O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2017-12-14T13:04:51Z No. of bitstreams: 1 118218.pdf: 652524 bytes, checksum: efad7fcc591ac2645b77f6efa7ed9766 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-14T13:04:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 118218.pdf: 652524 bytes, checksum: efad7fcc591ac2645b77f6efa7ed9766 (MD5) Previous issue date: 1967-03 / CAPES / Realizamos esta experiência a fim de estudar a transferência de calor por convecção natural de prato isotérmico. O disco, situado no ar ambiente, tinha a superfície superior aquecida e exposta horizontalmente. O aquecimento foi feito pot resistência de fio, embutida no prato. Tomamos precauções com o objetivo de minimizar os efeitos de casuais correntes de ar. O calor gerado na resistência deixava a aparelhagem através de vários caminhos. As perdas de calor estranhas àquela investigada foram calculadas individualmente e subtraídas do total, fornecendo o calor perdido por convecção natural da superfície plana e horizontal do disco. Os valores obtidos comparamos com aqueles prognosticados por McAdams, sendo a discrepância da ordem de dez por cento. Finalmente, com base na experiência adquirida no desenrolar dos trabalhos, projetamos aparelhagem capaz de fornecer resultados definitivos e acurados.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2017-12-14T16:23:34Z No. of bitstreams: 1 118209.pdf: 1891256 bytes, checksum: 3e01604f00755dd3b9ebb7d8f4e83c73 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-14T16:23:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 118209.pdf: 1891256 bytes, checksum: 3e01604f00755dd3b9ebb7d8f4e83c73 (MD5) Previous issue date: 1967-07 / Estuda a influência dos efeitos de superaquecimento e resistência interfacial na taxa de transferência de calor por condensação em camada limite sob fluxo forçado. Para o estudo do superaquecimento, o fluxo livre consiste mirra mistura de vapor condensável e gás não condensável; o vapor puro é tratado como um caso especial. Por outro lado, desde que o efeito de resistência interfacial é maior para o vapor puro, somente será estudado este caso. Resultados numéricos foram obtidos para una mistura de vapor d' água e ar. Relativamente ao efeito de superaquecimento, ocorrem baixos valores para a taxa de transferência de calor (menos que dez por cento), na faixa de altos valores da diferença entre a temperatura de saturação do fluxo livre e a temperatura da placa plana. Além disso, para esta faixa, foi observado ser o efeito de superaquecimento uma fraca função da "thermal driving force" acima mencionada. Por outro lado, quando a "thermal driving force" é pequena, o feito de superaquecimento sofre aumento, devido ao decréscimo da condensação. O efeito de superaquecimento foi notado aumentar para maiores concentrações de gás no fluxo livre. Para o vapor puro, o efeito de superaquecimento foi observa do ser desprezível. Com respeito à resistência interfacial, o esquema apresentado mostrou ser este fenômeno de desprezível importância na condensação de vapor d'água.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-01-05T16:06:23Z No. of bitstreams: 1 148279.pdf: 1361866 bytes, checksum: a2abee83909e20b0d6207d81f601f923 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-05T16:06:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 148279.pdf: 1361866 bytes, checksum: a2abee83909e20b0d6207d81f601f923 (MD5) Previous issue date: 1971-12 / OEA / Estuda os efeitos da dissipação viscosa na transferência de calor por condensação. A condensação de vapor superaquecido, na presença de gás não condensável para fluxo forçado sobre uma placa plana horizontal isotérmica, mantida a uma temperatura constante, forma um filme laminar. Isto é analisado. A condensação de vapor puro é tratado como um caso particular. Para a solução numérica se considerou vapor de água como vapor condensável e ar como gás não condensável. Os resultados de transferência de calor são obtidos para uma ampla faixa de valores do parâmetro da dissipação viscosa que é o número de ECKERT. Nota-se que o efeito da dissipação viscosa e incrementar a temperatura na interface. Por conseguinte, a dissipação viscosa tem um efeito similar à do superaquecimento, isto é, aumentar a taxa de transferência de calor à placa. / Studies viscous dissipation effects in the condensation heat transfer. Laminar film condensation of a superheated vapour, in the presence of a non-condensable gas, for forced flow over an horizontal, isothermal flat plate ata