupled with thermosyphon internal thermal resistance correlations. However, correlations may not be available for complex geometries and/or when the fluid thermophysical properties are outside the valid range of the cross-flow correlations, as happens with very viscous fluids. Computational fluid dynamic (CFD) tools have shown to be a powerful design tool for this type of equipment. The main difficulty that arises with this approach is to select the appropriate correlations to be used to couple the thermosyphon internal phase change phenomena with the external forced convection over the evaporator and condenser outside walls. In this work, a numerical model for thermal coupling in two-phase thermosyphon heat exchangers is proposed. This methodology couples thermosyphon total thermal resistance model, which is associated with the internal phase change, with the numerical simulation of the external flows. For a comparison purposes, three cases were studied: the first consists of a single thermosyphon, with external cross-flow the second is thermosyphon bundle in cross-flow and, finally, a complete thermosyphon shell and shell heat exchanger. To validate the external convection heat transfer coefficients obtained numerically, they were compared with experimental correlations available from literature. The obtained results show good agreement between the numerical and the semi-analytical models.

Orientador: Roger Josef Zem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-28T20:23:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarconeLopesda_D.pdf: 3389808 bytes, checksum: 03f86427c766d4edebd47932b03610f4 (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: A integração energética de processos é um dos ramo da engenharia química que ganhou grande relevância nos últimos 25 anos, em função da necessidade de se economizar energia nos processos industriais, além de reduzir a emissão de poluentes ao meio ambiente. Esta integração, ocorre através do aproveitamento de energia entre as correntes do processo, levando a síntese de redes de trocadores de calor, para processos novos, ou a modificação de redes existentes que operam de modo ineficiente. Inicialmente, a maior atenção foi dada ao desenvolvimento redes de troca de calor, com um elevado número de trabalhos presentes na literatura, os quais propunham metodologias de projeto de redes. No entanto, pouca atenção foi dada aos processos existentes. Somente em meados dos anos 80 surgiu a primeira publicação sobre a modificação de redes de trocadores de calor, retrofit. O Retrofit de redes consiste no aumento do nível de recuperação de energia em um processo, através da realocação dos trocadores existentes e aumento da área de troca térmica, por meio da alocação de novos trocadores. Entretanto, dois fatores principais são desconsiderados em metodologias estudadas: a distribuição da área de troca térmica da rede existente e a queda de pressão nas correntes... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The study of retrofit procedures for heat exchanger networks hás been subject of numerous research work, due to its importance in inergy-saving policies in chemical processes. Early work focused on the cost (and area) estimation of the additional exchangers required to achieve the new process conditions, without considering the layout of the existing network. Later work moved to a more detailed analysis of the existing exchangers. The main drawback of these methods in that they are restricted to constant heat transfer coefficients, and do not take into account the available pressure drop for new exchangers. In this work, a new procedure for heat exchanger network retrofit is proposed. The procedure takes into account the existing exchanger network and the maximum additional pressure drop allowed for each stream. The new procedure is based on the simultaneous minimization of the additional area, constrained to the available pressure drop and existing exchanges. The network is modeled as a sequence of subnetworks, similar to the traditional 'spaghtti network¿. The spaghetti networks is extended to include both the existing exchangers and the new exchangers, and described as a nonlinear programming problem, where the object function is the additional area (and cost), subject to the maximum pressure drop available for each stream... