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.

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En la presente tesis se realiza la simulación numérica del comportamiento de un intercambiador de calor de flujo cruzado o transversal aleteado. En primer lugar se procedió a describir este tipo de intercambiador de calor, así como algunos ámbitos de su aplicación. Luego, se presentan las correlaciones analíticas a utilizarse para el cálculo de la capacidad de transferencia de calor de este tipo de intercambiadores de calor. Después, se procedió a establecer el modelo computacional del intercambiador previamente mencionado, tomando en cuenta sus características físicas así como sus condiciones de funcionamiento. Posteriormente, se procedió a hacer la simulación del modelo computacional planteado, obteniéndose tanto la variación de las propiedades del flujo de aire a lo largo del intercambiador de calor como la distribución de temperaturas en las aletas y tubos que lo componen. Los resultados de la capacidad del intercambiador de calor obtenidos a través de la simulación arrojaron una variación alrededor del 11% respecto a los datos brindados por el fabricante y de 4.5% respecto a la capacidad calculada analíticamente. Además, se obtuvieron las tasas de transferencia de calor que presenta el intercambiador en diferentes zonas, lo cual nos sirve como un punto de partida para una futura optimización del equipo. / Tesis

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m. / Tesis

El presente trabajo de investigación busca satisfacer la demanda de agua caliente para uso domestico de las poblaciones de sectores rurales y urbano marginales de nuestro país. El equipo a diseñar permitirá calcular el agua aprovechando exclusivamente la energía calorífica que se pierde en el proceso de cocción de los alimentos en cocinas de leña o bosta. sin tener costos adicionales por dicho beneficio. El agua caliente que produce el equipo podrá ser utilizada por el poblador en su aseo personal, así mismo en la limpieza de artículos de cocina, prendas de vestir y otros artículos de uso diario. Para realizar el diseño se analizaron varias propuestas eligiendo a la mas eficiente, usando el método generalizado de diseño. Luego se realizaron los cálculos (le transferencia de calor para obtener las medidas óptimas del intercambiador de calor y los espesores del aislante del tanque de almacenamiento. Después se construyó un prototipo que fue instalado en las instalaciones del de Grupo de Apoyo al Sector Rural de la Pontificia Universidad Católica del Perú, donde se comprobó que el sistema funcione adecuadamente, sobre este prototipo se realizaron diversa pruebas donde se incluyeron algunas mejoras posteriores. Luego de realizar la investigación y estudio sobre este proceso, el equipo es capaz de calentar aproximadamente 75 litros de agua al día desde los 23°C hasta los 55 °C, aprovechando solamente la energía calorífica perdida en el proceso de cocción en cocinas a leña o bosta tradicionales, se aprovechó el fenómeno de termosifón para la elevación del agua caliente hacia un tanque ubicado en la parte superior de la cocinar El prototipo instalado cumplió con las exigencias planteadas al inicio, siendo un equipo de bajo costo, capaz de ser construido por personas de escasos recursos, de fácil fabricación y los materiales usados se encuentran disponibles en el mercado nacional. / Tesis

Esta dissertação considera um problema inverso de transferência de calor que envolve os mecanismos de radiação térmica e convecção turbulenta. O objetivo é encontrar a potência requerida nos aquecedores, que podem estar localizados tanto na superfície superior quanto nas superfícies laterais de um forno bi-dimensional retangular, que satisfaça as condições de uniformidade de fluxo e temperatura impostas na superfície de projeto. O forno possui um ventilador que gera uma circulação turbulenta do ar, intensificando o processo de transferência de calor por convecção. Todas as propriedades termofísicas foram consideradas constantes, com exceção da massa específica do ar, a qual é expressa em função da temperatura. As superfícies do forno foram consideradas cinzas e difusas. O método da matriz das radiosidades foi usado para o cálculo das trocas radiantes de calor entre as superfícies do forno e o método dos volumes finitos foi usado para calcular as trocas de calor por convecção. O problema de transferência de calor combinando esses dois mecanismos é descrito por um sistema de equações lineares malcondicionado, o que é típico em problemas inversos; além disso, o número de equações é diferente do número de incógnitas. A solução desse sistema é obtida com o uso de métodos de regularização, sendo que o método TSVD foi o adotado nessa dissertação. Primeiramente foi estudado um problema com trocas de calor puramente radiante, onde o ventilador foi desligado e a convecção natural foi negligenciada. A seguir, o ventilador foi ligado gerando um escoamento turbulento do ar, sendo resolvidos alguns casos envolvendo trocas de calor por radiação e por convecção, onde nos casos em que o ventilador estava centrado na linha de simetria o erro máximo da solução inversa foi de aproximadamente 9%, e nos casos em que o ventilador soprava o ar em direção as paredes laterais o erro máximo da solução inversa foi inferior a 3%. Para esses casos, a convergência foi consideravelmente mais lenta se comparada àquelas de problemas com trocas de calor puramente radiante e a dificuldade em encontrar soluções aceitáveis para o problema aumentou consideravelmente. / This work considers an inverse problem combining radiative and turbulent convective heat transfer. The aim is to find the power required in the heaters, located on the top surface and/or on the side surfaces of the oven, to satisfy both the uniform heat flux and temperature imposed on the design surface. The oven has a fan to generate a turbulent air flow, intensifying the convective heat transfer. All thermophysical properties were assumed constant except the air density, which is a function of the temperature. The oven surfaces were considered diffuse and gray. The net radiative heat transfer method was used to compute the radiative heat transfer between the surfaces of the oven and the finite volume method was used to compute the convective heat transfer. The inverse heat transfer problem combining these two mechanisms is described by an ill-conditioning linear system of equations, where this kind of system is characteristic of inverse problems; furthermore, the number of equations and the number of unknowns are not necessarily the same. The solution of this system is found by regularization methods. The TSVD regularization method was used in this work. Firstly, it was studied a problem with purely radiative heat transfer, where the fan was turned off and natural convective heat transfer was neglected. Then, the fan was turned on to generate a turbulent air flow, so some cases was solved involving both the radiative and convective heat transfer. In the cases where the fan was centred in the simetry line, the maximum error of the solution was about 9%, and in the cases where the fan blowed the air in the side walls direction, the maximum error of the solution was less than 3%. For these cases, the convergence of the problem was considerably slower than the ones for purely radiative heat transfer and the control over the error of the solution was more difficult, because it was harder to find acceptable physical solutions to the problem.