constant temperature, is analyzed. Condensation of pure vapour is treated as a particular case. The problem is formulated as an exact boundary layer solution. For numerical solution, steam as the condensing vapour and air as the noncondensable gas are considered. Heat transfer results are obtained for a wide range of values of the viscous dissipation parameter Ec (Eckert number). It is noted that the effect of viscous dissipation is to increase the temperature at the interface. Therefore, the effect of the viscous dissipation and that of superheating are similar. That is they produce an increase in the rate heat is transferred to the flat surface. / El presente trabajo estudia los efectos de la disipación viscosa en la transferencia de calor por condensa ción. La condensación de vapor sobrecalentado, en la presencia de gas no condensable para flujo-forzado sobre una placa plana horizontal isotérmica mantenida a una temperatura constante, forma un filme laminar. Esto es analizado. La condensación de vapor puro es tratado como un caso particular. Para la solución numérica se consideró vapor de agua como vapor condensable y aire como gas no condensable. Los resultados de transferencia de calor son obtenidos para un amplio rango de valores del parámetro de la disipación viscosa que es el número de ECKERT. Se nota que el efecto de la disipación viscosa es incrementar la temperatura en la interface. Por conseguiente la disipación viscosa tiene un efecto similar al del sobrecalentamiento,estoquiere decir, aumentar la rata de transferencia de calor a la placa.

No presente trabalho avalia-se o comportamento da difusão e da convecção natural em sistemas térmicos que possuem armazenadores de calor, como os que envolvem coletores solares ligados a reservatórios de água quente. Através da solução das equações diferenciais que regem o problema, obtém-se os campos de velocidade e temperatura no interior destes armazenadores. Este último, especialmente, é importante para a determinação da performance térmica de todo o sistema. A intensidade da estratificação térmica depende do fluxo de entrada e saída de água no reservatório, da sua razão de aspecto, da posição da resistência elétrica de apoio, se ela existir, da espessura e difusividade térmica da parede e da espessura e material do isolamento térmico. A perda de calor para o meio ambiente causa um fluxo de líquido descendente, junto às paredes do reservatório, incorrendo em camadas limites hidrodinânlica e térmica. Além do papel destas camadas limites, também investiga-se a importância relativa da difusão de calor através da parede metálica do armazenador, na sua direção axial (altura). Não são investigados neste trabalho os efeitos de entrada e saída do líquido do armazenador, e também as correntes convectivas originadas do suprimento de calor por resistência elétrica. As equações da energia e do movimento são resolvidas de forma acoplada, em coordenadas cilíndricas axissimétricas, em regime transiente, empregando o Método dos Volumes Finitos. / In the present work the diffusion behavior as well as the natural convection in thermal systems that possess heat reservoirs, like the ones that involve solar collectors connected to hot water reservoirs, have been evaluated. Through the solution of the differential equations that describe the problem, the velocity fields and the internal temperature of these tanks have been obtained. The last one is specially important for the determination of the thermal performance of the whole system. Intensity of the thermal stratification depends on the entrance and exit water flow in the reservoir, on the tanks aspect ratio, on the position support of the electrical resistance, if it exists, on the thickness and thermal diffusion of the wall and on the material of thermal insulation. The loss of heat for the environment brings about a descending liquid flow, next to the walls of the reservoir, ending up by creating hidrodynamic and thermal boundary layers. Besides the role of these boundary layers, the relative importance o f the heat diffusion through the metallic wall of the reservoir in its axial direction (height), also has been investigated. The effects of the entrance and exit of liquid in the reservoir, as well as the convective currents originated from the heat supplied by electric resistance have not been investigated. The energy and moment equations are solved in a coupled way, in axissimetrical cilyndrical coordinates, in transient regime, employing a Finite Volume Method.

