O presente trabalho trata do fenômeno da transferência simultânea de calor e massa em meios porosos não saturados, especificamente em paredes de edificações. O conhecimento do comportamento térmico destas paredes é de grande importância no estudo do desempenho térmico de ambientes internos da edificação. Uma grande parte das pesquisas disponíveis nesta área avalia somente o fenômeno da troca de energia, desconsiderando os efeitos provocados pelo transporte de umidade no interior da parede. Este transporte influencia a transferência de calor pois tanto umidade quanto energia são transferidos devido à influência combinada de gradientes térmicos e de conteúdo de umidade. Neste contexto, situa-se o objetivo deste trabalho de investigar o efeito da inclusão do transporte de umidade no processo de transferência de calor e por conseqüência nos valores dos fluxos térmicos. O modelo clássico de Philip e de Vries para a análise do transporte simultâneo de calor e massa em meios porosos insaturados é utilizado; neste modelo as equações da conservação da massa e da energia são obtidas utilizando-se as leis fenomenológicas da difusão de massa (Lei de Darcy para a fase líquida e Lei de Fick para a fase vapor) e calor (Lei de Fourier). As equações assim obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e massa, através de difusividades associadas a estes gradientes. As equações diferenciais governantes são resolvidas numericamente através do Método dos Volumes Finitos utilizando integração temporal totalmente implícita. Para a análise dos processos, dois tipos de parede são utilizadas. A primeira representa uma parede tipicamente americana, cujo comportamento térmico já foi investigado por outros autores e cujos resultados serviram para validar o método utilizado neste trabalho. A segunda parede tem a configuração de uma parede brasileira e foi o objeto principal da análise dos resultados apresentados. Para as duas configurações são assumidas trocas convectivas em ambos os lados da parede e também condição de impermeabilidade ao fluxo de massa. As expressões para as propriedades difusivas e termofisicas dos materiais que compõe as paredes foram retiradas da literatura. Os resultados são apresentados na forma de perfis de temperatura e conteúdo de umidade em função do tempo para as duas situações simuladas: processo térmico somente e processo acoplado de transporte de calor e umidade. Também são explorados os resultados referentes aos valores do fluxo de calor junto às faces externa e interna da parede para os dois processos investigados. / The present work studies the simultaneous heat and mass transfer phenomena in insaturated porous means, specifically in building walls. The knowledge of the thermal behavior of these walls is of great importance for the study of the building internai environment. A great part of the available research in this area evaluate only the heat transfer phenomena, ignoring the effects caused by the moisture transport inside the wall. This transport influences the heat transfer because as much moisture as energy is transferred due to the combined gradients of thermal and moisture content The main objective of this work is to investigate the effect of the inclusion of the moisture transport in the heat transfer process and, as a consequence, in the thermal flow values. The classic model by Philip and De Vries for the analysis of the simultaneous heat and mass transfer in insaturated porous media is used. In that model, the mass and energy conservation equations are obtained using the fenomenological laws of mass diffusion (Darcy's law for the liquid phase and Fick's law for the phase vapor) and heat diffusion (Fourier's law). The governing equations are then recovered in such a way that the influence of the thermal and moisture content gradients are explicit in the heat and mass transport processes, through the difusivities associated to these gradients. The governing equations are numerically solved using the Finite Volume Method. In order to analyse the results, two types of wall are used. The first represents a typically american wall, whose thermal behavior was already investigated by others authors and whose results are used to validate the method used in this work. The second wall has the configuration of a brazilian wall and is the main object of analysis addressed here. For the two configurations, convective boundary conditions are assumed on both sides of the wall along with a condition of mass flow impermeability. The expressions for the thermophysics and difusivities properties of the materiais that compose the walls were obtained by the literature. The results are presented in the form of temperature and moisture content profiles as a function of time for two simulated situations: thermal process and a coupled heat and moisture transport process. In adition, values of the external and internal heat flows are compared for the two processes investigated.