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T00:49:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258961.pdf: 2510986 bytes, checksum: 4b98a52e36c60dabbbb20ca8511d7dd9 (MD5) / Neste trabalho, analisa-se a utilização de um meio poroso simultaneamente como câmara de combustão e trocador de calor para uma fase líquida. Este conceito permite o desenvolvimento de um aquecedor de água de passagem de alta eficiência térmica. Além de mais compacto, este aquecedor resulta em grande faixa de regulagem de potência a fim de permitir economia de energia e segurança na sua utilização. Este trabalho se divide em duas etapas. Inicialmente, apresenta-se um experimento e analisa-se os resultados obtidos para a combustão em um meio poroso com perda de calor lateral (queimadores não adiabáticos). O material poroso utilizado no experimento foram cerâmicas de zircôniaalumina. O combustível testado foi o gás natural. Então, desenvolve-se um modelo numérico de um aquecedor de água de passagem com queimador poroso, onde foram avaliados parâmetros dimensionais e de operação, com o objetivo de otimizar o protótipo testado. Neste modelo a combustão em meios porosos inertes foi investigada através de uma simulação numérica, bidimensional (axissimétrica) em volumes finitos, utilizando um modelo global para a taxa de reação no interior do meio poroso. Os resultados são comparados com as medições e uma boa reprodução dos dados experimentais é obtida. Os resultados experimentais apontam para uma eficiência de até 75% para baixas potências de operação em razões de equivalência de 0,57 a 0,71. A máxima potência obtida para uma chama estável foi de 11 kW e a máxima energia térmica transferida para a água quente foi de 4,2 kW. O modelo numérico demonstrou que é possível obter um aquecedor mais eficiente reduzindo-se o diâmetro da câmara de combustão e aumentando o seu comprimento. Desta forma pode-se ampliar a área de troca de calor com a água e reduzir a potência específica (potência por área) utilizada para aquecer a água.

Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Paraná, 2002 / Inclui bibliografias / Em 1995 foi apresentado um trabalho no congresso da ABRACO (Cheisa et Alli[2]) que relatou a ocorrência de falhas prematuras nos trocadores alertados, provocadas pela baixa velocidade do fuido de refriamento e a formação de "pitting" generalizado ao longo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:02:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 330923.pdf: 15924447 bytes, checksum: 8e2602b8e23e6952d172e4eec964a159 (MD5) Previous issue date: 2014 / Os trocadores de calor compactos são equipamentos com alta eficiência e capacidade de transferência de calor. Estes equipamentos são amplamente usados na indústria farmacêutica, aplicações espaciais e a indústria automobilística devido a seu reduzido peso, volume e baixo consumo de energia. Os radiadores automobilísticos são considerados trocadores de calor compactos. Em ordem de atingir melhores projetos é necessário desenvolver um equipamento de teste capaz de reproduzir as condições reais de funcionamento. Neste estudo uma bancada experimental para radiadores de caminhão é projetada e fabricada.Todas as etapas de projeto, construção e procedimentos técnicos são apresentadas em detalhe. A bancada experimental consiste em um túnel de vento subsônico de circuito aberto tipo "blower" e um circuito hidráulico acoplado termicamente através da amostra de teste. Curvas com a relação entre a rejeição térmica e a velocidade do vento na área frontal, são apresentadas. Resultados experimentais mostraram que a bancada experimental atingiu as condições reais de operação do radiador de caminhão instalado no motor.<br> / Abstract: Compact heat exchangers are equipment with high performance and heat transfer rate. These devices are widely used in pharmaceutics, space applications and automobile industry due its low weight, small volume and reduced energy consumption. Car radiator is considered like a compact heat exchanger. In order to achieve a better design is needed to develop test equipment to be able to reproduce real conditions of operation. In this study an experimental bench of radiator truck was designed and implemented. All steps of design, construction and technical procedure are presented in detail. Experimental equipment consists in a subsonic open circuit wind tunnel and a hydraulic circuit couple thermally by test sample. Curves with the relation between heat dissipation and wind velocity of frontal area are presented. Experimental data show that the equipment facility achieved reproduced real operation conditions of radiator truck attachment in the engine.