No presente trabalho estuda-se o controle da temperatura de dispositivos eletrônicos, dispostos em placas horizontais, utilizando o método de calor latente, em conjunto com a técnica de controle passivo, usando um material de mudanca de fase, n-eicosana, no estado sólido-líquido, como capacitor térmico. O problema no material de mudanca de fase é formulado, supondo que o processo de transferência de calor seja controlado unicamente por condução. A equação de energia é escrita na forma entálpica, evitando a não linearidade causada pela movimentação da fronteira. A equação é válida para as regiões: sólida, de mudança de fase e líquida. A solução do problema é obtida por método numérico, utilizando a técnica de volume de controle, aplicada à equação da energia na forma entálpica. Os coeficientes da equação são funções tanto da posição quanto da temperatura, de forma que o método de solução é itewrativo. O problema do material de mudança de fase é acoplado a um balanço de energia no fluido de transporte, onde o sistema de coordenadas do fluido acompanha o mesmo, existindo portanto uma relação entre as coordenadas espacial e temporal. O problema é adimensionalizado e os resultados são analisados através dos seguites parâmetros: efetividade, NTU, temperatura da parede superior, fluxo de calor na parede inferior, temperatura da parede inferior, temperatura do fluido, massa solidificada, massa liquefeita em mudança de fase liquefeita. A simulação numérica com variação da potência dissipada dos dispositivos eletrônicos, é estudada tanto para regime de escoamento laminar no fluido quanto para regime turbulanto. Além disso, paralelamente, é apresentado uma análise, onde é discutido qual fluido de transporte é mais adequado.

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Os objetivos específicos propostos na pesquisa visaram a explorar conceitos de Física relacionados à transferência de calor na prática fazendo o uso de atividades de robótica; desenvolver uma prática pedagógica, fazendo o uso de atividades de robótica, com alunos da 2ª série do Ensino Médio que envolva conceitos relacionados à transferência de calor e analisar como as atividades desenvolvidas durante a prática pedagógica podem contribuir na compreensão de conceitos relacionados à transferência de calor. A pesquisa é de natureza qualitativa. Para levantamento dos dados foram utilizados um questionário estruturado, questionamentos durante a intervenção pedagógica, observações feitas em um diário de campo, e por fim, fotos e filmagens. Os dados analisados apontaram que: a) os estudantes evidenciaram, no questionário estruturado, antes da intervenção pedagógica, a dificuldade de diferenciar calor e temperatura, pois muitos estudantes relataram que ambos os conceitos eram sinônimos; b) o material utilizado durante a prática pedagógica desenvolvida com os alunos contribuiu para que houvesse exploração e enriquecimento dos conceitos relacionados à transferência de calor como na percepção da diferença entre as três maneiras em que o calor pode ser transferido, além de sua relação com o cotidiano; c) os estudantes, diante da proposta apresentada, estavam ansiosos e predispostos a explorar conceitos relacionados à transferência de calor com a utilização de atividades de robótica; d) as análises de cada atividade, assim como os questionamentos e as discussões durante cada etapa entre aluno e aluno e aluno e pesquisador apontaram que o uso da robótica em sala de aula pode ser um recurso tecnológico para auxiliar na exploração de conceitos relacionados à transferência de calor. / This dissertation addresses the use of Robotics activities as technology resource for the exploration of concepts related to heat transfer in high school. The problem that served the survey was: what are the implications of using Robotics activities in exploration of concepts related to the transfer of heat in a second grade class from high school to a private school? The study was conducted in a private school in the municipality of Vilhena, Rondônia, having, as participants, twenty-three students in the second grade of high school. The specific objectives proposed in the research aimed to explore physics concepts related to heat transfer in practice making use of Robotics activities; develop a pedagogical practice, making the use of Robotics activities with students in the second grade of high school involving concepts related to heat transfer and analyze how the activities developed during the teaching practice can contribute to the understanding of concepts related to heat transfer. The research is qualitative in nature. Survey data were used to a structured questionnaire, questions during educational intervention, observations made in a field journal, and finally, photos and footage. The data analyzed showed that: a) the students showed, the structured questionnaire, before educational intervention the difficulty to differentiate heat and temperature, because many students reported that both concepts were synonymous; b) the material used during the pedagogical practice developed with students contributed to exploration and enrichment of the concepts related to heat transfer as the perception of the difference between the three ways that heat can be transferred, as well as your relationship with the everyday; c) students in the proposal, were eager and predisposed to explore concepts related to the transfer of heat through the use of Robotics activities; d) analyses of each activity, as well as the questions and discussions during each step between student and student and student and researcher pointed out that the use of Robotics in the classroom can be a technological resource to assist in the exploration of concepts related to heat transfer.

Estágio realizado no ISEP e orientado pelo Eng.º Leonardo Ribeiro / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na Delft University of Technology - Netherlands e orientado pelo Prof. David Vervloet,Prof. John Nijenhuis, Prof. Ruud van Ommen, Prof. Doutor Frrek Kapteijn / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Instituto Superior de Engenharia do Porto. 2007

