Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PedroSGM_DISSERT.pdf: 2326508 bytes, checksum: 0470d41afc69c7b0199856916c484045 (MD5) Previous issue date: 2012-12-17 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Cada vez mais o mundo est? adotando uma matriz energ?tica limpa e sustent?vel, com o uso da agricultura para produ??o de agroenergia e combust?veis verdes, como bioetanol e biodiesel. A produ??o do biodiesel gera um coproduto, a glicerina, em que as usinas produtoras t?m dificuldades com o destino do seu excedente. V?rias pesquisas est?o sendo desenvolvidas para nortear diferentes usos do glicerol (glicerina pura). O glicerol possui total solubilidade com a ?gua e pode ser usado como aditivo anticongelante aplicado como fluido refrigerante secund?rio, em sistemas de refrigera??o indireta e com termoacumula??o. Tamb?m, o glicerol ? uma mat?ria-prima alternativa na produ??o de propilenoglicol, um ?lcool de grande aplicabilidade industrial inclusive como anticongelante. Por?m, o melhor ?lcool anticongelante ? o etilenoglicol, um ?lcool t?xico derivado do petr?leo. As solu??es ?gua-glicerol (AG) e ?gua-propilenoglicol (AP) possuem propriedades termof?sicas de qualidade inferior e desequilibradas se comparadas ?s solu??es ?gua-etilenoglicol (AE). Desta forma, esta pesquisa inovadora teve como prop?sito o desenvolvimento e a caracteriza??o de solu??es tern?rias ?gua-glicerol-propilenoglicol (AGP) como fluidos secund?rios, com propriedades termof?sicas desej?veis e competitivas com as solu??es ?gua-etilenoglicol. Equa??es preditivas simplificadas foram usadas para prever o comportamento das solu??es AGP, onde as seguintes propriedades termof?sicas foram avaliadas e estimadas teoricamente: ponto de congelamento, massa espec?fica, calor espec?fico e condutividade t?rmica. As concentra??es para definir o ponto de congelamento das solu??es AGP foram definidas a partir da Lei de Raoult das propriedades coligativas. A an?lise matem?tica inicial mostrou que as solu??es AGP possuem propriedades mais equilibradas que as solu??es AG e AP e competitiva com a solu??o AE. A comprova??o experimental das solu??es AGP foi feita a partir de ensaios para verificar suas propriedades (massa espec?fica, condutividade t?rmica e viscosidade din?mica), comparando com as solu??es de refer?ncia AG e AP. Os resultados experimentais comprovaram as expectativas iniciais e viabilidade t?cnica do novo fluido secund?rio tern?rio. A grande vantagem dos fluidos AGP ? que s?o at?xicos e derivam de fontes renov?veis

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives. / This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.

