Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-05-25T14:45:18Z No. of bitstreams: 1 Bruno de Sá Beckerle.pdf: 3991624 bytes, checksum: 500b993c0f3a1c3a8c3abae05ed51c5e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-25T14:45:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bruno de Sá Beckerle.pdf: 3991624 bytes, checksum: 500b993c0f3a1c3a8c3abae05ed51c5e (MD5) Previous issue date: 2015-01-05 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo experimental da transferência de calor e queda de pressão na ebulição do isobutano, R-600a, em um tubo composto por 7 mini canais paralelos, cujo diâmetro hidráulico é de 1,47 mm. Os testes em ebulição foram realizados com uma temperatura de saturação de 22 ºC e pressão de saturação de 302 kPa, com velocidade mássica entre 50 e 200 kg/(m²s) e fluxos de calor na seção de testes entre 7 e 40 kW/m². Com os testes realizados verificou-se que o coeficiente de transferência de calor aumenta conforme o incremento do fluxo de calor e velocidade mássica, sendo que esta última tem maior influência para baixos títulos de vapor. O coeficiente de transferência de calor atingiu valores máximos próximos a 3.200 W/(m²K) para a condição de maior vazão e fluxo de calor. A queda de pressão aumentou com o incremento da velocidade mássica e título de vapor em todos os testes, enquanto que o fluxo de calor apresentou influência na queda de pressão apenas nas maiores velocidades mássicas. A perda de pressão por atrito representou até 93,7% da perda total. Também foram analisados os padrões de escoamento, sendo observados os padrões de bolhas isoladas, bolhas alongadas, intermitente e anular, sendo que o padrão de bolhas isoladas foi observado para baixos fluxos e títulos de vapor, e o padrão anular mostrou-se presente para títulos superiores a 0,13. / This work presents an experimental study of heat transfer and drop pressure in flow boiling of the isobutane, R-600a, in a 7 mini channel of 1,47 mm hydraulic diameter. The tests were performed a boiling with a saturation temperature of 22 °C and saturation pressure of 302 kPa, with a mass velocity between 50 and 200 kg/(m²s) and heat fluxes in the test section between 7 and 40 kW/m². In the tests, it was found that the heat transfer coefficient increases with increasing heat flux and mass velocity has more influence at low quality. The heat transfer coefficient achieved values around 3.200 W/(m²K) for the condition of greater flow and heat flux. The drop pressure was increase by increasing the mass velocity and quality in all tests, while the heat flow have any influence on the drop pressure to the greater mass velocity. The friction drop pressure represented to 93.7% of the total loss. As well analyzed the flow patterns, and observing the patterns of isolated bubbles, plugs/slugs, intermittent and annular, and that the pattern of isolated bubbles were observed for low quality and heat flux and the annular pattern was present for quality from 0.13.

Nos escoamentos em turbomáquinas temos como principais características a tridimensionalidade, possível ocorrência de separação da camada limite, relaminarização, transição laminar-turbulenta, dentre outros efeitos físicos. De acordo com alguns estudos experimentais em turbinas observouse que a transição laminar-turbulenta pode se estender por até 60% da corda de uma pá de turbina. Uma boa estimativa para se prever corretamente o local da transição é indispensável para que seja obtida uma melhoria na eficiência das turbinas. Escoamentos sobre superfícies côncavas estão sujeitos à instabilidade centrífuga, podendo dar origem a vórtices longitudinais, conhecidos como vórtices de Görtler. Esses vórtices são responsáveis por gerar distorções fortes nos perfis de velocidade e consequentemente nos perfis de temperatura. O presente estudo tem por objetivo estudar a influência da variação da curvatura de uma superfície côncava, e os efeitos do comprimento de onda transversal no processo de transição, e sua influência nas taxas de transferência de calor. Para tal, um código de simulação numérica paralelizado, com alta ordem de precisão, foi utilizado para resolver numericamente as equações de Navier-Stokes. Este código é validado através de comparações entre resultados obtidos com uso da teoria de estabilidade linear, e com resultados de simulações numéricas não lineares. Resultados obtidos evidenciam a influência da variação da curvatura, e os efeitos causados pelo comprimento de onda transversal nas instabilidades de Görtler, e secundária. Tais evidências