O crescimento de fungos e de bactérias em alimentos representa riscos à saúde dos consumidores e gera perdas econômicas significativas. Seu controle pode ser alcançado com o ajuste correto das condições de operação e de armazenamento de produtos alimentícios. Neste contexto, a modelagem e a simulação de processos, integrando a cinética de crescimento microbiano ao equacionamento que descreve os fenômenos de transferência de calor e de massa em alimentos, é uma ferramenta útil para tal análise. No presente trabalho investigou-se o crescimento do fungo filamentoso Byssochlamys fulva em polpa de mamão. Foram desenvolvidos modelos matemáticos para avaliar o efeito da natureza do susbstrato e de condições dinâmicas de temperatura sobre o aumento de raio da colônia desse microrganismo durante o processo de resfriamento do produto. Os resultados mostraram que a polpa de mamão favorece o desenvolvimento de B. fulva. Neste substrato, o valor médio encontrado para a taxa de aumento radial da colônia do microrganismo e para o tempo de duração da fase lag, predito pelo modelo Gompertz modificado a 28oC, foi 15,3 mm/dia e 38 horas, respectivamente. Pequenas oscilações de pH e de teor de glicose do meio de cultura apresentaram efeito pouco significativo sobre o comportamento desse fungo. Em condições dinâmicas de temperatura, as simulações do processo de resfriamento da polpa indicaram que o abuso na temperatura inicial do produto (28oC), associado a condições que limitam a capacidade do sistema de refrigeração (velocidade do ar igual a 0,5 m/s), reduz de 103 horas para 32 horas o tempo necessário para o surgimento de colônias visíveis do fungo no alimento – tempo de vida útil do produto, no contexto deste trabalho. Nestas mesmas condições, o aumento na taxa de resfriamento da polpa de mamão, devido à aplicação dos mecanismos simultâneos de transferência de calor convectivo e evaporativo, apresentou efeito expressivo sobre o tempo de vida útil da polpa de mamão, aumentando-o em 70%, comparativamente ao resfriamento pelo mecanismo exclusivamente convectivo. Este trabalho demonstrou que, embora o período transiente de resfriamento do alimento seja curto em relação ao tempo total de seu armazenamento, sua influência sobre a dinâmica de crescimento de Byssochlamys fulva em polpa de mamão é significativa. / Spoilage of food by fungi and bacteria is an important subject both because of economic issues and because of questions of food safety. The correct adjustment of operational and storage conditions of the products can control the growth of microorganisms. In this context, integrating kinetic microbial models with heat and mass transfer equations to simulate the growth behavior of microorganisms in food is a useful tool to analyse and improve the food processing. In the present work, the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp was investigated. Mathematical models were developed to evaluate the effect of the kind of the substrate and the dynamic temperature conditions on the growth behavior of this mold during the cooling process of the product. The results showed that papaya pulp is a favorable substrate to the growth of B. fulva. According to Gompertz model, at 28oC, the mean value for the radial growth rate and for lag phase time of this microorganism on this substrate was 15.3 mm/day and 38 hours, respectively. Small fluctuations in pH and in glucose content of the substrate have little effect on the growth behavior of the mould. At dynamic temperature, the cooling process simulation of papaya pulp indicated that excessive initial temperature (28oC), associated with low capacity of refrigeration system (air stream velocity equal to 0.5 m/s), reduces the product’s shelf-life from 103 hours to 32 hours. In this scenario, the shelf-life can be increased up to 70%, improving the convective heat transfer process by the evaporative cooling effect comparing to the mechanism of cooling purely convective. Although the transient period of the cooling process of the food is short related to the total storage time, the transient period influences significantly the dynamic of the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp.

O crescimento de fungos e de bactérias em alimentos representa riscos à saúde dos consumidores e gera perdas econômicas significativas. Seu controle pode ser alcançado com o ajuste correto das condições de operação e de armazenamento de produtos alimentícios. Neste contexto, a modelagem e a simulação de processos, integrando a cinética de crescimento microbiano ao equacionamento que descreve os fenômenos de transferência de calor e de massa em alimentos, é uma ferramenta útil para tal análise. No presente trabalho investigou-se o crescimento do fungo filamentoso Byssochlamys fulva em polpa de mamão. Foram desenvolvidos modelos matemáticos para avaliar o efeito da natureza do susbstrato e de condições dinâmicas de temperatura sobre o aumento de raio da colônia desse microrganismo durante o processo de resfriamento do produto. Os resultados mostraram que a polpa de mamão favorece o desenvolvimento de B. fulva. Neste substrato, o valor médio encontrado para a taxa de aumento radial da colônia do microrganismo e para o tempo de duração da fase lag, predito pelo modelo Gompertz modificado a 28oC, foi 15,3 mm/dia e 38 horas, respectivamente. Pequenas oscilações de pH e de teor de glicose do meio de cultura apresentaram efeito pouco significativo sobre o comportamento desse fungo. Em condições dinâmicas de temperatura, as simulações do processo de resfriamento da polpa indicaram que o abuso na temperatura inicial