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico. Inclui apendice / Made available in DSpace on 2016-01-08T13:37:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 91832.pdf: 2730469 bytes, checksum: 3d4a3e349ad73e7624419d82d069fa4e (MD5) Previous issue date: 1979 / As equações da camada limite, em escoamentos turbulentos incompressíveis bidimensionais, são solucionadas por um método implicito de diferenças finitas. Foram utilizados os conceitos de Viscosidade Turbulenta para a eliminação do termo tensor-de-Reynolds e de uma Difusibilidade Térmica Turbulenta para a eliminacão da média do produto das flutuações de velocidade e de temperatura. Feitas as simplificações próprias da camada limite e substituindo-se as relações do modelo turbulento obteve-se um sistema de três equações diferenciais, não lineares, acopladas em coordenadas curvilíneas. O modelo foi aplicado a três tipos de superficies: plana, concava e convexa. Os resultados, em comparação com dados experimentais, são muito bons.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T21:15:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 105505.pdf: 25136944 bytes, checksum: d05b91e14e98f7142434f858e1d856c7 (MD5) Previous issue date: 1996 / Análise experimental do escoamento do fluído refrigerante HFC-134a, através de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção laterais. Desenvolvimento de um aparato experimental para o levantamento dos dados. Comparação dos resultados experimentais, fluxo de massa e perfis de temperatura, com um modelo numérico disponível na literatura.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-03-04T18:03:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 307726.pdf: 4342097 bytes, checksum: 4f456cdabcf7b81e96a45595a74fb5a9 (MD5) / Os programas governamentais de eficiência energética têm se tornado cada vez mais exigentes quanto à utilização racional e eficiente das fontes de energia, com ações que forçam os fabricantes a desenvolverem produtos de alto desempenho e estimulam os consumidores a adquiri-los. No segmento de refrigeração comercial, responsável por uma significativa parcela do consumo energético nacional, os equipamentos trabalham geralmente com temperaturas de evaporação próximas a -10°C, o que favorece o acúmulo de geada sobre a superfície do evaporador. Dependendo da espessura da camada de geada, observa-se uma drástica redução na taxa de transferência de calor, devida aos efeitos combinados da baixa condutividade térmica da geada e do aumento da perda de carga no lado do ar. Esse último causa um impacto marcante sobre a vazão de ar em circulação. No entanto, a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura despreza tal efeito, independentemente da redução da área de passagem do escoamento de ar. Dessa forma, o presente trabalho se propõe a investigar o impacto da formação de geada sobre a capacidade de refrigeração de sistemas comerciais, considerando o acoplamento hidrodinâmico do par evaporador-ventilador. Um aparato experimental capaz de controlar as principais variáveis envolvidas no fenômeno foi construído para obtenção de uma base de dados experimental. Adicionalmente, empregando os princípios de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, desenvolveu-se um modelo matemático para simular o crescimento da camada de geada sobre a superfície do evaporador considerando o acoplamento existente entre o ventilador e o evaporador. A base de dados foi empregada para obtenção de uma correlação inédita para a densidade da geada. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com a base de dados, permanecendo dentro da faixa de incerteza das medições. Verifica-se que a elevação do grau de super-resfriamento provoca o aumento da taxa de transferência de massa e a redução da densidade da geada, resultando em uma camada de geada mais espessa. Foram observadas reduções de até 40% na taxa de transferência de calor devido à formação de geada. Adicionalmente, verificou-se que o ventilador e o evaporador devem ser projetados de forma acoplada a fim de manter a capacidade de refrigeração durante um maior período de tempo. / This study presents a numerical and experimental analysis of the thermal-hydraulic performance of tube-fin evaporators for light commercial refrigeration systems under frosting conditions. Since such a kind of appliance is generally designed with air curtains or subjected to frequent door opening, a certain amount of the ambient air infiltrates into the refrigerated space. This promotes the growth of a frost layer on the evaporator surface, which may completely block the gap between the fins if a proper defrost operation does not take place. The frost layer reduces the system cooling capacity by adding an extra thermal resistance to the evaporator tubes and also by reducing the fan-supplied air flow rate. In this study, a closed-loop wind tunnel was used to measure the thermal performance of tube-fin evaporators with different geometries. The air temperature and humidity at the inlet of the evaporator were controlled by the wind tunnel system, while a secondary refrigeration loop was used to set the evaporator surface temperature. The air flow rate was controlled by a variable-speed fan