O sistema agroindustrial da soja é uma atividade econômica fundamental na Região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, que contempla a produção de grãos e empresas fabricantes de secadores. Considerando os grandes volumes das colheitas e que praticamente toda a colheita de grãos, antes do armazenamento, é exposta ao processo de secagem, toda melhoria e aceleração nesse processo fornece um benefício econômico significativo. Essa economia justifica a pesquisa para o desenvolvimento e otimização de secadores, em que a aplicação da modelagem matemática e da simulação numérica são recursos essenciais. Nesta tese foram desenvolvidos um modelo matemático e um programa computacional para simular o processo de secagem de soja em secadores do tipo torre de coluna com fluxo contínuo e múltiplos estágios. Os processos de transferência de calor e de massa foram descritos por um sistema de quatro equações diferenciais parciais não-lineares, resolvido pelo método de MacCormack. Os termos-fonte destas equações foram definidos por equações auxiliares semiempíricas, obtidas através de dados experimentais em camada fina. Para obter os dados experimentais da dinâmica de secagem da soja em camada fina no campo de abrangência da temperatura do ar de secagem de 45 a 110 ºC, da velocidade do ar de secagem de 0 a 2,5 m/s, da umidade relativa do ar de secagem de 10 a 30% e do teor de umidade inicial do grão de 13 a 32% e validar o modelo foi desenvolvido um equipamento que permitiu a variação da umidade, temperatura e velocidade do ar. Os experimentos foram conduzidos em leito fixo. O modelo de secagem do grão com dois compartimentos foi escolhido para a representação da camada fina, pois o estudo experimental mostrou que o coeficiente de difusão médio depende da distribuição de umidade dentro do grão. Nesses compartimentos os coeficientes de secagem são diferentes e variam em função da temperatura. A comparação entre os resultados experimentais e as simulações em camada fina e camada espessa unidimensional apresentam concordância satisfatória, indicando diferenças relativas médias inferiores a 7%. Simulações foram realizadas para diferentes esquemas de secadores de fluxo contínuo, incluindo esquema para economia de energia com a recirculação do ar para o resfriamento e secagem de grãos. As simulações permitiram avaliar a eficiência energética de cada esquema, sendo que o reaproveitamento do calor do ar de recirculação provocou uma economia média de combustível entre 28,5 e 41%, e um rendimento da secagem entre 39,7 e 68%, dependendo do esquema de secador analisado. / The agroindustrial system of soybeans is an essential economic activity in the northwest region of Rio Grande do Sul, which includes the grain production and manufacturers of dryers. Considering the large volumes of crops and that practically every grain harvest, before storage, is exposed to drying process, every improvement and acceleration in this process provides a significant economic benefit. This economy justifies the research for the development and optimization of dryers, where the application of the mathematical modeling and numerical simulation are essential resources. In this thesis, a mathematical model and a computer program were developed to simulate the soybeans drying process in column dryers with continuous flow and multistage. The processes of heat and mass transfer were described by a system of four non-linear partial differential equations solved by the MacCormack method. The source terms of these equations were determined by auxiliary semi-empirical equations obtained from thin layer experimental data. To obtain the thin layer experimental data from drying soybean dynamics in temperature range from 45 to 110 ° C, velocity range from 0 to 2.5 m / s, air relative humidity 10 to 30%, grain moisture content from 13 to 32% and validate the model, an equipment which allowed the variation of humidity, temperature and air velocity was developed. The experiments were conducted in a fixed bed. The twocompartment grain drying model has been chosen to represent the thin layer, because the experimental study showed that the average diffusion coefficient depends on the distribution of moisture within the grain. In these compartments the drying coefficients are different and vary depending on the temperature. The comparison between experimental results and simulations on thin layer and unidimensional thick layer show satisfactory agreement, indicating average differences lower than 7%. Simulations were made for different schemes of continuous flow dryers, including energy saving scheme with recirculation of air for cooling and drying of grain. The simulations permitted to evaluate the energy efficiency of each scheme, and the reuse of heat from the recirculated air caused an average fuel economy of 28.5 and 41%, and a drying efficiency between 39.7 and 68%, depending on the chosen scheme.