comprovam que a variação da curvatura pode ser útil no controle do processo de transição laminar-turbulenta, e que as taxas de transferência de calor de um escoamento de Görtler desenvolvido em superfícies de curvatura variável podem ser intensificadas, atingindo valores superiores aos obtidos em escoamentos turbulentos. / Some characteristics of flows in turbomachinery are the three-dimensionality, possible occurrence of separation of the boundary layer, relaminarization, laminar-turbulent transition, among other physical effects. According to some experimental observations in turbines, it has been observed that the laminar-turbulent transition can extend over 60% chord of a turbine blade. A good estimate to correctly predict the location of the transition is essential for an improvement in the efficiency of turbines. Flow over concave surfaces is subjected to centrifugal instability, which may lead to formation of longitudinal vortices, known as the Görtler vortices. These vortices are responsible for generating strong distortions in the velocity profiles and hence the temperature profiles. The current goal aims to study the influence of the curvature variation of a concave surface and the effects of spanwise wavelength on the transition process and its influence on the heat transfer rates. For this, a parallel numerical simulation code, with a high order of precision, was used to numerically solve the Navier-Stokes equations. This code is validated through comparisons between results obtained using linear stability theory, and nonlinear numerical simulations results. Results obtained show the influence of the curvature variation, and the effects caused by the spanwise wavelength on the Görtler and secondary instabilities. This evidence proves that the curvature variation can be useful in the control of the laminar-turbulent transition process, and that heat transfer rates of a Görtler flow developed on variable curvature surfaces can be intensified, and reach values higher than these achieved in turbulent flows.

No presente trabalho são relatados os resultados obtidos por meio de ensaios de caracterização para os diferentes tipos de óleos vegetais (algodão, canola, girassol, milho e soja), no estado novo e puro, tais como viscosidade, número de acidez, índice de iodo, índice de saponificação, cromatografia gasosa, curvas de resfriamento e coeficiente de transferência de calor. Esses mesmos ensaios foram realizados também com as amostras de óleo de soja com diferentes concentrações de aditivos antioxidantes. As diferentes formulações feitas com óleo de soja foram submetidas a um processo de envelhecimento acelerado (durante 72 horas), suas propriedades foram comparadas com as de dois óleos minerais utilizados para têmpera. O mesmo foi feito para os óleos vegetais, estes porém foram envelhecidos durante 48 horas. Pode-se então, comparar qual amostra sofreu menor oxidação durante um mesmo tempo de envelhecimento e, desta maneira, avaliar qual aditivo antioxidante obteve melhor desempenho, retardando o processo de oxidação no óleo de soja. Esses estudos também permitiram verificar qual, dentre os óleos vegetais, possui as melhores propriedades para ser utilizado no tratamento térmico de têmpera. Amostras do aço AISI 4140 foram temperadas nos diferentes óleos estudados, obteve-se a curva de dureza e as micrografias óticas para cada amostra temperada. / In this work, the results obtained from the characterization of different vegetable oils (cotton, canola, sunflower, corn and soybean) are reported. The oils were evaluated at \"new condition\" and \"pure\" by viscosity, acid and iodine number, saponification, gas chromatography, cooling curves and heat transfer coefficient. These same analyses were also performed on samples of soybean oil containing various concentrations of antioxidant. The various formulations prepared with soybean oil were accelerated aged for 72 hours and their properties were compared with two mineral oils used for quenching. Likewise, the vegetable oils were aged for 48 hours long. Therefore, it was possible to identify which sample exhibited the lower oxidation process at the same aging time and, thus, evaluate the antioxidant additive that promoted the improved oxidation performance for soybean oil. Also, these studies allowed verifying which of the vegetable oils had the best properties to be used as quenchants. Samples of AISI 4140 steel were quenched in different oils and the hardness curve and optical microscopy for each sample were obtained.

