Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:24:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329019.pdf: 9257590 bytes, checksum: 081e4df4c1baf4b4b76dcc51c4aabda2 (MD5) Previous issue date: 2014 / Esta dissertação apresenta um estudo sobre a influência dos dispositivos de ação variável de um sistema de refrigeração de duplo-evaporador. Os dispositivos de ação variável deste sistema são o compressor de velocidade variável, uma válvula de distribuição entre os evaporadores e as válvulas de expansão variável. Foi construído um protótipo do sistema de duplo-evaporador. Foram desenvolvidas três técnicas (monovariável PI, multivariável LQG e monovariável por modos deslizantes para a válvula de distribuição) para controlar as temperaturas do congelador e do refrigerador através da velocidade do compressor e da fração de operação da válvula de distribuição. A análise dos resultados obtidos com estas técnicas indica que uma estratégia de controle chaveado para a velocidade do compressor e fração de operação da válvula de distribuição pode levar o sistema a operar com maior eficiência energética em regime permanente e a responder mais rapidamente à perturbações de carga. Com base nestas conclusões, foi desenvolvida uma metodologia para o projeto de uma lei de chaveamento baseada em múltiplas funções de Lyapunov com custo garantido das variáveis de saída do sistema. Esta lei de chaveamento foi aplicada, com limitação da frequência de chaveamento, ao protótipo do sistema. Para evitar uma grande limitação da frequência de chaveamento, os sinais aplicados aos atuadores foram definidos como a média dos últimos seis sinais de controle calculados pela lei de chaveamento. Foi verificado que um projeto adequado do custo garantido das variáveis de saída permite o sistema chaveado operar melhor com a limitação da frequência de chaveamento. O controle chaveado projetado garantiu o seguimento de referência das saídas do sistema e uma resposta mais rápida, do que a obtida pelas outras técnicas de controle, para as perturbações de carga, porém não levou o sistema a obter menor consumo de energia. A influência das válvulas de expansão foi analisada em regime permanente e em regime transitório. Os resultados obtidos permitem concluir que tubos capilares bem dimensionados podem substituir o uso de válvulas de expansão sem grande penalização do desempenho do sistema.<br> / Abstract : This master thesis presents a study on the in uence of the variable action devices of a dual-evaporator refrigeration system. The variable action devices of this system are the variable speed compressor, the distribution valve between the evaporators and the variable expansion valves. It was built a dual-evaporator prototype system. It was developed three techniques (single variable PI, multi variable LQG and single variable sliding mode to distribution valve) to control the freezer and fresh-food temperatures by the speed compressor and operation fraction of the distribution valve. The results analysis indicates that a switched control strategy to the speed compressor and operation fraction of the distribution valve can drive the system to operate with better energetic efficiency in steady state and to respond faster to load disturbances. Based on these statements, it was developed a methodology to design a switching rule based on multiple Lyapunov functions with guaranteed cost of the output system variables. This switching rule was applied with frequency limitation to the prototype system. In order to avoid a big switching frequency limitation, the applied signals on actuators were defined as the medium of the last six control signals calculated by the switching rule. It was verified that a suitable design of the guaranteed cost of the output system variables allows the system deals better with the switching frequency limitation. The switched control designed ensure the reference tracking by the output system variables and a faster response to load disturbances than the ones obtained by another control techniques, however it did not drive the system to a lower energy consumption. The expansion valves in uence was studied in steady state and in transient response. The obtained results showed that well designed capillary tubes can substitute the expansion valves without considerable system performance penalty.