Este trabalho apresenta todo um projeto de um sistema de supervisão e controle de um trocador de calor, desde os ensaios experimentais para a elaboração de um modelo matemático até a implementação do sistema de controle e supervisão em microcomputador. O sistema implementado consiste de um software didático e um sistema de aquisição de dados que irão realizar a supervisão e controle de um trocador de calor tipo casco e tubos. Neste software didático é possível implementar o controle PID e suas variações PI-D e I-PD além de permitir a implementação do sistema de controle adaptativo estrutura gain scheduling o qual muda os parâmetros de um controle PID de acordo com a mudança da dinâmica do trocador de calor. Como o trocador de calor apresenta um tempo morto em sua dinâmica, então optou-se por adicionar ao software didático um controle com algoritmo preditivo estrutura Preditor de Smith desta forma é possível realizar ensaios com e sem o algoritmo preditivo para uma comparação de resultados. Este sistema de supervisão e controle do trocador de calor poderá ser usado como ferramenta didática para alunos de diversos cursos, onde é possível realizar ensaios de diferentes estruturas de controle para posterior comparação e estudo de seus resultados. Resultados práticos de todas as estruturas de controle que o software implementa são apresentados e comparados neste trabalho. / This work presents thorough a supervision and control system project of a heat exchanger, from the experimental tests for the mathematical model rising to the control system implementation and supervision in a microcomputer. The implemented system consists of didactic software and a data acquisition system that will perform the supervision and control of a heat exchanger shell and tube type. In this didactic software it is possible to implement the PID control and its variations PI-D and I-PD besides allowing the implementation of the adaptive control system gain scheduling structure, which changes the PID control parameters according to the changes of the heat exchanger dynamics. As the heat exchanger presents dead time on its dynamics, it was opted to add to the didactic software a control with Smith Predictor structure predictive algorithm, thus it is possible to perform tests with and without the predictive algorithm for result comparison. This supervision and control system of the heat exchanger will be able to be used as a didactic tool for students from several courses, where it is possible to perform tests with different control structures to further comparison and study of its results. Pratical results of all the control structures that the software implements are presented and compared in this work.

O processamento térmico de alimentos visa garantir qualidade e inocuidade pela inativação de micro-organismos e enzimas. Geralmente ocorre sobreprocessamento, levando à perda de características nutricionais e sensoriais e à elevação de custos operacionais. Foi desenvolvida a modelagem matemática (modelos térmico, mássico, hidráulico e reativo) de um equipamento bitubular para o processamento térmico contínuo de um alimento líquido homogêneo em regime laminar difusivo, para determinação das distribuições de temperatura e letalidade. No modelo foram incorporados parâmetros para quantificar os efeitos das difusividades térmica e mássica efetivas na direção radial ao escoamento. O modelo contempla três seções: aquecimento; tubo de retenção e resfriamento, em que as seções de aquecimento e resfriamento são trocadores de calor modulares. Foram considerados os seguintes volumes de controle: alimento, tubo interno, fluido de utilidade, tubo externo, isolamento térmico e ar ambiente. Balanços diferenciais de energia e massa foram aplicados para modelar as trocas térmicas e a distribuição de micro-organismos, enzimas ou nutrientes. Condições de contorno foram aplicadas para manter a continuidade entre as seções e módulos. O modelo foi resolvido através do método de diferenças finitas, discretizando as componentes axiais e radiais. No estudo de caso foram feitas simulações para o processamento térmico de suco de amora, quantificando os efeitos dos parâmetros difusivos e das variáveis de processo sobre os atributos de qualidade nutricional (antocianina) e qualidade microbiológica (levedura). Na validação dos modelos térmico e mássico os efeitos de mistura e difusão na direção radial foram quantificados através do ajuste da condutividade térmica efetiva e número de Peclet modificado. Utilizou-se