Esta tese teve por objetivo desenvolver um algoritmo preciso e robusto capaz de compensar os erros térmicos volumétricos de um centro de usinagem 5 eixos em diferentes condições operacionais. O comportamento térmico da máquina foi modelado usando técnicas do método dos elementos finitos (MEF) com base na teoria do calor de atrito e calor de convecção, e validadas através dos vários campos de temperatura obtidos experimentalmente usando termopares e imagens térmicas. Os principais subsistemas da máquina foram inicialmente modelados, como o conjunto de fusos de esferas, guias lineares e motofuso, o que permitiu posteriormente a validação do comportamento termoelástico da máquina completa para onze ciclos de trabalho em vazio, seis ciclos de usinagem, nove ciclos de posicionamento e dois ciclos com temperatura ambiente variando, obtendo erros máximos inferiores a 9%, ao comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais. A validação do modelo em elementos finitos permitiu usar os resultados obtidos para treinar e validar uma rede neural artificial (RNA) para prever os erros térmicos do centro de usinagem. Os desvios entre os erros térmicos previstos pela RNA e os calculados pelo MEF foram inferiores a 5%. Baseado nos resultados obtidos pelas medições das peças de trabalho usinadas foi possível formular e implementar um modelo de compensação dos erros térmicos no CNC do centro de usinagem, que obteve uma redução dos erros entre 62% e 100% nas peças usinadas com compensação. Foi também proposto um algoritmo de previsão e compensação dos erros térmicos para o centro de usinagem, baseado em todos os ciclos e simulações realizadas, e que se comparando com os resultados experimentais mostrou-se capaz de reduzir os erros térmicos entre 50% e 95%. Após sua validação, foi possível concluir que o algoritmo desenvolvido é uma ferramenta precisa e robusta para compensar os erros térmicos da máquina para várias condições de trabalho, podendo compensá-los mesmo com esta movendo-se a diferentes velocidades, em usinagem ou mesmo operando em temperatura ambiente variável. / This thesis aims to develop an accurate and robust algorithm capable of compensating the volumetric thermal errors of a 5-axis machining center under different operating conditions. The thermal behavior of the machine was first modeled using finite element method (FEM) techniques based on theory of friction heat and convection heat, and validated with the various experimentally raised temperature fields using thermocouples and thermal imaging. The main machine subsystems were initially modeled, such as the ball screw system, linear guides and spindle, which allowed for validating of the thermoelastic behavior of the entire machine for eleven no load duty cycles, six cycles of machining, nine cycles of positioning and two cycles with varying ambient temperature, obtaining errors lower than 9%, when comparing the numerical results with the experimental results. The validation of the finite element model allowed for the use of the results obtained to train and validate an artificial neural network (ANN) for predicting the thermal errors of the machining center. The deviations between the thermal errors predicted by ANN and the FEM simulation results were less than 5%. Based on the results obtained by the measurements of the machined workpieces, it was possible to formulate and implement a model of compensation of the thermal errors in the CNC of the machining center, which obtained a reduction of errors of 62% and 100% of the machined parts with compensation. It was also proposed a thermal error prediction and compensation algorithm for the machining center, based on all cycles and simulations performed, and that, comparing with the experimental results, it was able to reduce the thermal errors between 50% and 95%. After its validation, it was possible to conclude that the developed algorithm is an accurate and robust tool to compensate the thermal errors of the machine for various duty conditions, being able to compensate the errors even when it is moving at different speeds, in machining process or even operating in variable ambient temperature.