which emulates the real fan behavior. Moreover, frost thickness measurements were also carried out by using a digital camera equipped with zoom lens. The numerical results were compared with the experimental accumulated mass of frost, air pressure drop, air flow rate and cooling capacity, with all the predictions falling within the experimental band of uncertainties. Based on this comparison, a new correlation for the frost density was developed to be specifically applied to light commercial refrigeration products. The results show evaporator cooling capacity reductions up to 40% due to frost formation process. It was observed that the effect of the reduction of the air flow rate on the evaporator cooling capacity surpasses that of the extra thermal insulation of the frost layer. Furthermore, it was observed that, after a reasonable amount of frost has been grown, the louvered-fin evaporator showed a 10% lower cooling capacity when compared to the wavy-fin evaporator with the same fin pitch. These results indicate that under frosting conditions the pair fan-evaporator must be designed as a coupled system, in order to maintain the original refrigeration capacity for longer periods, increasing the time between successive defrosting processes and, therefore, improving the thermal performance of the entire system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339933.pdf: 3854618 bytes, checksum: 5177cc8f9b92de23f00e866b636562ff (MD5) Previous issue date: 2016 / O avanço tecnológico das aeronaves resultou na necessidade de controle térmico de componentes eletroeletrônicos. Trocadores de calor passivos são uma excelente alternativa de refrigeração dos equipamentos, pois oferecem elevada eficiência e confiabilidade. Uma solução em desenvolvimento é o uso de trocadores de calor passivos que podem ser conectados em série por um acoplamento cônico. Nesse contexto, é necessária uma interface com elevada condutância térmica e a geometria cônica, a qual favorece o contato, é o objetivo do estudo. Um aparato experimental foi usado para testar juntas cônicas de cobre a pressão atmosférica e em ambiente de vácuo, reproduzindo o contato entre condensador de termossifão (macho) e o evaporador de termossifão em circuito (fêmea). Desse modo, foram avaliadas tanto a transferência de calor apenas pelo contato metal-metal, como também a influência do fluido intersticial na folga da interface. Os resultados mostram que as juntas cônicas são muito afetadas pelas irregularidades do processo de fabricação e que os desvios da forma ideal provocados por discrepâncias do ângulo cônico são determinantes para a transferência de calor através delas. Além disso, foi observado o efeito de histerese da condutância térmica em consequência do alívio da pressão axial aplicada nas juntas, o que agrega em segurança em aplicações aeronáuticas. Também foi constatado que o fluido intersticial de alta condutividade térmica (pasta térmica) é uma alternativa viável para se conseguir maiores taxas de transferência de calor, com ganhos superiores a 290% quando comparadas as juntas sem fluido intersticial.<br> / Abstract: Technological advances in aeronautics resulted in the need for thermal control of several electronic components. Passive heat exchangers are an excellent solution for electronics cooling because they have high efficiency and reliability. One solution being developed consists of passive heat exchangers connected in series by a conical joint. Therefore, a high thermal conductance interface is necessary and the conical geometry, which improves the contact, is the objective of this research. An experimental set-up was employed to test copper prototypes of conical joints under ambient pressure and under vacuum conditions, simulating the contact between thermosyphon condenser (male) and a loop thermosyphon evaporator (female). Thus, metal to metal contact heat conduction and the influence of interstitial fluid in the gap were evaluated. The results showed that conical joints have irregularities due to manufacturing process, including waviness and form deviation caused by conical angle discrepancy, which are determinant to heat transfer. The thermal conductance hysteresis effect, as a result of axial pressure release, was also observed. This effect shown to be beneficial for safety in aeronautical purposes. It was also observed that an interstitial fluid with high thermal conductivity, such as a thermal paste, is a good option in order to obtain higher heat transfer rates, surpassing 290% comparing to no interstitial fluid.