do produto (28oC), associado a condições que limitam a capacidade do sistema de refrigeração (velocidade do ar igual a 0,5 m/s), reduz de 103 horas para 32 horas o tempo necessário para o surgimento de colônias visíveis do fungo no alimento – tempo de vida útil do produto, no contexto deste trabalho. Nestas mesmas condições, o aumento na taxa de resfriamento da polpa de mamão, devido à aplicação dos mecanismos simultâneos de transferência de calor convectivo e evaporativo, apresentou efeito expressivo sobre o tempo de vida útil da polpa de mamão, aumentando-o em 70%, comparativamente ao resfriamento pelo mecanismo exclusivamente convectivo. Este trabalho demonstrou que, embora o período transiente de resfriamento do alimento seja curto em relação ao tempo total de seu armazenamento, sua influência sobre a dinâmica de crescimento de Byssochlamys fulva em polpa de mamão é significativa. / Spoilage of food by fungi and bacteria is an important subject both because of economic issues and because of questions of food safety. The correct adjustment of operational and storage conditions of the products can control the growth of microorganisms. In this context, integrating kinetic microbial models with heat and mass transfer equations to simulate the growth behavior of microorganisms in food is a useful tool to analyse and improve the food processing. In the present work, the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp was investigated. Mathematical models were developed to evaluate the effect of the kind of the substrate and the dynamic temperature conditions on the growth behavior of this mold during the cooling process of the product. The results showed that papaya pulp is a favorable substrate to the growth of B. fulva. According to Gompertz model, at 28oC, the mean value for the radial growth rate and for lag phase time of this microorganism on this substrate was 15.3 mm/day and 38 hours, respectively. Small fluctuations in pH and in glucose content of the substrate have little effect on the growth behavior of the mould. At dynamic temperature, the cooling process simulation of papaya pulp indicated that excessive initial temperature (28oC), associated with low capacity of refrigeration system (air stream velocity equal to 0.5 m/s), reduces the product’s shelf-life from 103 hours to 32 hours. In this scenario, the shelf-life can be increased up to 70%, improving the convective heat transfer process by the evaporative cooling effect comparing to the mechanism of cooling purely convective. Although the transient period of the cooling process of the food is short related to the total storage time, the transient period influences significantly the dynamic of the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp.

O crescimento de fungos e de bactérias em alimentos representa riscos à saúde dos consumidores e gera perdas econômicas significativas. Seu controle pode ser alcançado com o ajuste correto das condições de operação e de armazenamento de produtos alimentícios. Neste contexto, a modelagem e a simulação de processos, integrando a cinética de crescimento microbiano ao equacionamento que descreve os fenômenos de transferência de calor e de massa em alimentos, é uma ferramenta útil para tal análise. No presente trabalho investigou-se o crescimento do fungo filamentoso Byssochlamys fulva em polpa de mamão. Foram desenvolvidos modelos matemáticos para avaliar o efeito da natureza do susbstrato e de condições dinâmicas de temperatura sobre o aumento de raio da colônia desse microrganismo durante o processo de resfriamento do produto. Os resultados mostraram que a polpa de mamão favorece o desenvolvimento de B. fulva. Neste substrato, o valor médio encontrado para a taxa de aumento radial da colônia do microrganismo e para o tempo de duração da fase lag, predito pelo modelo Gompertz modificado a 28oC, foi 15,3 mm/dia e 38 horas, respectivamente. Pequenas oscilações de pH e de teor de glicose do meio de cultura apresentaram efeito pouco significativo sobre o comportamento desse fungo. Em condições dinâmicas de temperatura, as simulações do processo de resfriamento da polpa indicaram que o abuso na temperatura inicial do produto (28oC), associado a condições que limitam a capacidade do sistema de refrigeração (velocidade do ar igual a 0,5 m/s), reduz de 103 horas para 32 horas o tempo necessário para o surgimento de colônias visíveis do fungo no alimento – tempo de vida útil do produto, no contexto deste trabalho. Nestas mesmas condições, o aumento na taxa de resfriamento da polpa de mamão, devido à aplicação dos mecanismos simultâneos de transferência de calor convectivo e evaporativo, apresentou efeito expressivo sobre o tempo de vida útil da polpa de mamão, aumentando-o em 70%, comparativamente ao resfriamento pelo mecanismo exclusivamente convectivo. Este trabalho demonstrou que, embora o período transiente de resfriamento do alimento seja curto em relação ao tempo total de seu armazenamento, sua influência sobre a dinâmica de crescimento de Byssochlamys fulva em polpa de mamão é significativa. / Spoilage of food by fungi and bacteria is an important subject both because of economic issues and because of questions of food safety. The correct adjustment of operational and storage conditions of the products can control the growth of microorganisms. In this context, integrating kinetic microbial models with heat and mass transfer equations to simulate the growth behavior of microorganisms in food is a useful tool to analyse and improve the food processing. In the present work, the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp was investigated. Mathematical models were developed to evaluate the effect of the kind of the substrate and the dynamic temperature conditions on the growth behavior of this mold during the cooling process of the product. The results showed that papaya pulp is a favorable substrate to the growth of B. fulva. According to Gompertz model, at 28oC, the mean value for the radial growth rate and for lag phase time of this microorganism on this substrate was 15.3 mm/day and 38 hours, respectively. Small fluctuations in pH and in glucose content of the substrate have little effect on the growth behavior of the mould. At dynamic temperature, the cooling process simulation of papaya pulp indicated that excessive initial temperature (28oC), associated with low capacity of refrigeration system (air stream velocity equal to 0.5 m/s), reduces the product’s shelf-life from 103 hours to 32 hours. In this scenario, the shelf-life can be increased up to 70%, improving the convective heat transfer process by the evaporative cooling effect comparing to the mechanism of cooling purely convective. Although the transient period of the cooling process of the food is short related to the total storage time, the transient period influences significantly the dynamic of the growth of Byssochlamys fulva in papaya pulp.

Esta dissertação de mestrado considera a transferência de calor combinando convecção e radiação térmica no escoamento de gases participantes em dutos de seção circular. Partindo de uma metodologia geral, o trabalho enfoca principalmente os casos típicos de aplicação em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, em que gases em alta temperatura escoam através de um tubo mantido em temperatura uniforme. O escoamento é turbulento e o perfil de velocidade é plenamente desenvolvido desde a entrada do duto. A temperatura do gás, contudo, é uniforme na entrada, considerando-se a região de desenvolvimento térmico. Duas misturas de gases são tratadas, ambas constituídas por dióxido de carbono, vapor d’água e nitrogênio, correspondendo a produtos típicos da combustão estequiométrica de óleo combustível e metano. As propriedades físicas dos gases são admitidas uniformes em todo o duto e calculadas na temperatura de mistura média, enquanto que as propriedades radiantes são modeladas pela soma-ponderada-de-gases-cinzas. O campo de temperatura do gás é obtido a partir da solução da equação bidimensional da conservação da energia, sendo os termos advectivos discretizados através do método de volumes de controle com a função de interpolação Flux-Spline; as trocas de energia radiantes são avaliadas por meio do método das zonas, onde cada zona de radiação corresponde a um volume de controle. Em um primeiro passo, a metodologia é verificada pela comparação com resultados apresentados na literatura para a transferência de calor envolvendo apenas convecção e combinando convecção com radiação. Em seguida, discutem-se alguns efeitos da inclusão da radiação térmica, por exemplo, no número de Nusselt convectivo e na temperatura de mistura do gás. Finalmente, são propostas correlações para o número de Nusselt total, que leva em conta tanto a radiação quanto a convecção. Essa etapa exige inicialmente uma análise dos grupos adimensionais que governam o processo radiante para redução do número elevado de parâmetros independentes. As correlações, aplicáveis a situações encontradas em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, são validadas estatisticamente pela comparação com os resultados obtidos pela solução numérica. / This dissertation considers the heat transfer combining convection and thermal radiation in the flow of participating gases inside circular tubes. Starting from a general methodology, the work is focused on typical cases applied to small and medium sized smoketube steam generators, in which gases in high temperature flow through tubes having uniform temperature. The fluid flow is turbulent and fully developed at the duct entrance. The gas temperature, however, is uniform at the entrance, and so the thermal development is considered. Two gaseous mixtures are treated, both ones being composed of carbon dioxide, water vapor and nitrogen, corresponding to typical products of stoichiometric combustion of fuel oil and methane. The thermophysical properties of the gases are assumed to be uniform and evaluated at the gas average bulk temperature, while the radiative properties are computed from the weighted-sum-of-gray-gases model. The gases temperature fields are obtained from the solution of the two-dimensional energy conservation equation, in which the advective terms are computed by the Flux-Spline control volume method, and the radiative exchanges are determined by the zonal method, where each radiative zone corresponds to a control volume. In a first step, the methodology is verified by a comparison of the obtained results with those available in the literature for heat transfer considering only convection and combining convection to radiation. Next, the effects of including thermal radiation, for instance, on the convective Nusselt number and on the gas bulk temperature, are discussed. Finally, correlations are proposed for the total Nusselt number, which takes into account both radiation and convection. This step requires initially a dimensional analysis to reduce the number of independent parameters. The correlations, applied to situations that are found in small and medium sized smoketube steam generators, are validated statistically by the comparison with the results obtained from the numerical solution.