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Recentemente, observa-se o crescimento do número de trocadores de calor baseados em microcanais devido a necessidade de transferência de elevadas taxas de calor utilizando dispositivos compactos. Tubos de calor, trocadores de calor compactos para equipamentos eletrônicos e controle térmico de satélites, sistemas de condicionamento de ar para automóveis, escritórios e residências são exemplos de aplicações para condensação em canais de diâmetro reduzido. No entanto, na literatura encontra-se reduzido número de estudos experimentais tratando da condensação no interior de canais com diâmetros inferiores a 3 mm, os quais geralmente envolvem refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP). Neste contexto, o presente estudo apresenta uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, perda de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor durante a condensação no interior de canais convencionais e de micro-escala (minicanais). Levantou-se resultados para o gradiente de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor em aparato experimental localizado na Universidade de Pádua (Università Degli Studi di Padova) para os fluidos refrigerante R1234ze(E) e R32 (GWP de 550 e 6, respectivamente), temperatura de saturação de 40°C, fluxo de calor até 35 kW/m², grau de sub-resfriamento da parede entre 2 e 10 K, velocidade mássicas entre 55 e 275 kg/m²s e título de vapor de 0 a 1. Os dados foram levantados em seção de teste composta por 36 minicanais com diâmetro hidráulico de 1,6 mm e geometria retangular, com o efeito de resfriamento obtido através de água resfriada escoando em contra-corrente ao refrigerante. Os dados experimentais levantados para o gradiente de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor foram comparados com métodos de previsão da literatura, concluindo que as correlações propostas por Jige, Inoue e Koyama (2016) fornecem as melhores previsões. O comportamento do coeficiente de transferência de calor foi analisado com foco nos mecanismos físicos predominantes durante a condensação. A partir desta análise concluiu-se o predomínio de efeitos de tensão superficial em velocidades mássicas reduzidas e de arrasto em velocidades mássicas elevadas. Este estudo também apresenta uma avaliação comparativa do desempenho dos refrigerantes R1234ze(E) e R32 em relação ao R134a (GWP de 1300) baseada na taxa de transferência de calor por unidade de potência de bombeamento e no potencial de transferência de calor, conforme o critério proposto por Cavallini et al. (2010). Esta análise revelou o desempenho superior para o refrigerante R32 seguido do R134a, com o R1234ze(E) apresentando o pior resultado, independentemente da velocidade mássica. / Recently, micro-scale channels are increasingly being used to combine high heat transfer rates and high degree of compactness. Condensation inside small diameter channels can be found in several applications such as heat pipes, thermal management of electronic equipments, spacecraft thermal control, automotive and residential air conditioning systems, heat pumps and refrigeration systems. However, despite of its importance, few studies concerning condensation inside minichannels (DH < 3 mm) involving low GWP (Global Warming Potential) refrigerants are found in the literature. In this context, initially, this study presents a critical review on the literature involving transition criteria on two-phase flow patterns for micro- and macro-scale conditions, frictional pressure drop and heat transfer coefficient during condensation inside channels. Experimental results for frictional pressure gradient and heat transfer coefficient obtained in apparatus located at the University of Padua (Università Degli Studi di Padova) are carefully analysed. The database includes results for the refrigerants R1234ze(E) and R32 (GWP of 550 and 6, respectively), saturation temperature of 40°C, heat flux up to 35 kW/m², fluid and wall temperature diference up to 10 K, mass velocity in the range of 55 to 275 kg/m²s and vapor quality between 0 and 1. The test section is composed of 36 rectangular minichannels with hydraulic diameter of 1.6 mm. The refrigerant is cooled by water flowing. From a comparison of experimental data for frictional pressure drop and heat transfer coefficient, and prediction methods available in literature, the methods proposed by Jige, Inoue e Koyama (2016) were ranked as the best ones. During the data analyses, focus was put on in order to relate the heat transfer coefficient behavior with the prevailing mecanisms during condensation. Based on this carefull analysis, the predominance of surface tension effects was pointed out under conditions of low mass velocities and condensation inside rectangular minichannels. On the other hand, for high mass velocities shear stress effects prevailed. Also, it has been presented a comparative evaluation of the performance of the refrigerants R1234ze(E), R32 and R134a (GWP of 1300) based on the following criteria: (i) heat transfer rate per unit of power pumping; and (ii) a penalty factor based on the heat transfer potential proposed by Cavallini et al. (2010). According to this evaluation, independently of the mass velocity, the refrigerant R32 was ranked as the one presenting the best performance, followed by R134a ranked as the second best. The refrigerant R1234ze(E) provided the worst performance among them all.

