Dutos retangulares são muito utilizados em dispositivos trocadores de calor. Este trablaho visa investigar, usando um modelo computacional, os efeitos da geração de entropia provocadas pelas irreversibilidades decorrentes do atrito viscoco do escoamento e das resultantes da transferência de calor em escoamentos laminares com perfis térmicos e hidrodinamicamente desenvolvidos. Esta investigação permite avaliar a geração de entropia, a qual é influenciada pelo campo de temperatura no contorno, pelo tipo de escoamento, pelas propriedades do fluido e por parâmetros geométricos. Primeiro, o modelo calcula o campo de velocidade. Em seguida é resolvida a equação da energia, obtendo-se assim, o campo de temperatura do fluido para uma dada distribuição imposta no contorno, não necessariamente uniforme. Uma vez conhecidos o campo de velocidade e de temperatura é calculado o campo de geração de entropia por unidade de volume. Com uma dupla integração é calculada a geração de entropia global por unidade de comprimento na seção analisada. A consistência do modelo computacional é verificada pelo refino da malha e pela diminuição da tolerância. São realizadas validações dos métodos utilizados para os cálculos dos campos de velocidade e de temperatura do fluido. Várias razões de aspecto (altura por largura do duto) são estudadas para vários tipos de fluidos. A influência devida aos efeitos viscosos e da troca de calor sobre a geração de entropia é estudada para vários tipos de fluidos, variando-se o número de Prandtl.

O presente trabalho tem dois objetivos. O primeiro é desenvolver um método numérico para a simulação de escoamentos incompressíveis, e o segundo é aplicar o novo esquema à geometria da cavidade rasa. O método numérico desenvolvido é em diferenças finitas. As equações, escritas em forma de lei de conservação, são discretizadas utilizando diferenças centradas em uma malha co-localizada. Termos de dissipação artificial são introduzidos externamente para controlar o problema do desacoplamento par-ímpar e de eventuais instabilidades não lineares. Na aplicação do método à cavidade rasa bidimensional, o estudo é focado, principalmente, na análise da influência dos seguintes parâmetros: (i) alongamento da cavidade; (ii) número de Reynolds e (iii) nível de turbulência do escoamento não-perturbado. A meta principal é identificar prováveis tendências na troca de calor no piso da cavidade e descobrir qual a condição mais favorável no sentido de se ter o menor efeito convectivo do escoamento externo ao longo do piso da cavidade. Os resultados obtidos demonstram que a troca de calor no interior da cavidade é diretamente afetada pela variação dos parâmetros acima considerados e que existe um regime bem definido no qual a troca de calor por convecção forçada é minimizada. Tal regime se estabelece quando ocorre recirculação sobre todo o piso da cavidade. Esta condição pode ser obtida quando uma única região de recirculação se forma no interior da cavidade ou, também, na situação onde têm-se duas bolhas 'encapsuladas'.

O acúmulo de gelo nas superfícies é uma preocupação, pois pode causar deterioração considerável na performance aerodinâmica e no controle da aeronave, comprometendo a segurança da mesma. A forma e localização do gelo dependem das condições meteorológicas e de fatores específicos do avião. A operação segura de aeronaves em condição de gelo requer o uso de sistemas de proteção contra gelo que são tipicamente instalados nas superfícies aerodinâmicas críticas como asas, empenagem e entrada do motor. Para prevenir a formação do gelo, geralmente, os sistemas de degelo usam meios mecânicos ou térmicos enquanto que sistemas de antigelo utilizam fontes térmicas. O estudo para o conhecimento do fenômeno físico da formação de gelo e possíveis soluções para o mesmo, pode ser feito através de técnicas experimentais e também através de modelos computacionais. Em se tratando deste último, a resolução de problemas de escoamentos pode ser feito através da dinâmica dos fluidos computacional, do inglês CFD Computational Fluid Dynamics. Os benefícios do método estão na possibilidade de se modelar os fenômenos físicos fluidos que não podem ser facilmente simulados ou medidos com um experimento e também a possibiliade de se investigar o problema de forma mais rápida do que com os procedimentos experimentais, reduzindo os custos de projeto. Neste contexto o objetivo do presente trabalho é estudar o fenômeno físico de um sistema de proteção contra gelo com ar quente para assim obter a temperatura na superfície de um perfil com um tubo piccolo via mecânica dos fluidos computacional e estudar a viabilidade de adaptação de malha sem considerar a presença de camadas de prisma na superfície. Os resultados da simulação com a malha refinada apresentam boa concordância com os resultados experimentais, o que demonstra a confiabilidade dos modelos computacionais. O critério de adaptação de malha empregado neste trabalho, e especificamente para as condições aqui simuladas, não se mostrou favorável para a resolução do problema.