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:16:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332232.pdf: 4670852 bytes, checksum: 2acf3ed4c74d85482db5c788470903e9 (MD5) Previous issue date: 2014 / Escoamentos bifásicos em singularidades (válvulas, orifícios ou tubos de Venturi) são encontrados em diversas aplicações de engenharia. Exemplos industriais de escoamentos bifásicos com a presença da cavitação (flashing) em dispositivos de expansão podem ser encontrados em usinas geotérmicas (bocais), sistemas emergenciais (válvulas de alívio), sistemas de refrigeração (válvulas, tubos curtos e tubos capilares) e dispositivos de medição de vazão (tubos de Venturi). Um aparato experimental foi projetado e construído a fim de estudar os escoamentos bifásicos de misturas binárias com mudança de fase por cavitação em um bocal convergente-divergente (tubo de Venturi). Discute-se a influência do fluxo mássico da mistura, da concentração mássica do componente volátil na fase líquida e do grau de sobrepressão (subsaturação) na entrada da seção de teste sobre as distribuições de pressão estática e temperatura ao longo da seção de teste. A utilização de uma seção de teste transparente permitiu a observação visual, tanto da mudança de fase líquido-vapor como do escoamento bifásico, por meio de imagens capturadas a alta velocidade. O método de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) possibilitou a avaliação quantitativa dos campos de velocidades e das taxas de dissipação viscosas dos escoamentos. Resultados experimentais obtidos para as misturas de R-134a (componente volátil) e óleo lubrificante POE ISO 10 (componente não-volátil) mostraram que a viscosidade da fase líquida tem um efeito significativo sobre a queda de pressão na garganta e sobre a recuperação de pressão na seção divergente, sendo esta última inversamente proporcional à concentração de refrigerante na fase líquida. A análise visual da cavitação de bolhas no bocal convergente-divergente revelou que a ocorrência do escoamento bifásico na garganta e a jusante dela é bastante sensível a mudanças nas condições do escoamento. As bolhas de vapor presentes no escoamento atuaram, juntamente com a rodamina B, como partículas rastreadoras para o PIV. Verificou-se que à medida que a concentração mássica aumenta, os níveis de velocidade na região da garganta diminuem. Os resultados experimentais obtidos pelo método PIV permitiram concluir que a taxa de dissipação viscosa é alterada majoritariamente pela viscosidade da mistura.<br> / Abstract: Flows through singularities (e.g., valves, orifices or Venturi tubes) are encountered in several engineering applications. Industrial examples of two-phase flashing flows in expansion devices can be found in geothermal power plants (nozzles), emergency systems (safety relief valves), refrigeration systems (valves, short tubes and capillary tubes) and flow metering devices (Venturi tubes). An experimental facility was designed and constructed in order to study two-phase flashing flows of binary mixtures in a converging-diverging nozzle (Venturi tube). The effects of mass flux, concentration of the volatile component in the liquid phase and inlet sub-saturation (over pressure) on the axial distributions of static pressure and temperature is discussed. A transparent test section enabled visual observation of the two-phase flow in the Venturi by means of high-speed visualization (HSV) and quantitative assessments of the velocity field and the viscosity dissipation rates by means of a particle image velocimetry (PIV) method. Experimental results generated for mixtures of R-134a (volatile component) and POE ISO 10 lubricating oil (non-volatile component) showed that the liquid phase viscosity has a significant effect on both the throat pressure drop and pressure recovery in the diverging section, with the latter being directly proportional to the refrigerant concentration in the liquid phase. Visual analysis of bubble cavitation in the converging-diverging nozzle revealed that the occurrence of two-phase flow in the throat and downstream of it is quite sensitive to changes in the conditions of the flow. R-134a vapor bubbles and rhodamine B acted as PIV tracking particles. PIV analysis showed that as refrigerant concentration increases, Venturi throat velocity levels decreases. Viscosity dissipation rates are mainly altered by the mixture viscosity.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-09-29T04:01:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 334809.pdf: 6984823 bytes, checksum: 0516e164b0285d3d90e738a15c8c27ff (MD5) Previous issue date: 2014 / Na maioria dos refrigeradores domésticos o ar quente e úmido proveniente do gabinete é misturado com o ar frio e seco proveniente do freezer e depois resfriado e desumidificado no evaporador. À medida que o ar é desumidificado, uma camada de geada se deposita sobre a superfície fria do trocador de calor. Essa camada precisa ser removida para evitar a queda do desempenho do sistema e por este motivo resistências de degelo são tipicamente utilizadas. Durante o processo de degelo, água escoa através de um dreno e é recolhida em uma bandeja instalada nas proximidades do compressor. Essa água é eliminada pela ação do calor proveniente da carcaça do compressor. Entretanto, em ambientes de umidade relativa elevada, a formação excessiva de geada associada à baixa taxa de evaporação pode levar ao transbordamento da bandeja de degelo, o que é inaceitável para os usuários e um desafio para os fabricantes de refrigeradores. O uso de compressores de alta eficiência que operam com temperaturas de carcaça mais