L'objectif de cette recherche est d'établir des mécanismes de formation de la structure des systèmes hybrides organique-inorganique à base des oligomères uréthane et silicates en fonction de la réactivité de la composant organique, d'identifier l'impact de l'organisation structurelle du OIS obtenue sur leurs propriétés électriques et thermomécaniques, de sorption et de l'activité du capteur. La signification pratique des résultats est la détermination de l'impact de la réactivité composant organique sur la structure des systèmes hybrides polymère organique-inorganique avec la possibilité d'obtenir des matériaux avec des propriétés spéciales prévisibles. Les résultats peuvent être utilisés comme base scientifique pour comprendre l'interconnexion de la structure, les propriétés et les moyens de leur régulation en direction de systèmes hybrides polymère organique-inorganique. La sensibilité très élevée pour les différents types de solvants, qui, combiné avec une haute sélectivité, a été révélé pour les systèmes de synthèse, la possibilité de leur utilisation pratique en tant que matières capteur existe. / The aim of the research is to establish mechanisms of structure formation of hybrid organic-inorganic systems based on urethane oligomers and silicates, depending on reactivity of organic component, to identify the impact of structural organization of OIS obtained on their electrophysical and thermomechanical properties, sorption and sensor activity.The practical significance of the results is the determination of the impact of organic component reactivity on the structure of hybrid organic-inorganic polymer systems with the possibility of obtaining of the materials with predictable special properties. The results can be used as scientific basis for understanding the interconnection of structure, properties and ways of their directional regulation of hybrid organic-inorganic polymer systems. Whereas, the extremely high sensitivity to different types of solvents, which combined with the high selectivity, was revealed for the synthesized systems, the possibility of their practical use as sensor materials exists.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Steel has played an indispensable role in shaping our contemporary world  and will persist to play that role for the foreseeable future. However, the steel industry currently is responsible for 7% of the global CO2-emissions, primarily due to the conventional carbon-based reduction process of iron ore. Fossil-free steel manufacturing, such as hydrogen direct reduction,  could essentially make the  CO2-emissions from primary steel production obsolete. The product from hydrogen-based direct reduction of iron ore is H-DRI, which subsequently are molten in an EAF to produce crude steel. Due to H-DRI  being   a   novel   product,   its   thermophysical   properties   are   not   well documented,  which  are  essential  when  investigating  the  heating  and dissolution behavior.  When  feeding  H-DRI  to  an  EAF,  ferrobergs  may  form,  which  consist  of unmolten material that interrupts the continuous melting process. It is not established whether the heat transfer of the pellets or the heat transfer to the pellets is the leading cause of ferroberg-formation. Modelling the melting process in an EAF is considered near impossible, therefore a simplified heating model of H-DRI was required. In the present thesis, H-DRI pellets were examined with heating experiments in a lab-scale vertical tube furnace to 1500°C  while  the  surface- and center  temperatures  of  the  pellets were  measured.  The measured  surface  temperatures  were  applied  as  varying boundary  conditions  in COMSOL  Multiphysics  heat transfer simulations of  H-DRI  and H-HBI.  The  thermal conductivity  function  was  utilized  as  an  adjustable  parameter to  fit  the  theoretical center temperatures from the heat transfer simulations with the experimental center temperatures to acquire the temperature dependent effective heat conductivity and thermal diffusivity of H-DRI. By establishing an estimate correlation between the heat conductivity of H-DRI and H-HBI, the thermal conductivity and thermal diffusivity of H-HBI could also be obtained. The experiments together with the heat transfer simulations proved to be effective and yielded successful results of the effective heat conductivity and thermal diffusivity of H-DRI  and  H-HBI,  which  can  be  used  in  process  design,  future  models,  and simulations. Furthermore, it is unlikely that ferroberg-formation is caused by slow heat transfer of the H-DRI. It is more likely that it is due to slow heat transfer to the H-DRI. Therefore, the focus should be to increase the heat transfer to the H-DRI pellets while melting in an EAF to avoid ferrobergs. / Stål har haft en oumbärlig roll i att forma vår samtida värld och kommer att fortsätta att inneha  den  rollen  under  en  överskådlig  framtid.  Men  stålindustrin  ansvarar närvarande  för  7%  av  den  totala  globala  CO2-utsläppen,  främst  på  grund  av den konventionella kolbaserade reduktionsprocessen av järnmalm. Fossilfri ståltillverkning, som direktreduktion av järnmalm med vätgas, kan i princip göra CO2-utsläppen   från   primärståltillverkning föråldrat.   Produkten   från   vätgasbaserad direktreduktion  av järnmalm  är  H-DRI,  som  sedan  smälts  i  en  ljusbågsugn  för att producera  råstål. Eftersom  H-DRI  är  en  ny  produkt  så  är  dess  termofysiska egenskaper,  som  är väsentliga  när  man  undersöker  dess  uppvärmnings-  och smältbeteende, inte väl dokumenterat. Vid matning av H-DRI till en ljusbågsugn kan det bildas  ferroberg  som består  av  osmält  material  som  hindrar  den  kontinuerliga smältningsprocessen. Det är inte fastställt om det är värmeöverföringen i pelletsen eller värmeöverföringen  till pelletsen  som  är  den  främsta  orsaken  till  att  ferroberg bildas. Modellering  av  smältprocessen  i  en  ljusbågsugn  anses  nästintill  omöjlig, därför krävdes en förenklad uppvärmningsmodell av H-DRI. I detta examensarbete undersöktes H-DRI-pellets med uppvärmningsexperiment i en vertikal rörugn till 1500°C samtidigt som yt- och centrumtemperaturerna för pelletsen mättes. De uppmätta yttemperaturerna  användes  som  varierande  randvillkor  i  COMSOL Multiphysics värmeöverföringssimuleringar  av  H-DRI  och  H-HBI.  Den  termiska konduktiviteten användes som en justerbar parameter för att anpassa de teoretiska centrumtemperaturerna från värmeöverföringssimuleringarna med de experimentella centrumtemperaturerna  för  att  erhålla  den  temperaturberoende effektiva  termiska konduktiviteten och termiska diffusiviteten för H-DRI. Genom  att   fastställa   en uppskattad korrelation mellan värmeledningsförmågan för H-DRI och H-HBI, kunde även den termiska konduktiviteten och termiska diffusiviteten för H-HBI erhållas. Experimenten  tillsammans  med  värmeöverföringssimuleringarna  visade  sig  vara effektiva och gav framgångsrika resultat av den effektiva termiska konduktiviteten och termiska  diffusiviteten  hos H-DRI och H-HBI,  som  kan  användas  i  processdesign, framtida modeller och simuleringar. Det är osannolikt att ferrobergbildning orsakas av långsam värmeöverföring  i H-DRI, utan det är mer troligt att det beror  på långsam värmeöverföring till H-DRI. Därför bör fokus vara att öka värmeöverföringen till H-DRI pellets i en ljusbågsugn för att undvika ferrobergbildning.

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L’avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d’une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d’adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d’informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L’analyse de sensibilité, basée sur l’étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la «physique» des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé. / Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the «physical» meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.