um pasteurizador em escala laboratorial e os fluidos: mistura glicerina/água 80% (newtoniano) e solução de CMC 1% (pseudoplástico) nas vazões de 10 a 50 L/h. Os resultados indicam que o modelo proposto representou satisfatoriamente as distribuições de temperaturas, letalidade e comportamento experimental com reduzida complexidade computacional. / The thermal processing ensures quality and safety by inactivation of micro-organisms and enzymes. Generally, over-processing occurs, resulting in sensorial and nutritional losses and operating costs increase. A mathematical model (thermal, mass, hydraulic and reactive) of a double-pipe pasteurizer has developed for the continuous thermal processing of a liquid food in laminar diffusive regime, to obtain the temperature and lethality distributions. Parameters to quantify the effects of thermal and mass effective diffusivities in the radial direction were incorporated in the model. The model comprises three zones: heating; holding tube and cooling, where the heating and cooling zones are modular double-pipe heat exchangers. The following control volumes were considered: food, inner tube, utility fluid, outer tube, thermal insulation and ambient air. Energy and mass differential balances were used for modeling the heat transfer and the destruction of micro-organisms, enzymes or nutrients. Boundary conditions were applied to maintain the continuity between zones and modules. The finite difference method was used to discretize the model in the axial and radial directions. A simulation study case for blueberry juice thermal processing was made, analyzing the effects of the diffusive parameters and processing variables of the thermal treatment in the nutritional quality (anthocyanin) and microbiological quality (yeasts) attributes. In the validations of the heat and mass models, the mixture and diffusive effects in the radial direction were quantified by adjusting the heat conductivity and the modified Peclet number. A laboratory scale pasteurizer was used with the following fluids: glycerin/water mixture 80% (newtonian) and CMC 1% solution (pseudoplastic) in flows rates between 10 and 50 L/h. The obtained results indicate that the proposed model successfully represented the temperature and lethality distributions and experimental behavior with reduced computational complexity.

A pasteurização é um processo térmico para inativar micro-organismos patogênicos e deterioradores em alimentos líquidos. O controle do processo é fundamental para a manutenção da temperatura de pasteurização, de forma que a modelagem dinâmica se torna útil no desenvolvimento, nos testes de controladores e nos procedimentos de operação. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a validação experimental da modelagem dinâmica de um pasteurizador a placas com três seções de troca térmica para estudar sua operação em regime transiente. A modelagem consiste em balanços diferenciais de energia entre canais e placas do trocador, perda de calor para o ambiente do tubo de retenção e conexões e as respectivas condições iniciais e de contorno. Os coeficientes de troca térmica do equipamento foram determinados experimentalmente. Na simulação foram adotados métodos de diferenças finitas e a resolução matemática foi realizada através do software gPROMS. O modelo foi aplicado para representar o comportamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial (Armfield FT43A), operando em duas condições: sem e com a influência da incrustação na seção de aquecimento do trocador. Para a validação do modelo foram realizados ensaios experimentais da partida e de perturbação das vazões de alimentação do processo. Foram inseridos termopares em diversos pontos do equipamento e as temperaturas foram registradas com um sistema de aquisição de dados. Para estudar a influência da incrustação na pasteurização, foram realizados ensaios experimentais com dois tipos de leite para se ter alta e baixa incrustação. As placas do trocador foram pesadas e fotografadas antes e depois dos ensaios de incrustação para avaliar o depósito formado. Foram utilizados modelos genéricos de incrustação para a simulação desse efeito sobre o processo de pasteurização. Através da comparação dos resultados experimentais e simulados foi verificada que a modelagem matemática para a operação transiente do processo de pasteurização analisado foi muito satisfatória. / Pasteurization is a thermal process used to inactivate pathogenic and deteriorative microorganisms in liquid