baixas pode agravar ainda mais esse problema. Por esse motivo, este trabalho se propõe a analisar os processos de transferência de calor e massa que ocorrem em bandejas de degelo. Para tanto, a influência das condições ambientes e operacionais sobre a taxa de evaporação foi avaliada através de uma bancada de testes especialmente desenvolvida para essa finalidade. No total, foram realizados 37 experimentos obtendo-se taxas médias de evaporação entre 3 e 37 g/h. Observou-se que com a utilização de uma bandeja do tipo membrana, a temperatura média do compressor foi reduzida em até 11,6ºC e a taxa média de evaporação aumentada em até 109,5%. Um modelo matemático de natureza semi-empírica foi também desenvolvido para prever simultaneamente a temperatura da carcaça do compressor e a taxa média de evaporação. Os resultados numéricos foram comparados com a base de dados experimentais onde 85% das previsões do modelo para a taxa média de evaporação se mantiveram dentro de uma faixa de erro de ±15%. Além disso, observou-se que as temperaturas características do compressor e da água foram previstas respectivamente com um erro médio quadrático máximo de aproximadamente 3,2ºC e 1,6ºC.<br> / Abstract : In most of modern household refrigerators warm humid air from the fresh food compartment and cold and dry air from freezer compartment are both cooled and dehumidified in the evaporator. As the air is dehumidified, frost accumulation takes place on the cold evaporator surfaces. This layer must be removed to avoid the depletion of the system performance and to this end, defrost heaters are periodically used. During the defrost process, water drains through a pipe into a drip pan which is usually installed at the vicinity of the compressor. This water is eliminated due to the heat transferred from the hot compressor shell. However, in high relative humidity areas, an excessive frost formation associated with a lower evaporation rate can lead to water overflow, which is an unacceptable problem from the viewpoint of users and therefore it poses a challenge for most of refrigerator manufacturers. High efficient compressors with low shell temperature may worsen this condition. For this reason, this study outlines a theoretical and experimental analysis of the heat and mass transfer process that take place during water evaporation from compressor water trays. The influence of both operating and environmental conditions on water evaporation was experimentally evaluated using a purpose built testing facility. In total, 37 experiments were carried out with the water evaporation rate spanning from 3 to 37 g/h. It was found that the compressor shell temperature was up to 11.6ºC lower and the average water evaporation rate was up to 109.5% higher in the membrane tray design. A semi-empirical dynamic simulation model was put forward to predict both the compressor shell temperature and the water evaporation rate simultaneously. The numerical results were compared with its experimental counterparts with over 85% of the model predictions for the average evaporation rate within a 15% error band. It was also found that the water and compressor shell temperatures were predicted with maximum root mean square errors of approximately 1.6ºC and 3.2ºC, respectively.

SILVA, O. C. Sistema de refrigeração por tubos de Ranque-Hilsch com abastecimento de instalação de ar comprimido para alimentação com fonte solar fotovoltaica. 2014. 87 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-03-05T12:22:23Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_ocsilva.pdf: 2326044 bytes, checksum: b5dcdc6bd24026f63299649c508a1fb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-03-24T11:31:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_ocsilva.pdf: 2326044 bytes, checksum: b5dcdc6bd24026f63299649c508a1fb5 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-24T11:31:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_ocsilva.pdf: 2326044 bytes, checksum: b5dcdc6bd24026f63299649c508a1fb5 (MD5) Previous issue date: 2014-08-28 / The search for new refrigeration systems has become the target of various researchers. Their goal is to reduce the environment impacts resulting from the destruction of the ozone layer and the greenhouse effects that harm life in the planet Earth. Vapor-compression refrigeration systems represent a big fraction of the world energy consumption in houses and commercial stores (between 20 to 25%) and these systems usually run during the day, when the energy demand and the prices are higher. Refrigeration systems are necessary to today’s human activities, such as food and medicament conservation, air conditioning, etc. Photovoltaic systems are reliable energy sources and they can operate separately from the distribution energy grid. For these reasons, there is an increase in the use of refrigeration systems powered by solar photovoltaic panels in rural areas. Ranque-Hilsch tubes or vorticity tubes are commonly used for low cost local