Problemas de transferência de calor e de massa em meios granulares são encontrados em inúmeras situações de interesse tecnológico. Particularmente, o processo de secagem de grãos envolve esses dois fenômenos. Nesta tese é desenvolvido um modelo matemático que descreve os balanços de energia e de massa para o ar e os grãos baseado nas equações de Navier-Stokes. O coeficiente convectivo de transferência de massa entre o grão e o ar é obtido a partir de dados experimentais para a secagem de grãos de soja. As equações governantes do modelo são resolvidas numericamente por um esquema em diferenças finitas. A análise de consistência, estabilidade e convergência também é realizada para o caso unidimensional. Uma solução analítica da equação diferencial parcial com a forma das equações de balanço da energia e da massa para o ar (caso unidimensional) é obtida, fazendo-se comparações entre dados numéricos e a solução analítica, para funções testes no termo fonte, com o objetivo de avaliar o esquema numérico utilizado. Resultados são apresentados fazendo comparações dos valores numéricos calculados através do modelo com dados experimentais encontrados na literatura. Avalia-se também a influência de parâmetros adimensionais envolvidos nos processos de transferência de calor e massa. Estes resultados contribuem para obter um melhor entendimento da transferência de calor e massa em meios granulares, cujas aplicações são encontradas em muitas situações de interesse prático. / Problems of heat and mass transfer in granular media are found in countless situations of technical interest. Particularly, the grain drying process involve those two phenomena. In the present work we develop a mathematical model that describes the energy and the mass balance for the air and the grain based on the Navier-Stokes equations. The convective mass transfer coefficient between the grain and the air is obtained from experimental data for the soy grain drying process. The governing equations of the model are approximated by means of a finite differences scheme. The analysis of consistency, stability and convergence is also made for the unidimensional case. An analytical solution for a partial differential equation with the form similar to the energy and mass balance equations for the air (in the unidimensional case) is obtained; comparisons are realized between the numerical data and the analytical solution for chosen test functions in the source term, with the objective of evaluating the numerical scheme used. Numerical results are presented and compared with the experimental data found in the literature. We evaluate the influence of dimensionless parameters involved in the heat and mass transfer processes as well. These results contribute to obtain a better understanding of the heat and mass transfer in a granular medium, whose applications are found in many situations of technical interest.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento computacional para síntese de redes de trocadores de calor que sejam flexíveis (capazes de operar sujeito a incerteza) e controláveis. A síntese foi baseada em uma superestrutura proposta na literatura que tem como objetivo minimizar simultaneamente o custo operacional e de investimento do projeto. Considerações gerais baseadas nessa formulação foram discutidas neste trabalho. Assumiu-se incerteza nas temperaturas de entrada e vazões de cada corrente. Inicialmente foi implementado um procedimento para geração de projetos flexíveis baseado numa estratégia em dois estágios. O primeiro estágio precede a operação (fase de projeto) onde as variáveis de projeto são escolhidas, i.e. a existência e a dimensão dos equipamentos. Num segundo estágio (fase de operação) as variáveis de controle, i.e. os graus de liberdade adicionais, são ajustados de acordo com a realização dos parâmetros incertos. O estágio de projeto é realizado através de um problema de otimização multiperíodo, onde cada período corresponde a um cenário operacional, resultando em um problema do tipo MINLP. Com o objetivo de explorar a estrutura bloco-diagonal de problemas dessa natureza, uma técnica de decomposição baseada no conceito de relaxação Lagrangeana foi desenvolvida como uma alternativa para resolução de problemas de larga escala. A etapa de operação consiste numa análise de Flexibilidade tendo como objetivo checar se o projeto obtido no estágio anterior é capaz de operar na região de incerteza especificada. Esta análise é realizada através da avaliação do Índice de Flexibilidade, através da estratégia do conjunto ativo resultando em um problema MI(N)LP. Caso o projeto seja suficientemente flexível, passa-se para a etapa seguinte, caso contrário, o ponto crítico que define a solução desse problema é adicionado ao conjunto inicial de cenários operacionais e o problema multiperíodo é resolvido novamente. Este procedimento é resolvido iterativamente até que se tenha um projeto flexível. Neste caso, um problema MILP é resolvido com o intuito de selecionar a estrutura de controle, baseado na minimização de métricas de controlabilidade, que garantem manter as temperaturas de saída em suas respectivas referências usando controladores do tipo PI (Proporcional Integral). A flexibilidade efetiva, obtida após a implementação da estrutura de controle é avaliada, e possíveis pontos críticos são adicionados e