A obtenção das características do escoamento transversal sobre bancos distribuições de de tubos é feita velocidade e através do cálculo das temperatura sobre tubos individuais com condições de contorno adaptadas de modo que tubos vizinhos compartilhem condições em suas fronteiras de entrada e sai da. O modelo matemático é composto pelas equações de quantidade de movimento Cem duas direções), da continuidade e da energia em coordenadas curvilíneas ortogonais. O esquema numérico empregado é o de diferenças :finitas, com um algoritmo de resolução do tipo dependente do tempo (TDT). O método numérico apesentado é aplicável a escoamentos estacionários, bidimensionais, incompressíveis, laminares e turbulentos com troca térmica em regime de convecção forçada. Para o presente estágio de desenvolvimento do trabalho, os resultados obtidos são considerados satisfatórios para bancos de tubos com arranjo em linha e triangular para números de Reynolds até 4.105 e 1.108 respectivamente. / Crossflow in banks of tubes is solved by evaluating the velocity and t.emperature distributions around cylinders with coupled boundary conditions, in such way t.hat. subsequent. cylinders shares entrance and exit conditions. The mathematical formulation of this problem contains momentum, continuity and energy equations in orthogonal curvilinear coordinates. The numerical method employed is finite-difference based on the Time Dependent Technique (TDT). The numerical met.hod is applicable to steady, bidimensional, incompressible, laminar and turbulent. flows with forced convection. The results of this simulation showed good agreement comparing with experimental data, for Reynolds numbers up to 4.105 for banks e whith tubes in line, and up to 1.10 for staggered banks.

Esta dissertação considera um problema inverso de transferência de calor que envolve os mecanismos de radiação térmica e convecção turbulenta. O objetivo é encontrar a potência requerida nos aquecedores, que podem estar localizados tanto na superfície superior quanto nas superfícies laterais de um forno bi-dimensional retangular, que satisfaça as condições de uniformidade de fluxo e temperatura impostas na superfície de projeto. O forno possui um ventilador que gera uma circulação turbulenta do ar, intensificando o processo de transferência de calor por convecção. Todas as propriedades termofísicas foram consideradas constantes, com exceção da massa específica do ar, a qual é expressa em função da temperatura. As superfícies do forno foram consideradas cinzas e difusas. O método da matriz das radiosidades foi usado para o cálculo das trocas radiantes de calor entre as superfícies do forno e o método dos volumes finitos foi usado para calcular as trocas de calor por convecção. O problema de transferência de calor combinando esses dois mecanismos é descrito por um sistema de equações lineares malcondicionado, o que é típico em problemas inversos; além disso, o número de equações é diferente do número de incógnitas. A solução desse sistema é obtida com o uso de métodos de regularização, sendo que o método TSVD foi o adotado nessa dissertação. Primeiramente foi estudado um problema com trocas de calor puramente radiante, onde o ventilador foi desligado e a convecção natural foi negligenciada. A seguir, o ventilador foi ligado gerando um escoamento turbulento do ar, sendo resolvidos alguns casos envolvendo trocas de calor por radiação e por convecção, onde nos casos em que o ventilador estava centrado na linha de simetria o erro máximo da solução inversa foi de aproximadamente 9%, e nos casos em que o ventilador soprava o ar em direção as paredes laterais o erro máximo da solução inversa foi inferior a 3%. Para esses casos, a convergência foi consideravelmente mais lenta se comparada àquelas de problemas com trocas de calor puramente radiante e a dificuldade em encontrar soluções aceitáveis para o problema aumentou consideravelmente. / This work considers an inverse problem combining radiative and turbulent convective heat transfer. The aim is to find the power required in the heaters, located on the top surface and/or on the side surfaces of the oven, to satisfy both the uniform heat flux and temperature imposed on the design surface. The oven has a fan to generate a turbulent air flow, intensifying the convective heat transfer. All thermophysical properties were assumed constant except the air density, which is a function of the temperature. The oven surfaces were considered diffuse and gray. The net radiative heat transfer method was used to compute the radiative heat transfer between the surfaces of the oven and the finite volume method was used to compute the convective heat transfer. The inverse heat transfer problem combining these two mechanisms is described by an ill-conditioning linear system of equations, where this kind of system is characteristic of inverse problems; furthermore, the number of equations and the number of unknowns are not necessarily the same. The solution of this system is found by regularization methods. The TSVD regularization method was used in this work. Firstly, it was studied a problem with purely radiative heat transfer, where the fan was turned off and natural convective heat transfer was neglected. Then, the fan was turned on to generate a turbulent air flow, so some cases was solved involving both the radiative and convective heat transfer. In the cases where the fan was centred in the simetry line, the maximum error of the solution was about 9%, and in the cases where the fan blowed the air in the side walls direction, the maximum error of the solution was less than 3%. For these cases, the convergence of the problem was considerably slower than the ones for purely radiative heat transfer and the control over the error of the solution was more difficult, because it was harder to find acceptable physical solutions to the problem.