Esta dissertação apresenta dois algoritmos para solução de problemas inversos de convecção de calor (PICC): O Método do Gradiente Conjugado Ordinário (MGCO) e o Método do Gradiente Conjugado e Problema Adjunto (MGCPA). O intuito é caracterizar estas técnicas para emprego como ferramenta de projeto durante o desenvolvimento térmico de Câmaras de Combustão de Motores Foguete a Propelente Líquido (MFPL). As ferramentas aqui apresentadas são adequadas para realizar investigações ligadas aos sistemas de refrigeração internos, como Filme de Refrigeração e a Camada de Parede, assim como fundamentar o dimensionamento dos canais de refrigeração externos da Jaqueta de Refrigeração. Os métodos foram submetidos a testes numéricos para análise de incerteza de solução sob influência do Número de Fourier, da incerteza na estimativa das condições de contorno externas, da grandeza do fluxo de calor estimado e da presença de ruído no histórico de temperatura experimental. Ao final é apresentado um experimento onde as técnicas são aplicadas na estimativa da temperatura de parede e fluxo de calor na superfície de fogo de uma placa de cobre aquecida por uma tocha de butano. Também é sugerida e testada uma configuração de termopar com alta velocidade de resposta. As análises feitas mostraram que, uma vez preenchidos requisitos experimentais estabelecidos nesse trabalho, a incerteza da solução inversa obtida por ambas as técnicas se mantém inferior a 5%.

A fundição centrífuga é um importante processo de produção de tubos de ligas metálicas e de cilindros de laminação. A transferência de calor no metal durante a fundição centrífuga de tubos foi modelada matematicamente e o coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde determinado em função do tempo utilizando a técnica da solução inversa. A solução inversa foi obtida a partir das curvas de resfriamento experimentais disponíveis na literatura para a fundição centrífuga de um tubo de ferro-fundido. O resultado da solução inversa mostrou, pela primeira vez, que o comportamento do coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga é semelhante ao da fundição estática: tem-se um valor elevado logo após o vazamento, apresentando um decréscimo exponencial com o tempo. Um modelo matemático da transferência de calor na interface metal-molde foi desenvolvido com base nos mecanismos fundamentais de transferência de calor, como a transferência por condução e radiação através do vão formado nesta interface. Para a previsão deste vão, foram considerados os efeitos da contração térmica e da deformação plástica da casca metálica solidificada. A utilização deste modelo matemático para a transferência de calor na interface metal-molde permitiu o cálculo de curvas de resfriamento em excelente aderência às curvas experimentais reportadas na literatura. / Centrifugal casting is an important process to produce metallic pipes in general and cylinders for steel rolling mills. A mathematical model was proposed for the heat transfer during solidification of centrifugally cast pipes. The heat transfer coefficient at the metal-mold interface was determined as a function of time by the inverse solution technique. The inverse solution was obtained using experimental cooling curves available in the literature for a centrifugally cast-iron pipe. The inverse solution showed, for the first time, that the behavior with time of the heat transfer coefficient at the metal-mold interface is analogous to that observed in traditional static casting processes: an initial relatively large value decreases exponentially with time. A mathematical model for the heat transfer at the metal-mold interface based on fundamental heat transfer principles was proposed. In this model, the heat conduction and radiation in the gap formed at the metal-mold interface, as well as the thermal and plastic deformation of the solid shell, were taken into account. This model, applied to predict the solidification of a cast-iron tube in the centrifugal casting process, enabled the calculation of cooling curves that are in excellent agreement with experimentally measured curves.