refrigeration, where compressed air is available. In this study, a vortex tube was designed, tested, and optimized to operate at pressure levels lower than the conventional values. The purpose is to allow its operation by a compressor system powered by solar photovoltaic panels and, therefore, its installation in locations where there is no electrical grid. In the experimental measurements, temperatures below the water freezing point were reached due to the combination of a number of tube parameters. These low temperature values support the use of the vortex tube in air cooling applications in a more efficient and rational energy use, particularly in remote locations, and can contribute to the solution of the energy demand and environmental problems. / A busca por novos sistemas de refrigeração vem se tornando o alvo de estudo de diversos pesquisadores, com o objetivo de diminuir impactos ambientais referentes à destruição da camada de ozônio e efeito estufa que trazem consigo diversos malefícios à vida no planeta. Sistemas de refrigeração convencionais respondem por boa parte do consumo de energia elétrica de uma residência ou uma empresa (de 20 ou até 25%), e são normalmente ligados durante o dia , quando a demanda é maior e as tarifas mais caras. Dispositivos de refrigeração são indispensáveis nas atividades humanas, como conservação de alimentos, medicamentos, etc. Sistemas fotovoltaicos são fontes de energia elétrica confiáveis e independentes. Por essas razões, atualmente, há um aumento no uso de sistemas de refrigeração acionados por energia solar fotovoltaica nas zonas rurais. Tubos de Ranque-Hilsch ou tubos de vórtice são geralmente utilizados para refrigeração local de baixo custo, onde há a disponibilidade de ar comprimido. Nesse trabalho, um tubo de vórtice foi concebido, testado e otimizado para operação em pressões inferiores às convencionais, de modo a ser alimentado por um compressor acionado por módulos fotovoltaicos, suprindo as necessidades de esfriamento em localidades desprovidas de energia elétrica. Nas medições experimentais, foram obtidas temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água por meio da combinação de certos parâmetros, possibilitando a esse sistema de climatização ser utilizado de maneira eficiente e racional em localidades remotas, podendo contribuir para a solução da questão energética e ambiental da sociedade.

ARAÚJO, M. E. Validação experimental de um resfriador de água operando em ciclo de adsorção com aquecimento solar indireto. 2009. 73 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-03-21T16:31:16Z No. of bitstreams: 1 2009_dis_mearaujo.pdf: 2555472 bytes, checksum: 526335cdb6dd3c8f1273e0b7c94f4b3e (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2016-03-31T17:06:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_dis_mearaujo.pdf: 2555472 bytes, checksum: 526335cdb6dd3c8f1273e0b7c94f4b3e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-31T17:06:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_dis_mearaujo.pdf: 2555472 bytes, checksum: 526335cdb6dd3c8f1273e0b7c94f4b3e (MD5) Previous issue date: 2009-05-29 / This work presents the experimental validation of a new adsorption solar refrigeration with indirect heating. The components of the refrigerator are: an adsorber, a condenser, an evaporator, and a solar collector. The choice of the adsorbate / adsorbent pair, water and silica gel type RD, respectively, took into consideration the temperatures reached by the solar collectors and available for the desorption of the refrigerant fluid (water) from the cavities of the adsorbent material (a porous solid). Due to the co-existence of the heating and cooling phases in the adsorber, a specific geometry for this component was defined so as to allow a good heat dissipation in the adsorbent material in the cooling phase, and the conservation of thermal energy in the heating phase. The experimental results validate the operation of the refrigerator, as temperature valves of 140ºC at the inlet of the adsorber, of 80ºC in the adsorber bed, and of 4,4ºC in the evaporator were reached, allowing its application in air conditioning systems / Apresenta a validação experimental de um novo refrigerador solar por adsorção com aquecimento indireto. Os componentes do refrigerador são: adsorvedor, condensador, evaporador e coletor solar. A escolha do par adsorbato / adsorvente, água e sílica gel tipo RD, respectivamente, levou em consideração as temperaturas alcançadas pelos coletores e disponíveis para a dessorção do fluído refrigerante (água) das cavidades do material adsorvente (sólido poroso). Devido à coexistência das etapas de aquecimento e resfriamento no adsorvedor, foi definida uma geometria para este componente capaz de permitir uma melhor dissipação de calor no material adsorvente na fase de resfriamento, e a conservação de energia térmica durante a fase de aquecimento. Os resultados experimentais comprovaram o funcionamento do refrigerador, visto que foram atingidas temperaturas de 140ºC na entrada do adsorvedor, 80ºC no leito adsortivo e de 4,4ºC no evaporador, possibilitando sua aplicação em sistemas de condicionamento de ar