Neste trabalho simula-se numericamente o escoamento entre tubos concêntricos aletados, com o tubo interno sujeito à condição de contorno de temperatura constante ou fluxo de calor prescrito. Utiliza-se uma abordagem de transferência de calor conjugada onde a condução no sólido e a convecção no fluído são estudadas de forma acoplada, em um único domínio. O sistem original de equações diferenciais parciais (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência) é discretizado através da técnica de elementos finitos (método de Petrov-Galerkin). O sistema de equações algébricas resultante é resolvido por meio de algoritmos interativos, utilizando uma formulação agregada e seqüencial ( onde cada grandeza é resolvida separadamente ao invés de uma solução simultânea para todas as variáveis). Os resultados mostram que a relação altura/espaçamento das aletas e a razão entre as condutividades térmicas do sólido/fluido influenciam significativamente nas trocas de calor com o fluido.Verifica-se também a ocorrência de bolhas de recirculação secundáriano escoamento e regiões com fluxo de calor local reverso. Os resultados obtidos para o número de Nusselt mostram que a variação da condição de contorno na superfície interna do tubo (valores prescritos para fluxo de calor e temperatura) é mais relevante no caso do escoamento laminar do que em regime turbulento. Além disso, através da comparação entre a abordagem conjugada bidimensional e a formulação desacoplada unidimensional (coeficiente de convecção constante e uniforme na interface sólido-fluido) confirma-se a validade da abordagem convencional para analisar a performance do trocador de calor. Contudo, os dados obtidos via formulação desacoplada para prever a distribuição de temperaura nas aletas apresentam grandes divergências quando comparados com os resultados da abordagem conjugada.

A técnica de transformada integral generalizada é extendida para se obter soluções analíticas em problemas lineares de difusão com coeficientes variáveis nas comdições de contorno e aplicada ao estudo da convecção forçada laminar em tubos circulares externamente aletados, nos regimes permanentes e periódicos. Analisa-se o problema da região de entrada térmica em regime permanente com condição de entrada uniforme, usando variações tipo degrau e harmônica no coeficiente de transferência de calor externo, para simular a presença das aletas radiais. São obtidos resultados numéricos para as grandezas térmicas de interesse, como temperatura média global, as taxas de transferência de calor adimensional e número de Nusselt global. Compara-se, também, resultados para as taxas de transferência de calor adimensional com as disponíveis na literatura, analisando-se, criticamente, os efeitos das variações de espaçamento e espessura das aletas na troca térmica com o fluido. Estuda-se o problema da região de entrada téwrmica em regime periódico para um tubo aletado externamente e sujeito a variações com o tempo na temperatura de entrada no canal. Investiga-se, então, a influência da frequência das oscilações na resposta térmica do sistema, em termos das distribuições de amplitudes e ângulos de fase ao longo do tubo, para as grandezas de interesse como temperatura média global e fluxo de calor na parede. Finalmente, analisa-se os efeitos de diferentes combinações espaçamento-espessura do arranjo de aletas, na propagação das oscilações na entrada, ao longo do canal.

É analisado o problema de transferência de calor em palhetas de turbina a gás, resolvendo-se numericamente as equações que descrevem o desenvolvimento da camada limite bidimensional sobre uma superfcie curva. São consideradas as coordenadas intrínsecas e um método implícito de diferenças finitas para a solução das equações. O modelo utilizado considera as equações que representam o escoamento (continuidade, quantidade de movimento e energia) no regime laminar e turbulento, sendo empregado para o fechamento o modelo k/';épsilon';. Assim, as flutuações turbulentas são expressas em termos do produto do gradiente da variável média associada (velocidade ou entalpia) por um parâmetro de difusão turbulenta (viscosidade turbulenta ou condutibilidade térmica turbulenta), conforme hipótese de Boussinesq. O equacionamento foi feito de modo a permitir o cálculo de escoamentos compressíveis e com gradientes de temperatura da ordem dos encontrados em turbinas axiais. Ressalta-se, porém, que não é prevista a ocorrência de choque. Empregando-se o método dos volumes de controle, apresentado por Patankar [9], o sistema de equações diferenciais não lineares e acopladas é transformado em um sistema de equações algébricas lineares. Com o objetivo de testar o modelo foram feitas comparações com resultados obtidos para escoamento sobre uma placa plana e com resultados experimentais de escoamento sobre palhetas de turbina.

Utilizando a Técnica da Transformada Integral Generalizada desenvolve-se uma análise para solução de problemas de difusão em geometrias arbitrárias bidimensionais e tridimensionais. Aplicou-se o formalismo desenvolvido para estudar o escoamento laminar desenvolvido em dutos retos com geometria de seção transversal na forma de triângulo retângulo, trapezoidal e hexagonal. Resolve-se também a convecção laminar forçada em dutos retangulares e triangulares sujeitos à condição de contorno do primeiro tipo. Os resultados são comparados com aqueles disponíveis na literatura.

Estudam-se radiadores espaciais associados a capacitores térmicos. O capacitor térmico é composto de material de mudança de fase no qual estão imersas aletas metálicas. O capacitor está sujeito a um fluxo de calor; gerado por componentes eletrônicos, que pode ser variável com o tempo. Os resultados são analisados para os seguintes parâmetros: largura das aletas, calor gerado pelos componentes; emissividade do radiador; absortividade do radiador; largura e altura do capacitor. O problema é formulado supondo que o processo de transferência de calor seja controlado por condução e utilizando-se a forma entálpica da equação da energia. O método de solução é o de volumes de controle aplicado a equação de energia na sua forma entálpica bidimensional e considerando a mudança de fase. A equação obtida é válida para todo dominio, isto é, tanto para a aleta como para ambas as fases do material de mudança de fase. Os resultados constituem um conjunto de dados capazes dde auxiliarem no projeto de radiadores térmicos associados a capacitores que utilizaram mudança de fase e na análise dos parâmetros envolvidos. Sugere-se a otimização de cada parâmetro afim de se conseguir, não somente que os componentestrabalhem dentro de sua faixa operacional, mas também vantagens associadas a operação do dispositivo, seu tamanho, peso e custo.