A pasteurização é um processo térmico de tratamento de alimentos, sendo amplamente difundido na indústria de bebidas. É ela que provê ao produto sua durabilidade dentro dos padrões adequados ao consumo humano. Suas ações também têm impacto direto nas propriedades organolépticas e estabilidade química do produto. Os produtos geralmente são pasteurizados em equipamentos de grandes dimensões, chamados de túneis pasteurizadores. Nestes equipamentos, os alimentos são pasteurizados no sistema in-package, ou seja, já envasados, de forma a eliminar os microorganismos presentes também no vasilhame. Este trabalho tem por objetivo a investigação dos fenômenos de transferência de calor que ocorrem na pasteurização de cerveja engarrafada bem como a elaboração de um modelo analítico visando permitir um controle do processo térmico. Para a obtenção dos valores dos coeficientes de troca térmica global foi projetada e construída uma bancada de testes que permite recriar as mesmas condições existentes nas máquinas reais. Com esta bancada são obtidos resultados que permitem analisar os coeficientes globais de transferência de calor e estudadas suas relações com a massa e geometria do vasilhame em estudo. Estes coeficientes alimentam um modelo analítico proposto que possa ser facilmente implementado de forma a consolidar o sistema de controle do processo de pasteurização. Os coeficientes obtidos atingem uma boa confiabilidade do modelo para este caso em estudo além de permitir um conhecimento mais profundo sobre o processo térmico e seu comportamento fluidodinâmico. De forma a consolidar o pressente trabalho, simulações numéricas são realizadas para permitir a uma visualização mais clara das características de processo através os campos de temperatura e velocidade, para comprovação das observações efetuadas nos estudos experimentais. O modelo proposto de transferência de calor para o controle do processo, com seus coeficientes, juntamente com o equacionamento da intensidade de pasteurização, permitiram a construção de uma máquina onde os resultados deste estudo são utilizados, atingindo uma eficiência de processo da ordem de 95%, suficiente para a consolidação da solução junto ao mercado. / Pasteurization is one of the most important processes applied in drinking industry. It is the process that provides the product the needed durability in order to ensure a secure consumption for human beings. The effects of pasteurization also affect the organoleptic properties of the products and its chemical stability. The products are pasteurized in large equipments called tunnel pasteurizers, and the process is also called in-package pasteurization. That means that the product is processed already bottled, in order to eliminate the microorganisms that may be present in the bottle. This work has the purpose to investigate the physical phenomena’s that occurs during beer pasteurization, and to elaborate an analytical model that describes the thermal problem. In order to acquire the global heat transfer coefficients, as the analysis of the thermal resistances involved, it is designed and constructed an analysis machine that creates all the conditions that can be found in real machines. With this analysis machine, it is obtained the results of the global heat transfer coefficients, and it relations with the mass and the geometry aspect ratio of the bottle. The coefficients will be implemented in the model proposed in order to allow the creation of a pasteurization control system that can be programmed for a real machine, today not featured in the machines offered in the Brazilian market The obtained coefficients ensures a good reliability of the model for this special purpose as also allows a depth knowledge of the thermal and fluid-dynamic process, for future studies that can be developed in the area. For the consolidation of the proposed model, investigations are performed using numerical methods for a complete observation of the most important features that has influence in the process. This work enabled the construction of a real machine with pasteurization process control, using the model together with the obtained heat transfer coefficients. Some results of measures made at this machine are presented, showing that it can ensure a efficiency of 95%. This result turns to be good enough in order to approve the machine for operations in the domestic market.