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-05-23T04:25:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345604.pdf: 5140316 bytes, checksum: c4c7f5e22ef93a373e44db9002e3759d (MD5) Previous issue date: 2016 / O projeto de compressores herméticos de refrigeração busca atender altos níveis de eficiência e confiabilidade. Para alcançar esses objetivos,deve-se compreender os fenômenos físicos que ocorrem no interior do compressor e as suas interações. Nesse sentido, o desenvolvimento de modelos de simulação que considerem o efeito combinado desses fenômenos é de fundamental importância, permitindo análises sem o alto custo associado à investigação experimental. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver modelos integrados para a simulação de compressores alternativos herméticos, considerando o acoplamento de três modelos específicos: modelo termodinâmico para a solução do ciclo de compressão, modelo térmico para a previsão da temperatura dos componentes do compressor e modelo elétrico para a determinação do desempenho do motor de indução. Duas abordagens são propostas para a modelagem térmica do motor. Uma delas segue a formulação integral da equação da conservação da energia aplicada ao motor, representando-o por um único valor de temperatura. A outra considera uma abordagem de parâmetros concentrados, dividindo o motor em três componentes (rotor, enrolamentos e núcleo do estator) que interagem termicamente entre si e com os demais componentes do compressor. Dois modelos elétricos foram avaliados para o motor, um baseado no conceito de circuito equivalente e o outro em circuitos magneticamente acoplados. Após serem validados com o auxílio de dados experimentais, os modelos integrados formados pela combinação dos diferentes modelos térmicos e elétricos foram utilizados em análises do efeito de condições de operação e parâmetros construtivos do motor sobre a temperatura do motor e a eficiência do compressor. Os resultados indicam que o modelo térmico de parâmetros concentrados é necessário nas análises do efeito de modificações das dimensões do motor, geralmente caracterizado por um aquecimento não uniforme de seus componentes. Por outro lado, o modelo térmico integral é suficiente em análises térmicas associadas à variação da tensão de alimentação e da capacitância do capacitor permanente. Observou-seque a capacitância e o comprimento do pacote de lâminas do motor afetam sensivelmente a eficiência isentrópica e, em menor proporção, a eficiência volumétrica do compressor.<br> / Abstract : The design of hermetic compressors adopted in refrigeration systems must meet high levels of efficiency and reliability. In order to achieve such goals, it is necessary to understand the physical phenomena that take place inside the compressor and their interaction with each other. In this respect, the development of simulation models that consider the coupling between such phenomena is of great importance, allowing analyses much less expensive than through experiments. The main objective of this work is to develop integrated models for the simulation of hermetic reciprocating compressors by coupling three specific models: a thermodynamic model to solve the compression cycle, a thermal model to predict the temperatures of the compressor components and an electrical model to determine the performance of the induction motor. Two approaches are proposed for the thermal modeling of the electrical motor. One of them is based on an integral formulation of the energy equation, providing a single temperature for the motor. The other approach considers a lumped parameter formulation in which the electrical motor is divided into three components (rotor, stator windings and stator core) that interact with each other and the compressor components. Two modeling alternatives were assessed for the induction motor. The first follows the equivalent circuit method and the second is based on magnetically coupled circuits. After being validated via comparisons with measurements, the integrated models formed by the combination of the thermal models and motor models are used to analyze the effects of the compressor operating conditions and motor constructive parameters on the motor temperature and compressor efficiency. The results showed that the lumped parameter thermal model is necessary to analyze the effect of modifications of the motor dimensions, which usually brings about nonuniform heating of the electrical motor. On the other hand, the thermal model based on the integral formulation is sufficiently accurate for thermal analyses associated with the variation of the input voltage and permanent capacitor capacitance. It was found the variation of the capacitance and the motor active length affects considerably the isentropic efficiency, and to a lesser extent the volumetric efficiency.