Disponibilidade dos recursos energéticos junto com o despertar da consciência ambiental criaram um interesse por uma condição climática sensível compatível com os recursos disponíveis. Dentro desse cenário o trabalho se volta à necessidade de se criarem e manterem ambientes industriais termicamente adequados aos processos de produção para minimizar as interferências que as condições ambientais exercem sobre os custos dos processos de produtivos e sobre o consumo energético. Os sistemas de resfriamento evaporativo, por sua vez, têm sido a ferramenta de maior potencial de aplicação na criação de ambientes termicamente adequados aos processos. Este modelo revisto de conforto térmico nos coloca um passo à frente para o aumento eficiência energética na construção de projeto de climatização vinculados a temperaturas interiores que atendam conjuntamente tanto aos ocupantes como às atividades que desenvolvem no interior da área climatizada. Apesar de esse sistema apresentar vantagens operacionais, quando comparado a outros sistemas convencionais, existem certas limitações no seu desempenho. Uma das maiores dificuldades das instalações destes sistemas reside na existência de incertezas em qualquer resultado. Possibilitar um controle dos parâmetros, minimizando os erros de aplicação, evitando criar no ambiente um desconforto de tal grau que inviabilize sua aplicação, é o fundamento deste trabalho. A busca passa a ser pela garantia da aceitabilidade dos resultados do sistema projetado e seus limites de aplicabilidade. O estudo das variáveis que interferem no processo do resfriamento por micro aspersão permitiu desenvolver um processo que alterara esses parâmetros durante o funcionamento do sistema, interferindo, conforme a necessidade no seu desempenho, garantindo a completa evaporação da água micro aspergida. / Energy resources along with an environmental conscience awakening has created an interest in sensitive climate together with a more understanding regarding the use of available resources. Inside this scenario our work focus on the needs of creating and maintaining industrial environments thermally suited to these production processes that seeking to minimize interference that environmental conditions have on the costs of production processes and energy consumption. Evaporative cooling systems, in turn, has been a interesting tool to be used in the creation of thermally suitable environments to these processes. This new revised thermal comfort model puts us a step forward to increase energy efficiency in elaborating air treatment projects linked to indoor temperatures that meet both the occupants and the activities that develop inside the controlled area. Although this system has operational advantages when compared to other conventional systems, there are some limitations in their performance. A major difficulty of the installation envolving these systems is about the existence of uncertainty in any results. To allow the control of these parameters in order to minimize the errors in this kind of application and to avoid creating environmental discomfort to such a degree that prevent the implementation, it is the foundation of this work. The search is to ensure the acceptability of the results of the system designed and their limits of applicability. The study of the variables that affect the cooling process by misting allowed us to develop a process that altered these parameters during operation of the system, interfering, as required in its performance, ensuring complete evaporation of water applied by misting in the area.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2017-04-19T16:40:27Z No. of bitstreams: 1 Patricia Scalco_.pdf: 2617305 bytes, checksum: 329172a91dc38579cc85445e7b13abf1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-19T16:40:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Patricia Scalco_.pdf: 2617305 bytes, checksum: 329172a91dc38579cc85445e7b13abf1 (MD5) Previous issue date: 2016-01-22 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O estudo de diferentes fontes de energia é de extrema importância, tanto em termos econômicos e sociais, como no âmbito ambiental. Assim, o uso da energia solar para a geração de calor para alimentar processos que necessitam de temperaturas em torno de 300 ºC aparece como uma alternativa para suprir o uso de combustíveis fósseis em ambientes industriais, seja de forma parcial ou total. Para atingir essa faixa de temperatura, devem ser utilizados equipamentos de alto desempenho e que possam concentrar ao máximo a radiação solar. Assim, é utilizada a tecnologia de refletores Fresnel lineares, que se baseia no princípio de concentração solar, onde os raios solares incidem em espelhos que refletem essa radiação para um receptor. O receptor é composto por um tubo absorvedor e por uma segunda superfície refletora, conhecida como concentrador secundário, que tem como função maximizar a quantidade de raios absorvidos pelo receptor. Esse tipo de instalação tem se mostrado competitiva diante de outros tipos de concentração solar devido à sua estrutura simples, custo reduzido e fácil manutenção. Assim, neste trabalho serão analisados aspectos ópticos e térmicos do conjunto do receptor, tanto para o concentrador secundário do formato trapezoidal como para o CPC. Para isso, o