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-10-19T12:48:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339488.pdf: 5782017 bytes, checksum: 5e79c00c16df6f2cc53af0b567213f0d (MD5) Previous issue date: 2015 / Relatórios da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (National Aeronautics and Space Administration - NASA) e da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA) indicam um aumento constante da temperatura média da superfície da Terra, reforçando o consenso de que a principal causa do aquecimento global é antropogênica. Por essa razão, vários fabricantes de sistemas de refrigeração têm buscado soluções de projeto que protejam o meio ambiente sem aumento de custo. Como alternativa pode-se citar os fluidos refrigerantes naturais, dentre os quais se destaca o CO2 por não ser tóxico e inflamável e possuir um baixo potencial de aquecimento global (Global Warming Potential - GWP). No entanto, tal refrigerante exige modificações no ciclo de refrigeração, como forma de evitar perdas de performance. O foco deste trabalho reside no estudo sobre a utilização de compressores de duplo estágio e de capacidade variável em sistemas de CO2 para o setor de refrigeração comercial leve. Para tanto, adaptou-se um aparato experimental já existente, instalando um compressor rotativo de duplo estágio e de velocidade variável com resfriamento entre estágios. Nos testes com trocador de calor interno (internal heat exchanger - iHX), observou-se que existe um superaquecimento mínimo, dependente da efetividade do trocador de calor interno, abaixo do qual a operação do sistema torna-se instável. Ao controlar o superaquecimento através de uma válvula de expansão, observou-se que o trocador de calor interno eleva o coeficiente de performance (COP) em 12,9%, 16,0% e 17,2%, respectivamente, nas frequências de 45, 60 e 75 Hz, em relação ao ciclo sem trocador de calor interno. Uma outra solução explorada para evitar os problemas de instabilidade foi manter um dispositivo de expansão fixo, dimensionado para a frequência de 45 Hz. Observou-se, no entanto, que essa solução reduz o COP em até 15,5% em frequências mais elevadas quando comparado à arquitetura sem trocador de calor interno. Explorou-se também um ciclo com trocador de calor interno, controle de pressão de descarga e separador de líquido com injeção de vapor saturado entre os estágios de compressão. Essa arquitetura de ciclo proporcionou um aumento do COP, quando comparado ao ciclo de referência de 15,5%, 18,4%, e 18,1% nas frequências de 45, 60 e 75 Hz, respectivamente. Deve-se ressaltar, no entanto, que essa solução aumenta consideravelmente os custos e a complexidade do sistema.<br> / Abstract: Reports from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA) indicated a constant increase in the Earth's average surface temperature, thus corroborating the consensus that the main cause for the global warming is anthropogenic. For this reason, several refrigeration system manufacturers have been searching for project-oriented solutions that protect the environment without increasing costs. Possible alternatives include natural refrigerants, from which CO2 stands out for being non-toxic, non-flammable and presenting a low global warming potential (GWP). However, carbon dioxide requires modifications to the refrigeration cycle in order to avoid performance losses. The present work focuses on investigating the use of two-stage variable capacity compressors in CO2-based refrigerating systems for the light commercial refrigeration sector. To this extent a previously built experimental apparatus was adapted and a rotary two-stage variable speed compressor with intercooler was installed. Tests with an internal heat exchanger (iHX) showed the existence of a minimal superheating, dependent of the internal heat exchanger?s effectiveness, bellow which the system?s operation becomes unstable. When controlling the superheating through the use of an expansion valve it was observed that the internal heat exchanger increases the coefficient of performance (COP) by 12.9%, 16.0%, and 17.2%, respectively, in the frequencies of 45, 60 and 75 Hz, in relation to the cycle without internal heat exchanger. A solution investigated to prevent instability problems was the use of a fixed restriction expansion device, selected for the lower frequency of 45 Hz. It was observed, however, that this solution reduces the COP by up to 15.5% with higher frequencies when compared to an architecture without iHX. A cycle with internal heat exchanger, discharge pressure control and liquid separator with the injection of saturated vapor between compression stages was also studied. This cycle architecture provided gains in COP, when compared to the default cycle, of 15.5%, 18.4% and 18.1% in the frequencies of 45, 60 and 75 Hz, respectively. It's important to note, however, that this solution increases considerably the system's cost and complexity.