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-07-18T04:15:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 346241.pdf: 27252424 bytes, checksum: d645368da3eb9f1d262c09c714c837b3 (MD5) Previous issue date: 2017 / Um novo sistema de trocador de calor (HES) foi avaliado experimentalmente em solo e em voo objetivando o resfriamento passivo de sistemas aviônicos. O protótipo de trocador de calor consiste em dois condensadores, conectados a um mesmo evaporador através de dois loop-termossifões em paralelo. O fluxo de ar externo à fuselagem da aeronave e o sistema de ar condicionado servem como sumidouros de calor. Um tubo de calor e quatro termossifões foram empregados como elementos intermediários de transferência de calor (IHTEs) entre fontes de calor e o evaporador do trocador de calor. Os parâmetros de projeto dos IHTEs tais como razão de enchimento, ângulo de inclinação, razão de aspecto e geometria dos condensadores (contato entre condensador do IHTE e evaporador do HES) foram avaliados. Água foi utilizada como fluido de trabalho. Os protótipos HES e IHTEs foram qualificados para voo após avaliações térmicas em laboratório e testes de cumprimento de requisitos. Os testes foram executados em números de Mach de até 0,78 e em altitudes de até 12 km, correspondendo à temperatura estática do ar de -56 ºC. Em condições de voo em cruzeiro, o HES é capaz de dissipar 900 W mantendo temperaturas de vapor abaixo dos valores típicos para operação de aviônicos; e.g. 70 à 100 ºC. Demonstra-se a capacidade de funcionamento dos termossifões mesmo em condições de congelamento do fluido de trabalho. O fenômeno de geyser boiling eventualmente promove intensas vibrações no evaporador do trocador de calor. Mudanças térmicas nos sumidouros de calor afetam fracamente os IHTEs. Tubo de calor e termossifões com 0,7 m de comprimento podem dissipar 120 W e 500 W, respectivamente. Convecção forçada pode ser uma alternativa onde condução de calor entre aviônicos e evaporadores dos IHTEs não é possível. Condensadores cônicos e cilíndricos dos IHTEs demonstram ser possíveis geometrias para o acoplamento térmico entre condensadores de IHTE e evaporador do HES.<br> / Abstract : A novel design for a heat exchanger system (HES) was experimentally evaluated on ground and in-flight conditions aiming the passive cooling of avionics systems. The heat exchanger prototype consists of two condensers, linked to one shared evaporator by two parallel loop-thermosyphons. The air stream on the external side of the fuselage and the air conditioning system served as heat sinks. A heat pipe and four thermosyphons were employed as intermediary heat transfer elements (IHTEs) between heat sources and the HES evaporator. The IHTE design parameters such as filling ratio, inclination angle, aspect ratio and coupling geometries (contact between condenser of IHTE and evaporator of HES) were evaluated. Water was applied as the working fluid. The HES and IHTEs prototypes were qualified for flight after thermal assessments in laboratory and constrained acceptance tests. The tests were conducted at flight Mach numbers up to 0.78 and at altitudes of up to 12 km, corresponding to air static temperatures of -56 ºC. Under cruise flight conditions, the HES is able to dissipate 900 W maintaining vapor temperatures below typical working values for avionics; e.g. 70 to 100 ºC. Efficient performance of thermosyphon was also shown in freezing conditions of the working fluid. Geyser boiling phenomenon eventually yields intense vibrations at the HES evaporator. Thermal changes in the heat sinks hardly affect IHTEs. Heat pipe and thermosyphons with 0.7 m length can dissipate 120 W and 500 W, respectively. Forced convection can be an alternative where heat conduction between avionics and IHTE evaporators is not possible. Conical and cylindrical IHTEs condensers were demonstrated as possible fitting geometries for thermal couplings.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-12-29T03:02:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336507.pdf: 5592864 bytes, checksum: dcd0d91861e140f4ca4a6b1825001ac9 (MD5) Previous issue date: 2014 / A demanda por sistemas de refrigeração compactos tem se tornado cada vez mais incisiva e com isso aumenta o número de componentes especiais para este tipo de aplicação, chamada de meso-sistema de refrigeração. Tanto para aumentar a eficiência dos sistemas em miniatura quanto para atender a demanda por sistema de capacidade variável o dispositivo de expansão aplicado a este tipo de sistema deve ser muito bem dimensionado e selecionado. O Objetivo deste trabalho é estudar a expansão de HFC-134a através de diferentes tipos de dispositivos de expansão, o capilar convencional e o capilar pulsante, buscando entender os fenômenos físicos por trás de tal aplicação e fornecer modelos matemáticos que possam atender a esta demanda e auxiliar no dimensionamento de meso-sistemas. Para tanto um aparato experimental