o projeto é refeito. Por fim, através da geração de modelos dinâmicos e projeto dos controladores, o desempenho do projeto pode ser checado. / In this work it was developed a computational framework for synthesis of flexible and controllable Heat Exchanger Network. The synthesis was accomplished based on the superstructure proposed in the literature for minimizing simultaneously the operating cost and the investment cost. The general assumptions used by this formulation were discussed. It was assumed uncertainty in the inlet temperatures and flowrates. The framework for flexible design is based on the termed two stage strategy. The first stage is prior to the operation (design phase) where the design variables are chosen, i.e. the existence and dimension of the equipments. At the second stage (operation phase) the control variables are adjusted during operation on the realizations of the uncertain parameters. The design stage was accomplished with a multiperiod optimization problem resulting in a MINLP formulation. In order to exploit the block diagonal structure of multiperiod problems, a decomposition technique based on the concept of Lagrangean Relaxation was developed as an alternative in order to solve the formulation for large scale problems. The operation stage checks whether the design selected in the previous step is able to operate over the space of uncertain parameters. This step was assessed by the Flexibility Index evaluation through a MI(N)LP formulation using the Active set strategy. If the design is sufficient flexible the procedure terminates; otherwise, the critical point obtained from the flexibility evaluation is included in the current set of periods, and a new multiperiod problem is solved in order to obtain a new design. Once the flexible design is achieved a MILP model is solved in order to define the control structure selection according to controllability metrics, i.e. the set of manipulated inputs (taken from the general set of potential manipulations) that can ensure the outlet temperatures target using standard feedback controllers, e.g. PID controllers. The effective flexibility is evaluated in order to check if the design is feasible for the given control structure selection, otherwise a new critical point is identified and the multiperiod design is performed again. Later on, the dynamic model and closed loop performance can be checked.

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Problemas de transferência de calor e de massa em meios granulares são encontrados em inúmeras situações de interesse tecnológico. Particularmente, o processo de secagem de grãos envolve esses dois fenômenos. Nesta tese é desenvolvido um modelo matemático que descreve os balanços de energia e de massa para o ar e os grãos baseado nas equações de Navier-Stokes. O coeficiente convectivo de transferência de massa entre o grão e o ar é obtido a partir de dados experimentais para a secagem de grãos de soja. As equações governantes do modelo são resolvidas numericamente por um esquema em diferenças finitas. A análise de consistência, estabilidade e convergência também é realizada para o caso unidimensional. Uma solução analítica da equação diferencial parcial com a forma das equações de balanço da energia e da massa para o ar (caso unidimensional) é obtida, fazendo-se comparações entre dados numéricos e a solução analítica, para funções testes no termo fonte, com o objetivo de avaliar o esquema numérico utilizado. Resultados são apresentados fazendo comparações dos valores numéricos calculados através do modelo com dados experimentais encontrados na literatura. Avalia-se também a influência de parâmetros adimensionais envolvidos nos processos de transferência de calor e massa. Estes resultados contribuem para obter um melhor entendimento da transferência de calor e massa em meios granulares, cujas aplicações são encontradas em muitas situações de interesse prático. / Problems of heat and mass transfer in granular media are found in countless situations of technical interest. Particularly, the grain drying process involve those two phenomena. In the present work we develop a mathematical model that describes the energy and the mass balance for the air and the grain based on the Navier-Stokes equations. The convective mass transfer coefficient between the grain and the air is obtained from experimental data for the soy grain drying process. The governing equations of the model are approximated by means of a finite differences scheme. The analysis of consistency, stability and convergence is also made for the unidimensional case. An analytical solution for a partial differential equation with the form similar to the energy and mass balance equations for the air (in the unidimensional case) is obtained; comparisons are realized between the numerical data and the analytical solution for chosen test functions in the source term, with the objective of evaluating the numerical scheme used. Numerical results are presented and compared with the experimental data found in the literature. We evaluate the influence of dimensionless parameters involved in the heat and mass transfer processes as well. These results contribute to obtain a better understanding of the heat and mass transfer in a granular medium, whose applications are found in many situations of technical interest.