estudo foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa foi feito o traçado de raios para as duas geometrias do concentrador secundário estudadas afim de determinar o fator de interceptação e as perdas ópticas envolvidas neste processo. Além disso, foi analisada a influência da inserção de uma superfície de vidro na base do receptor. A segunda etapa consistiu na análise térmica, onde foi feito o estudo da transferência de calor no receptor com a finalidade de determinar a eficiência do sistema, bem como os fatores que influenciam no desempenho do mesmo. Na análise geométrica, o fator de interceptação para a concentrador secundário do tipo trapezoidal foi de 36% para o receptor aberto e 45% para o receptor com o fechamento de vidro. Para o concentrador secundário do tipo CPC, os resultados foram de 44% para o receptor aberto e 56% para o receptor isolado com vidro. Através da análise térmica, foi possível estabelecer a eficiência do sistema que, para a melhor condição de trabalho, DNI de 1000 W/m², foi de 80%. / The study of different energy sources is extremely important, both in economic and social scope, as well as in the environmental field. Thus, the use of solar energy for the generation of heat to feed processes that require temperatures around 300 ºC appears as an alternative to supply the use of fossil fuels in industrial environments, either partially or totally. To reach this temperature range, high-performance equipment must be used that can concentrate solar radiation to the maximum. Thus, Fresnel linear reflector technology is used, which uses the principle of solar concentration, where the solar rays focus on mirrors that reflect this radiation to the receiver. The receiver is composed of an absorber tube and a second reflecting surface whose function is to maximize the number of rays absorbed by the receiver. This type of installation has been competitive in comparison to other types of solar concentration because of its simple structure, low cost and easy maintenance. Thus, in this work will be analyzed optical and thermal aspects of the receiver set for the trapezoidal and the CPC secondary concentrator. For this, the study was divided into two stages. In the first stage the ray tracing was done for the two geometries of the secondary concentrator studied in order to determine the interception factor and the optical losses involved in this process. In addition, the influence of insertion of a glass surface on the base of the receptor was isolated by isolating it from the environment. The second stage consisted of the thermal analysis, where the heat transfer study was carried out in the receiver in order to determine the efficiency of the system as well as the factors that influence the performance of the system. In the geometric analysis, the interception factor for the trapezoidal secondary concentrator was 36% for the open receptor and 45% for the receptor with the glass enclosure. For the CPC secondary concentrator, the results were 44% for the open receptor and 56% for the receptor with the glass enclosure. Through the thermal analysis, it was possible to establish the efficiency of the system, which, for the best working condition, DNI of 1000 W/m², was 80%.

In the last few decades, augmentation of heat transfer has emerged as an important research topic. Although many promising heat transfer enhancement techniques have been proposed, such as the use of longitudinal vortex generators, few researches deal with thermal optimization. In the present work, it was conducted an optimization of delta winglet vortex generators position and angles in a fin-tube compact heat exchanger with two rows of tubes in staggered tube arrangement. Two approaches were evaluated: Response Surface Methodology (Neural Networking) and Direct Optimization. Finite-Volume based commercial software (Fluent) was used to analyze heat transfer, flow structure and pressure loss in the presence of longitudinal vortex generators (LVG). The delta winglet aspect ratio was 2 and the Reynolds numbers, based on fin pitch, were 250 and 1400. Four vortex generator parameters which impact heat exchanger performance were analyzed: LVG position in direction x-y, attack angle (&#952;) and roll angle (&#7529;). The present work is the first to study the influence of LVG roll angle on heat transfer enhancement. In total, eight independent LVG parameters were considered: (x&#8321;y&#8321;&#952;&#8321;&#7529;&#8321;) for the first tube and (x&#8322;y&#8322;&#952;&#8322;&#7529;&#8322;) for the second tube. Factor Analysis method (software ModeFrontier) was used to study of the influence of these LVG parameters in heat exchanger performance. The effect of each LVG parameter on heat transfer and pressure loss, expressed in terms of Colburn factor (j) and Friction factor (f), respectively, were evaluated. The optimized LVG configurations led to heat transfer enhancement rates that are much higher than reported in the literature. Direct Optimization reported better results than Response Surface Methodology for all objective functions. Important interactions were found between VG1 and VG2, which influenced the results of Colburn (j) and Friction (f) factors for each Reynolds number. Particularly, it was found that the asymmetry of the LVG, in which the