foi projetado e construido com a finalidade de reproduzir um meso-sistema de refrigeração operando em diferentes condições de operação e onde as principais variávels de interesse são monitoradas para posterior análise. Tal análise experimental é feita através do projeto fatorial dos experimentos. A primeira parte do trabalho contempla a aplicação de capilares de diâmetro reduzido para atender as especificações de operação. Fica clara a relevância do diâmetro interno em relação a vazão mássica. Os modelos trabalhados prevêem em média as vazões mássicas com mais de 90 % dos dados entre ± 10% e RMS de 6%. Ainda nesta etapa são realizados testes com ingestão de vapor pelo capilar, ilustrando quão sensível é o sistema a tal condição. Na segunda parte do trabalho o estudo é focado em capilares pulsantes, onde uma associação de válvula PWM, uma câmara intermediária e um capilar formam o conjunto de expansão pulsante. Os resultados experimentais mostram que o fator mais relevante para tal aplicação é a fração de abertura da válvula e que variando este parâmetro e dimensionando adequadamente o diâmetro e comprimento do capilar associado é possível ter uma ampla faixa de controle de capacidade. Os modelos propostos nesse caso tem maior dificuldade para capturar a física do escoamento e por isso apresentam dispersão da ordem de ± 30% para a vazão e superestimam as pressões no interior da câmara intermediária.<br> / Abstract : The demand for compact refrigeration systems has become increasingly more effective and thus increases the number of special components for this type of application, called meso- cooling system. Both to increase the efficiency of miniature systems as to meet the demand for the variable system capacity expansion device applied to this type of system should be carefully sized and selected. The goal of this work is to study the expansion of HFC - 134a through different types of expansion devices , a conventional capillary tube and a pulsating capillary tube , seeking to understand the physical phenomena behind such application and provide mathematical models that can help on the project of meso- scale systems . For such an experimental apparatus was designed and constructed for the purpose of playing a meso - cooling system operating at different operating conditions and where the main variables of interest are monitored for further analysis. Such experimental analysis is done using factorial design of experiments The first part of the work describes the application of small diameter capillaries tubes to meet the specifications of operation. It is clear the relevance of the internal diameter than the mass flow . The models predict mass flow rate of more than 90 % of the data between ±10% and ± 6% RMS. This stage intake tests with steam are performed by capillary illustrating how sensitive is the system to such a condition . In the second part of the study is focused on pulsating capillaries , where a combination of PWM valve, an intermediate chamber and a capillary form the set of pulsed expansion. Experimental results show that the most relevant factor for this application is the fraction of valve opening and that varying this parameter and properly sizing the diameter and length of the associated capillary is possible to have a wide range of capacity control . The proposed models have greater difficulty to capture the flow physics and therefore present dispersion of ± 30 % for flow and overestimate the pressures inside the intermediate chamber.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-26T10:26:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 310137.pdf: 20958033 bytes, checksum: cfc7bda6b292668cc3bf64c18ed83427 (MD5) / O fenômeno do aquecimento global tem incentivado as pesquisas em sistemas eficientes e que não agridam o meio ambiente, com intuito de reduzir substancialmente as emissões de gases que contribuem ao efeito estufa. Devido ao potencial impacto na atmosfera dos fluidos refrigerantes sintéticos, comumente utilizados nos sistemas de refrigeração e ar condicionado, os refrigerantes denominados de naturais têm ganhado espaço, principalmente devido a sua estabilidade e abundância. Os sistemas de refrigeração por ejetor datam de 1901. Entretanto, sua aplicação tem sido reduzida devido à robustez dos equipamentos e sua baixa eficiência. Nos últimos anos, contudo, tem-se constatado uma grande quantidade de pesquisas que visam a utilização de sistemas de ejetor combinados a sistemas solares. Entretanto, os modelos de cálculo orientados para o projeto e otimização de ejetores sobretudo para condição de gás real ainda apresentam deficiências. Os modelos existentes para predição do desempenho de ejetores não podem ser aplicados para avaliar ejetores operados com refrigerantes naturais, tais como água e CO2, devido ao desenvolvimento de um escoamento bifásico no interior do ejetor. Por conseguinte, propõe-se nesta tese um novo modelo termodinâmico para análise de ejetores de vapor, considerando