foods. Process control is essential for the temperature maintenance of pasteurization, so that the dynamic model is an important tool in the development, controller tests, and also in the procedure of operation. The aim of this work was the development and experimental validation of the dynamic model of a plate pasteurizer with three sections of heat exchange studying the transient state operation. The model consists of differential equations of thermal energy balance between channels and plates of heat exchanger, heat loss to the environment of the holding tube and connections and their respective initial and boundary conditions. The heat transfer coefficients of plate heat exchanger and tubes were determined experimentally. In the simulation, finite difference methods were adopted and the math solving was performed using the gPROMS software. The model was applied to represent the behavior of a plate pasteurizer in laboratory scale (Armfield FT43A), operating in two conditions: free of fouling and with fouling influence on the heating section of the heat exchanger. Experimental tests of the start-up and of disturbances in flow rates of the process were performed for the model validation. Thermocouples were inserted at various points of the equipment and the temperatures were recorded with a data acquisition system. In order to study the influence of the fouling, experimental tests were performed with two kinds of milk to obtain high and low fouling. Plates of the heat exchanger were weighed and photographed before and after of the fouling tests for evaluate the deposit formed. Generic models of fouling were used to simulate the effect of fouling on the pasteurization process. Through the comparison of experimental and simulated results, it was verified that the mathematical modeling for the transient operation of the pasteurization process was very satisfactory.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2019-03-13T13:59:33Z No. of bitstreams: 1 Clemar Trentin Oliveira_.pdf: 4154239 bytes, checksum: 0abf1d28fa69ea97d15e72a7624615f5 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-13T13:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Clemar Trentin Oliveira_.pdf: 4154239 bytes, checksum: 0abf1d28fa69ea97d15e72a7624615f5 (MD5) Previous issue date: 2018-12-11 / Nenhuma / Neste trabalho, desenvolve-se uma nova abordagem de otimização do projeto de um trocador de calor casco e tubos. O algoritmo Otimizador por Lobo Cinzento (GWO) é aplicado para minimizar a função objetivo custo total do trocador de calor proposto. As variáveis de otimização adotadas são: número de passes nos tubos, diâmetro externo dos tubos, diâmetro interno do casco, espaçamento dos defletores e corte dos defletores. O método Bell-Delaware e o método de Kern são utilizados para calcular o coeficiente de transferência de calor e a perda de pressão para o lado do casco. Os resultados da otimização são comparados com o projeto original do trocador de calor e também com os resultados alcançados por outros algoritmos de otimização da literatura. Além disso, o algoritmo GWO é comparado com outras meta-heurísticas de otimização em três funções de teste distintas. Os resultados da comparação do algoritmo GWO nas funções de teste mostram um desempenho competitivo, comparado com o Algoritmo Genético, Otimização por Enxame de Partículas, algoritmo Evolução Diferencial e Algoritmo do Vaga-Lume. Os resultados da otimização do trocador de calor utilizando o método de Kern mostra um bom desempenho, com a redução do investimento de capital em 11,95%, 7,93%, 6,24%, 2,37% e 0,19% comparado ao projeto original, GA, ICA, PSO e GSA respectivamente. Além disso, o custo operacional total descontado foi menor que o projeto original e o restante das metaheurísticas exceto para o algoritmo GSA onde o algoritmo GWO obteve resultado 22,33 %, superior. No geral, a redução combinada do investimento de capital e do custo operacional total descontado obtido pela aplicação do algoritmo GWO levaram a uma redução de custo total de 20,80%, 7,28%, 6,07% e 4,06% comparado ao projeto original, GA, ICA e PSO respectivamente. Por fim, os resultados da otimização do trocador de calor utilizando o método Bell-Delaware comparado ao projeto original mostram desempenho satisfatório com redução do investimento de capital em 13,32%. O custo operacional total foi menor em 32,56%. Neste caso, a redução combinada do investimento de capital e do custo operacional total descontado com o GWO levaram a uma redução de