Este trabalho teve como objetivo avaliar e analisar comparativamente, a partir do ensaio de resistência ao calor, a performance das formas construtivas de 1 camada e 3 camadas dos defletores de calor, bem como o desempenho dos diferentes materiais utilizados em sua produção. Neste estudo foram utilizados três diferentes materiais metálicos e dois distintos isolantes térmicos. Os materiais metálicos avaliados nas camadas externas dos sistemas ensaiados foram: i) aço revestido com Al-Si, comercialmente chamado de aço aluminizado; ii) aço revestido com Zn-55Al, comercialmente chamado de Galvalume®; e iii) alumínio liso, chamado comercialmente de alumínio puro. Os isolantes térmicos cerâmicos avaliados na camada intermediária da configuração de 3 camadas foram: o isolante térmico Protec® e o papel Fiberfrax® 970A. Com o ensaio de resistência ao calor avaliou-se a condutividade térmica das diferentes formas construtivas de defletores de calor, considerando-se o modo de condução, o qual é o principal modo de transmissão de calor atuante nos defletores. O fenômeno de convecção não foi considerado. Foi proposto um fator de eficiência que se mostrou um parâmetro eficaz de correlação entre as temperaturas interna e externa desenvolvidas no ensaio de resistência ao calor, permitindo a análise comparativa entre as formas construtivas e os materiais testados. Os resultados obtidos mostraram um desempenho superior da forma construtiva de 3 camadas quando comparada com a forma construtiva de 1 camada, para todos os materiais testados. O revestimento de Al-Si e o a superfície do alumínio não apresentaram alterações morfológicas superficiais após o ensaio de resistência ao calor, não ocorrendo um comprometimento das suas propriedades nas temperaturas estudadas. O revestimento de Zn- 55Al apresentou alteração morfológica superficial após o ensaio de resistência ao calor, indicando um comprometimento das suas propriedades nas temperaturas estudadas. Ambos os isolantes térmicos estudados, Protec® e Fiberfrax®, apresentaram um desempenho térmico similar, sem diferenças significativas em suas performances. / The aim of this study was to analyze and evaluate comparatively, with the heat resistance test, the performance of 1 layer and 3 layers of constructive systems of thermal acoustic protective shields, as well as the performance of different materials applied in their production. In this study both three different metallic materials and two different insulators were used. The metallic materials evaluated in the outer layers of the tested systems were the following: i) steel coated with Al-Si, commercially called aluminized steel ii) steel coated with Zn-55Al, commercially known as Galvalume®, and iii) smooth aluminum, commercially called pure aluminum. The ceramic insulators evaluated in the intermediate layer of 3 layer constructive system were the insulator Protec® and paper insulator Fiberfrax® 970 A. The thermal conductivity of different constructive systems of heat shields was evaluated with the heat resistance test, considering the conduction mode, which is the main mode of heat transfer active in the shields. The phenomenon of convection was not considered in this study. In this work it was proposed an efficiency factor that proved to be an effective correlation parameter between the internal and external temperatures developed in the heat resistance test, allowing a comparative analysis among constructive systems and the tested materials. The results showed a superior performance of the 3 layer constructive system for all tested materials when compared with the 1 layer constructive system. The coating of Al-Si and the aluminum surface didn’t show superficial morphological changes after the heat resistance test, without damaging at evaluated temperatures. The coating of Zn-55Al showed superficial morphological changes after the heat resistance test, showing a modification in their properties at evaluated temperatures. Both insulators studied, Protec® and Fiberfrax®, showed a similar thermal results, without significant differences in their performances.

A pasteurização é um processo térmico de tratamento de alimentos, sendo amplamente difundido na indústria de bebidas. É ela que provê ao produto sua durabilidade dentro dos padrões adequados ao consumo humano. Suas ações também têm impacto direto nas propriedades organolépticas e estabilidade química do produto. Os produtos geralmente são pasteurizados em equipamentos de grandes dimensões, chamados de túneis pasteurizadores. Nestes equipamentos, os alimentos são pasteurizados no sistema in-package, ou seja, já envasados, de forma a eliminar os microorganismos presentes também no vasilhame. Este trabalho tem por objetivo a investigação dos fenômenos de transferência de calor que ocorrem na pasteurização de cerveja engarrafada bem como a elaboração de um modelo analítico visando permitir um controle do processo térmico. Para a obtenção dos valores dos coeficientes de troca térmica global foi projetada e construída uma bancada de testes que permite recriar as mesmas condições existentes nas máquinas reais. Com esta bancada são obtidos resultados que permitem analisar os coeficientes globais de transferência de calor e estudadas suas relações com a massa e geometria do vasilhame em estudo. Estes coeficientes alimentam um modelo analítico proposto que possa ser facilmente implementado de forma a consolidar o sistema de controle do processo de pasteurização. Os coeficientes obtidos atingem uma boa confiabilidade do modelo para este caso em estudo além de permitir um conhecimento mais profundo sobre o processo térmico e seu comportamento fluidodinâmico. De forma a consolidar o pressente trabalho, simulações numéricas são realizadas para permitir a uma visualização mais clara das características de processo através os campos de temperatura e velocidade, para comprovação das observações efetuadas nos estudos experimentais. O modelo proposto de transferência de calor para o controle do processo, com seus coeficientes, juntamente com o equacionamento da intensidade de pasteurização, permitiram a construção de uma máquina onde os resultados deste estudo são utilizados, atingindo uma eficiência de processo da ordem de 95%, suficiente para a consolidação da solução junto ao