VG2 parameters strongly depend on the VG1 parameters, plays a key role to enhance heat transfer. Moreover, for each Reynolds number and each objective function, there is an optimal LVG arrangement. If the objective is to mitigate pressure drop, VG1 may be suppressed because its main goal is increasing the heat transfer downstream. On the other hand, VG2 was relevant for both increase the heat transfer and decrease the pressure drop. Roll angle had a strong influence on Friction factor (f), especially for VG1 and low Reynolds number. / Por muitos anos, a intensificação da transferência de calor tem despontado como um importante tópico de pesquisa. Embora existam muitas técnicas eficazes de intensificação da transferência de calor, como o uso de geradores de vórtices, poucos trabalhos de pesquisa lidam com a otimização. Neste trabalho, foi realizada a otimização das posições e ângulos dos geradores de vórtice longitudinal (LVG) tipo meia asa delta, considerando um trocador de calor tubo-aleta compacto com duas linhas de tubos desalinhados. Duas abordagens foram empregadas: Método da Superfície de Resposta (Neural Networking) e Otimização Direta. Um software comercial (Fluent), baseado na metodologia de volumes finitos, foi empregado na análise numérica da transferência de calor, estruturas vorticais e perda de pressão no escoamento, na presença de LVG. A razão de aspecto dos geradores de vórtice foi 2 e o número de Reynolds, baseado na distância entre as aletas, foram de 250 e 1400. Foram analisados quatro parâmetros dos LVG, os quais impactam na performance do trocador de calor: a posição do LVG na direção x-y, o ângulo de ataque (&#952;) e o ângulo de rolamento (&#7529;). O ângulo de rolamento foi primeiramente estudado neste trabalho. No total, oito parâmetros independentes do LVG foram considerados: (x&#8321;y&#8321;&#952;&#8321;&#7529;&#8321;) para o primeiro tubo e (x&#8322;y&#8322;&#952;&#8322;&#7529;&#8322;) para o segundo tubo. O método da Análise Fatorial (software ModeFrontier) foi aplicado no estudo da influência destes parâmetros dos LVG na performance do trocador de calor. Também foi avaliado o efeito de cada um destes parâmetros na transferência de calor e perda de pressão do escoamento, expressos em termos do fator de Colburn (j) e do fator de Atrito (f), respectivamente. As configurações otimizadas dos LVG, conduziram à taxas de transferência de calor maiores do que aquelas reportadas pela literatura. A Otimização Direta mostrou resultados melhores do que através da metodologia de Superfície de Resposta para todas as funções objetivas avaliadas neste trabalho. Importantes interações foram identificadas entre VG1 e VG2, os quais influenciaram nos resultados dos fatores de Colburn (j) e Atrito (f) para cada número de Reynolds. Particularmente, foi identificado que a assimetria dos LVG desempenha um papel fundamental na intensificação da transferência de calor, onde os parâmetros de VG2 dependem fortemente dos parâmetros de VG1. Além disso, para cada número de Reynolds e para cada função objetivo, existe uma configuração ótima dos parâmetros do LVG. Se o objetivo é a redução da perda de pressão global, VG1 poderia ser suprimido da modelagem, pois a sua principal função é aumentar a transferência de calor ao longo da aleta. Por outro lado, VG2 foi relevante tanto para aumentar a transferência de calor quanto para diminuir a perda de pressão. O ângulo de rolamento teve grande influência sobre o resultado do fator de Atrito (f), especialmente para VG1 e para baixo número de Reynolds.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho o processo não linear de transmissão de calor condução-radiação é abordado num contexto bidimensional plano e simulado com o uso de um esquema linear em diferenças finitas. O problema original é tratado como o limite de uma sequencia de problemas lineares, do tipo condução-convecção. Este limite, cuja existência é comprovada, é facilmente obtido a partir de procedimentos básicos, accessíveis a qualquer estudante de engenharia, permitindo assim o emprego de hipóteses mais realistas, já que não se tem o limitante matemático para a abordagem numérica de uma equação diferencial parcial elíptica. Neste trabalho foi resolvido o problema de condução de calor em regime permanente em uma placa com condições de contorno convectivas e radioativas utilizando-se o software MatLab, vale ressaltar, que a mesma metodologia é aplicável para geometrias mais complexas. / In this work the nonlinear conduction-radiation heat transfer process is considered under a plane two dimensional assumption and simulated by means of a finite difference linear scheme. The original problem is regarded as the limit (which always exists) of a sequence of linear problems like the conduction-convection ones. Such a limit is reached in an easy way by means of standard procedures, available for any undergraduate engineering student, allowing the employment of more realistic hypotheses, since the mathematical complexities are not a constraint for simulating the elliptic partial differential equation. This work solved the problem of heat conduction in steady state conditions on a plate with convective and radioactive contour using MatLab software, it is noteworthy that the same methodology is applicable to more complex geometries.