Neste trabalho, avaliou-se a queima do sebo bovino por meio de uma fornalha calorimétrica flamotubular instrumentada que opera à pressão atmosférica. Como parte do trabalho experimental, foram analisadas as curvas de rendimento térmico da queima do combustível, sebo bovino, e verificou-se seu comportamento quanto à transferência de calor e emissão de gases. Experimentalmente, a fornalha calorimétrica foi remodelada e adaptada para operar com sebo bovino, incorporando-se a esta um elemento de aquecimento prévio, trata-se de um queimador desenvolvido no NETeF possuindo um sistema de alimentação com aquecimento para o combustível, já que o sebo se encontra no estado sólido a temperatura ambiente. O queimador utilizado no experimento foi do tipo misto. Os resultados das medições do poder calorífico do sebo bovino mostraram-se altos: 39.985,5 kJ/kg (dados obtidos no laboratório do NETeF), fazendo com que o sebo se torne uma fonte menos poluente. / In this study, we evaluated the burning of tallow by a calorimetric flamotubular instrumented furnace which operates at atmospheric pressure. As part of the experimental work, the curves of thermal efficiency of fuel combustion (beef tallow) were analyzed, and it was possible to set their composition toward the transfer of heat and gas emissions. Experimentally, the calorimetric furnace was remodeled and adapted to operate with beef tallow by incorporating an element of this preheating, it is a burner developed in NETeF and it has a system to supply heating for fuel, as the tallow is solid at room temperature. The burner used in the experiment was of mixed type. The results of measurements of the calorific value of beef tallow were shown to be high: 39985.5 kJ/kg (data obtained in the laboratory of NETeF), causing the fat to become a viable source.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-08-09T15:47:57Z No. of bitstreams: 1 Jeferson Daniel Mathias_.pdf: 884742 bytes, checksum: c605c6232011e4df63e940eb350ced6c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T15:47:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jeferson Daniel Mathias_.pdf: 884742 bytes, checksum: c605c6232011e4df63e940eb350ced6c (MD5) Previous issue date: 2017-03-22 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / A importância dos sistemas de refrigeração industrial é notória, destacando-se seu uso em grandes plantas químicas e petroquímicas e, principalmente, na indústria alimentícia, em frigoríficos, onde o consumo de energia tem impacto diretamente na qualidade e no valor final do produto. A modernização dos critérios de projeto de equipamentos de refrigeração visando à diminuição de custos de fabricação, manutenção, instalação, consumo de energia e de carga de refrigerante no sistema através do uso de novos materiais, diminuição do volume dos evaporadores e tanques separadores é uma necessidade atual e está sendo colocada em prática pela grande maioria das empresas fabricantes de equipamento. Desta forma, justifica-se a importância de avaliar a eficiência do sistema de refrigeração com evaporadores inundados conforme a variação do número de recirculação do refrigerante. A aplicação dos conceitos de evaporador inundado com recirculação através da refrigerante amônia tem intuito de ampliar os estudos em evaporadores industriais, visto a escassez de informações nessa área. Onde os resultados obtidos dos testes experimentais do evaporador inundado com recirculação de líquido possibilitam quantificar a influência no número de recirculação na capacidade do evaporador e na queda de pressão do escoamento do refrigerante no interior dos tubos comparados com os valores estimados por correlações utilizadas. Visto que, o evaporador apresentou um incremento de capacidade com o aumento do número de recirculação na ordem de 9,3%, variando de 108,6 a 118,7 kW, conforme dados coletados. Observa-se que no estudo das correlações estimadas e analisadas para o cálculo do coeficiente de transferência de calor no lado do ar, a correlação de Kim et al. (1999) para aletas planas e tubos, foi a que apresentou os menores erros relativos para o cálculo do coeficiente global de transferência de calor. A queda de pressão durante o escoamento da amônia no evaporador para cada número de recirculação, apresenta valores entre 15,2 a 35,7 kPa, representando um incremento de 134,8% e o título do refrigerante na saída do evaporador teve sua variação, em relação do número de recirculação de 0,67 até 0,248. / The importance of industrial refrigeration systems is notorious, highlighting their use in large chemical and petrochemical plants and, especially in food industry, in slaughterhouses, where the energy consumption impacts directly on quality and final value of the product. The modernization of project criteria for refrigeration equipment aiming at reducing the costs of manufacturing, maintenance, installation, energy consumption and refrigerant load in the system using new materials and decreasing the volume of evaporators and separator tanks is a current need and it is being implemented by the vast majority of equipment manufacturing companies. Therefore, it is justified the importance of evaluate the efficiency refrigeration system with Liquid Overfeed Evaporator according to the variation of refrigerant’s recirculation number. The application of the concepts of Liquid Overfeed Evaporator with recirculation through the ammonia refrigerant intends to expand the studies in industrial evaporators, given the scarcity of information in this area. The results obtained from the experimental tests of flooded evaporators with liquid recirculation make it possible to quantify the influence of the recirculation number in the capacity of the evaporator and in the pressure drop of the refrigerant flow inside the tubes compared with the values estimated through the used correlations. The evaporator presented an increment of capacity by increasing the recirculation number in the order of 9.3%, varying between 108.6 and 118.7 Kw, according to collected data. It is observed that in the study of estimated and analyzed correlations for the calculation of the coefficient of heat transfer on the air side, the correlation of Kim et al. (1999) to flat fins and tubes presented the smallest relative errors for the calculation of the global heat transfer coefficient. The pressure drop during the ammonia’s flow in the evaporator for each recirculation number showed values between 15.2 and 35.7 kPa, representing an increase of 134.8%, while the quality of the refrigerant at the output of the evaporator showed its variation, related to the number of recirculation, between 0.67 and 0.248.