mercado. / Pasteurization is one of the most important processes applied in drinking industry. It is the process that provides the product the needed durability in order to ensure a secure consumption for human beings. The effects of pasteurization also affect the organoleptic properties of the products and its chemical stability. The products are pasteurized in large equipments called tunnel pasteurizers, and the process is also called in-package pasteurization. That means that the product is processed already bottled, in order to eliminate the microorganisms that may be present in the bottle. This work has the purpose to investigate the physical phenomena’s that occurs during beer pasteurization, and to elaborate an analytical model that describes the thermal problem. In order to acquire the global heat transfer coefficients, as the analysis of the thermal resistances involved, it is designed and constructed an analysis machine that creates all the conditions that can be found in real machines. With this analysis machine, it is obtained the results of the global heat transfer coefficients, and it relations with the mass and the geometry aspect ratio of the bottle. The coefficients will be implemented in the model proposed in order to allow the creation of a pasteurization control system that can be programmed for a real machine, today not featured in the machines offered in the Brazilian market The obtained coefficients ensures a good reliability of the model for this special purpose as also allows a depth knowledge of the thermal and fluid-dynamic process, for future studies that can be developed in the area. For the consolidation of the proposed model, investigations are performed using numerical methods for a complete observation of the most important features that has influence in the process. This work enabled the construction of a real machine with pasteurization process control, using the model together with the obtained heat transfer coefficients. Some results of measures made at this machine are presented, showing that it can ensure a efficiency of 95%. This result turns to be good enough in order to approve the machine for operations in the domestic market.

Este trabalho teve como objetivo avaliar e analisar comparativamente, a partir do ensaio de resistência ao calor, a performance das formas construtivas de 1 camada e 3 camadas dos defletores de calor, bem como o desempenho dos diferentes materiais utilizados em sua produção. Neste estudo foram utilizados três diferentes materiais metálicos e dois distintos isolantes térmicos. Os materiais metálicos avaliados nas camadas externas dos sistemas ensaiados foram: i) aço revestido com Al-Si, comercialmente chamado de aço aluminizado; ii) aço revestido com Zn-55Al, comercialmente chamado de Galvalume®; e iii) alumínio liso, chamado comercialmente de alumínio puro. Os isolantes térmicos cerâmicos avaliados na camada intermediária da configuração de 3 camadas foram: o isolante térmico Protec® e o papel Fiberfrax® 970A. Com o ensaio de resistência ao calor avaliou-se a condutividade térmica das diferentes formas construtivas de defletores de calor, considerando-se o modo de condução, o qual é o principal modo de transmissão de calor atuante nos defletores. O fenômeno de convecção não foi considerado. Foi proposto um fator de eficiência que se mostrou um parâmetro eficaz de correlação entre as temperaturas interna e externa desenvolvidas no ensaio de resistência ao calor, permitindo a análise comparativa entre as formas construtivas e os materiais testados. Os resultados obtidos mostraram um desempenho superior da forma construtiva de 3 camadas quando comparada com a forma construtiva de 1 camada, para todos os materiais testados. O revestimento de Al-Si e o a superfície do alumínio não apresentaram alterações morfológicas superficiais após o ensaio de resistência ao calor, não ocorrendo um comprometimento das suas propriedades nas temperaturas estudadas. O revestimento de Zn- 55Al apresentou alteração morfológica superficial após o ensaio de resistência ao calor, indicando um comprometimento das suas propriedades nas temperaturas estudadas. Ambos os isolantes térmicos estudados, Protec® e Fiberfrax®, apresentaram um desempenho térmico similar, sem diferenças significativas em suas performances. / The aim of this study was to analyze and evaluate comparatively, with the heat resistance test, the performance of 1 layer and 3 layers of constructive systems of thermal acoustic protective shields, as well as the performance of different materials applied in their production. In this study both three different metallic materials and two different insulators were used. The metallic materials evaluated in the outer layers of the tested systems were the following: i) steel coated with Al-Si, commercially called aluminized steel ii) steel coated with Zn-55Al, commercially known as Galvalume®, and iii) smooth aluminum, commercially called pure aluminum. The ceramic insulators evaluated in the intermediate layer of 3 layer constructive system were the insulator Protec® and paper insulator Fiberfrax® 970 A. The thermal conductivity of different constructive systems of heat shields was evaluated with the heat resistance test, considering the conduction mode, which is the main mode of heat transfer active in the shields. The phenomenon of convection was not considered in this study. In this work it was proposed an efficiency factor that proved to be an effective correlation parameter between the internal and external temperatures developed in the heat resistance test, allowing a comparative analysis among constructive systems and the tested materials. The results showed a superior performance of the 3 layer constructive system for all tested materials when compared with the 1 layer constructive system. The coating of Al-Si and the aluminum surface didn’t show superficial morphological changes after the heat resistance test, without damaging at evaluated temperatures. The coating of Zn-55Al showed superficial morphological changes after the heat resistance test, showing a modification in their properties at evaluated temperatures. Both insulators studied, Protec® and Fiberfrax®, showed a similar thermal results, without significant differences in their performances.