a equação de estado do gás real e a condição de escoamento bifásico. Nesse contexto, propõe-se a utilização de um modelo de relaxação para o cálculo da velocidade do som em meios bifásicos. O modelo proposto apresenta uma nova abordagem para a modelagem da interação entre os escoamentos primário e secundário na câmara de sucção onde não ocorre mistura dos escoamentos, mas se considera a transferência de energia decorrente dos choques desenvolvidos nesta seção. Os resultados obtidos do modelo apresentam boa aderência aos dados experimentais disponíveis nas referências técnicas afins, para os fluidos de trabalho HCFC141b, vapor d'água e CO2. O modelo unidimensional foi verificado através de simulações em CFD, empregando as equações de estado de gás real. Os resultados das simulações corroboram as hipóteses adotadas no modelo unidimensional e fornecem uma base para a análise detalhada do escoamento em ejetores. O modelo apresentado no presente trabalho é aqui utilizado na análise exergética de dois ciclos inovadores, um de refrigeração por ejetor de configuração em cascata e outro de geração combinada de potência e refrigeração. / Global warming has encouraged the scientific community to carry out research on energy effcient and environmentally friendly systems, in order to substantially reduce the greenhouse gases emissions. Considering the impact of the refrigerants commonly used by refrigeration and air conditioning systems on the atmosphere, the so-called natural refrigerants have gain more attention, mainly due to their stability and low cost. The ejector refrigeration system dates from 1901. Nevertheless, its application has been reduced due to the robustness of the equipment involved and low effciency. Notwithstanding, in the last years a rapid growth in the researches concerning these systems has been observed, especially, systems combining ejector refrigeration with low temperature solar collectors. Meanwhile, the mathematical modeling of vapor ejector still needs improvements especially for real gases. The existing models for performance prediction of the ejectors cannot be applied to evaluate ejectors operated with natural refrigerants, as Water and Carbon Dioxide. Therefore, the present Thesis proposes a new thermodynamic model to analyze vapor ejectors, which considers a real gas equation of state and two-phase flow condition. In this context, the utilization of a relaxation model has been proposed to calculate the speed of sound in the two-phase flow. The proposed model represents a new approach, which includes modeling the interaction of the two flows inside the suction chamber. In this section, the streams do not mix; however, energy is transferred between the flows due to the oblique shocks commonly developed in the chamber. The results show good agreement with the experimental data available in the literature for the working fluids HCFC141b,Water and Carbon Dioxide The One-Dimensional model was compared to CFD simulations, using real gas equations of state. The results of these simulations corroborate the hypotheses established in the One-Dimensional model and provide the base for a detailed analysis of the flow inside of the ejector. The model presented herein is used to develop an exergetic analysis of to novel cycles: the cascade ejector refrigeration cycle and a power and refrigeration cogeneration cycle.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas / Made available in DSpace on 2012-10-26T11:50:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 300740.pdf: 1910040 bytes, checksum: a38316a12de35fb4ff5b9f9224a6199d (MD5) / Este trabalho apresenta três contribuições ao controle de sistemas com atraso de transporte: uma estratégia unificada para evitar windup de controladores que realizam compensação de atraso, uma modelagem do problema de controle preditivo por variáveis de estado que permite acelerar o tempo necessário para obtenção da ação de controle a cada período de amostragem e a generalização de uma estrutura baseada no preditor Smith para sistemas multivariáveis capaz de tratar tanto sistemas estáveis quanto instáveis com múltiplos atrasos. Como o assunto é bastante abrangente, o trabalho foca nas duas últimas contribuições e os avanços na primeira linha são apresentados na forma de apêndice. Todos os resultados foram comprovados através de simulação em processos industriais extraídos da literatura e também através de estudos de caso experimentais realizados em uma bancada para avaliação de desempenho energético de compressores de refrigeração. A técnica de cômputo rápido do sinal de controle proposta neste trabalho foi capaz de reduzir o tempo demandado em até quatro ordens de grandeza quando comparada com os resultados apresentados até então na literatura para essa classe de controladores. No caso da generalização multivariável da estrutura baseada no preditor de Smith, os resultados mostraram-se tão bons quanto os atingidos por técnicas ótimas de controle para o caso nominal.