O estudo presente constitui uma análise da influência do acabamento superficial no coeficiente de transferência de calor na ebulição nucleada de refrigerantes halogenados. Dados para três superfícies distintas (cobre, latão e aço inoxidável), dois fluidos refrigerantes (R123 e R134a) e pressões reduzidas entre 0,023 e 0,26 são analisados com o intuito de verificar a influência da rugosidade nestes três parâmetros. O efeito da rugosidade foi avaliado com três acabamentos distintos (massa polidora, lixa e jato de areia) cobrindo uma faixa de rugosidades médias variando desde 0,03 até 10,5 micrômetro. Uma análise de diversas publicações da literatura foi levada a cabo, tendo sido particularmente investigadas algumas correlações que consideram o efeito do acabamento superficial em sua estimativa do coeficiente de transferência de calor. As tendências destas correlações são comparadas entre si e com os dados experimentais. A análise dos resultados permitiu levantar tendências inéditas na literatura consultada. A superfície em ebulição recebeu especial atenção com a obtenção de microfotografias e o cálculo de diversos parâmetros de rugosidade. Foram, ainda, investigados efeitos de envelhecimento da superfície, caracterizado pela diminuição do coeficiente de transferência de calor ao longo do tempo de ebulição. / The present research has been focused in an analysis of the effect of surface finishing on nucleate boiling heat transfer coefficient of halocarbon refrigerants. Experimental data for three different surface material (cooper, brass and stainless steel), two refrigerants (R123 and R134a) and reduced pressures between 0.023 and 0.26 have been analyzed aiming to verify the roughness effects on these three parameters. Three different finishing processes (polishing, emery papering and shot pining) have been used to result in an average roughness range from 0.03 to 10.5 micrometer. An analysis of varied publications and some correlations, particularly those which estimate the effect of surface roughness in heat transfer coefficient, has been done. The tendencies from these correlations have been compared with themselves and with experimental data. These results have shown some effects still unpublished. The boiling surface has received an especial attention, micro-photography has been taken and various parameters have been evaluated. Ageing effects, characterized by the reduction of heat transfer coefficient, have been verified and analyzed.

Transformadores de potência representam um grande volume de investimento em sistemas de transmissão e distribuição. Falhas em transformadores têm um alto impacto econômico na exploração de uma rede. O parâmetro mais importante e que define a vida útil de isolação de um transformador é a temperatura do ponto mais quente de seus enrolamentos. O trabalho analisa dois modelos térmicos de transformadores de potência. Eles nos permitem calcular as temperaturas do óleo no topo e na parte inferior e a temperatura do ponto quente no enrolamento. Ambos os modelos são baseados em circuitos elétricos a parâmetros concentrados. O primeiro é uma proposta de Susa, que envolve a solução de dois circuitos elétricos acoplados. Já Tang sugere um segundo modelo, que consiste em um circuito elétrico de três nós. O principal objetivo deste trabalho é a obtenção dos parâmetros térmicos de ambos os modelos baseados em temperaturas medidas para uma determinada carga. Duas abordagens diferentes de otimização serão avaliadas: uma mono objetivo e outra multi objetivo. A segunda oferece-nos uma análise de sensibilidade de parâmetros do modelo. Ambos os métodos de otimização foram utilizadas para obter os parâmetros térmicos de um transformador de potência 250 MVA resfriamento ONAN (Óleo Natural, Ar Natural). Os parâmetros obtidos do modelo térmico são então utilizadas para outras curvas de carga e também são comparadas com a norma IEEE C57.91 1995 com boa precisão. / Power transformers represent a large amount of investment in transmission and distribution systems. Faults in transformers have a high economic impact in the operation of a network. One of the most important parameters that govern the life of transformers is its hotspot temperature, which defines the loss of life of the equipament. The work analyzes two thermal models for a power transformer. They allow us to calculate the top oil temperature, the bottom oil temperature and the hotspot temperature of power transformers. Both models are based on lumped parameters. The first one is proposed by Susa, and involves the solution of two coupled electrical circuits. Tang suggests the second one, which consists on an electric circuit of three nodes to be solved. The main objective of this work is to obtain the thermal lumped parameters of both models based on measured temperatures for a given load curve. Two different approaches will be adopted: a mono-objective optimization and a multiobjective optimization. The second one provides us a sensitivity analysis of the model parameters. Both optimization methods were used to obtain the thermal lumped parameters in a 250 MVA ONAN power transformer. The obtained parameters of the thermal model are then used for other load curves and compared with the guide IEEE C57.91 1995 with good accuracy.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Este trabalho apresenta uma modelagem matemática para o processo de aquecimento de um corpo exposto a uma fonte pontual de radiação térmica. O resultado original que permite a solução exata de uma equação diferencial parcial não linear a partir de uma seqüência de problemas lineares também é apresentado. Gráficos gerados com resultados obtidos pelo método de diferenças finitas ilustram a solução do problema proposto. / This work presents a mathematical model for the heating process on a body exposed to a punctual source of thermal radiation. An original result, that allows the construction of the exact solution for a non-linear partial differential equation by solving a sequence of linear problems, is also presented. Graphic images generated from the results obtained through the Finite Difference Method illustrate the solution of the proposed problem.