Esta dissertação de mestrado considera a transferência de calor combinando convecção e radiação térmica no escoamento de gases participantes em dutos de seção circular. Partindo de uma metodologia geral, o trabalho enfoca principalmente os casos típicos de aplicação em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, em que gases em alta temperatura escoam através de um tubo mantido em temperatura uniforme. O escoamento é turbulento e o perfil de velocidade é plenamente desenvolvido desde a entrada do duto. A temperatura do gás, contudo, é uniforme na entrada, considerando-se a região de desenvolvimento térmico. Duas misturas de gases são tratadas, ambas constituídas por dióxido de carbono, vapor d’água e nitrogênio, correspondendo a produtos típicos da combustão estequiométrica de óleo combustível e metano. As propriedades físicas dos gases são admitidas uniformes em todo o duto e calculadas na temperatura de mistura média, enquanto que as propriedades radiantes são modeladas pela soma-ponderada-de-gases-cinzas. O campo de temperatura do gás é obtido a partir da solução da equação bidimensional da conservação da energia, sendo os termos advectivos discretizados através do método de volumes de controle com a função de interpolação Flux-Spline; as trocas de energia radiantes são avaliadas por meio do método das zonas, onde cada zona de radiação corresponde a um volume de controle. Em um primeiro passo, a metodologia é verificada pela comparação com resultados apresentados na literatura para a transferência de calor envolvendo apenas convecção e combinando convecção com radiação. Em seguida, discutem-se alguns efeitos da inclusão da radiação térmica, por exemplo, no número de Nusselt convectivo e na temperatura de mistura do gás. Finalmente, são propostas correlações para o número de Nusselt total, que leva em conta tanto a radiação quanto a convecção. Essa etapa exige inicialmente uma análise dos grupos adimensionais que governam o processo radiante para redução do número elevado de parâmetros independentes. As correlações, aplicáveis a situações encontradas em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, são validadas estatisticamente pela comparação com os resultados obtidos pela solução numérica. / This dissertation considers the heat transfer combining convection and thermal radiation in the flow of participating gases inside circular tubes. Starting from a general methodology, the work is focused on typical cases applied to small and medium sized smoketube steam generators, in which gases in high temperature flow through tubes having uniform temperature. The fluid flow is turbulent and fully developed at the duct entrance. The gas temperature, however, is uniform at the entrance, and so the thermal development is considered. Two gaseous mixtures are treated, both ones being composed of carbon dioxide, water vapor and nitrogen, corresponding to typical products of stoichiometric combustion of fuel oil and methane. The thermophysical properties of the gases are assumed to be uniform and evaluated at the gas average bulk temperature, while the radiative properties are computed from the weighted-sum-of-gray-gases model. The gases temperature fields are obtained from the solution of the two-dimensional energy conservation equation, in which the advective terms are computed by the Flux-Spline control volume method, and the radiative exchanges are determined by the zonal method, where each radiative zone corresponds to a control volume. In a first step, the methodology is verified by a comparison of the obtained results with those available in the literature for heat transfer considering only convection and combining convection to radiation. Next, the effects of including thermal radiation, for instance, on the convective Nusselt number and on the gas bulk temperature, are discussed. Finally, correlations are proposed for the total Nusselt number, which takes into account both radiation and convection. This step requires initially a dimensional analysis to reduce the number of independent parameters. The correlations, applied to situations that are found in small and medium sized smoketube steam generators, are validated statistically by the comparison with the results obtained from the numerical solution.