custo total de 17,19%. / In this work, a new approach to optimizing the design of a shell and tube heat exchanger is developed. The Grey Wolf Optimizer algorithm (GWO) is applied to minimize the objective total cost function of the proposed heat exchanger. The optimization variables adopted are: number of tubes passes, tube outside diameter, shell inside diameter, baffles spacing and baffle cut. The Bell-Delaware method and the Kern method are used to calculate the heat transfer coefficient and the pressure drop from the shell side. The results of the optimization are compared with the original design and with other optimization algorithms in the literature. In addition, the GWO algorithm is compared with other optimization meta-heuristics in three different test functions. The results of the comparison of the GWO algorithm in the test functions show a competitive performance compared to the Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization, Differential Evolution algorithm and Firefly Algorithm. Already, the results of the optimization of the heat exchanger using the Kern method shows a good performance, with the reduction of capital investment by 11.95%, 7.93%, 6.24%, 2.37% and 0.19% compared to the original project, GA, ICA, PSO and GSA, respectively. In addition, the total discounted operating cost was lower than the original project and the rest of the metaheuristics except for the GSA algorithm where the GWO algorithm obtained 22.33% higher result. Overall, the combined reduction in capital investment and total discounted operating cost obtained by applying the GWO algorithm led to a total cost reduction of 20.80%, 7.28%, 6.07% and 4.06% compared to the original project, GA, ICA and PSO, respectively. Finally, the results of optimization of the heat exchanger using the Bell-Delaware method compared to the original design show satisfactory performance with reduction of capital investment by 13.32 %. The total discounted operating cost was lower by 32.56%. In this case, the combined reduction in capital investment and discounted total operating cost obtained by applying the GWO algorithm led to a total cost reduction of 17.19%.

Uma alternativa à utilização de tubos de alto custo, resistentes a erosão por partículas sólidas, nos trocadores de calor ar/gases de usinas termelétricas a carvão, é o revestimento por aspersão térmica com ligas especiais de média a alta dureza. Dentre os processos de aspersão térmica, os mais usualmente empregados para a deposição de revestimentos contra desgaste são por HVOF (High-Velocity Oxyfuel), PS (Plasma Spraying) e AS (Arc Spraying). O processo aspersão térmica a arco (AS) propicia alta produtividade devido a uma maior taxa de deposição quando comparado com os outros processos, além do custo operacional significantemente mais baixo para a fabricação de revestimentos. Neste trabalho, foram depositadas por AS quatro ligas metálicas contra o desgaste erosivo a base de carboneto de tungstênio, superligas de níquel, ligadas ao boro e aço inoxidável martensítico em comparação ao aço ASTM 178 grau A, o qual é atualmente empregado nos tubos do trocador de calor. A avaliação foi feita a partir de ensaios de erosão acelerada (norma ASTM G76), metalografia e MEV. Verificou-se que o comportamento dos revestimentos contendo grande quantidade de defeitos, principalmente porosidade, quando expostos ao desgaste acelerado numa temperatura de 370°C, apresentaram uma maior taxa de desgaste em relação ao aço ASTM A178, e que o melhor comportamento dentre as ligas analisadas foi do aço inoxidável AISI 420 aspergido, o qual apresentou aproximadamente 2% de porosidade e um mecanismo de remoção de material predominantemente dúctil. / An alternative to using tubes of expensive materials, resistant to erosion by solid particles in air-gases heat exchangers of coal power plants, is the thermal spray coatings with special alloys of medium to high hardness. Among the thermal spray processes, the most commonly employed for coatings against wear are HVOF (High-Velocity Oxyfuel), PS (Plasma Spraying) and AS (Arc Spraying). The arc thermal spray process (AS) provides high productivity, due to a higher deposition rate compared to other processes, in addition to the significantly lower operational cost. In this study four different alloys were deposited to evaluate the erosive wear resistance in comparison to the ASTM 178 Grade A steel (currently employed in the tubes of the heat exchanger): 1) with basis of tungsten carbide, 2) nickel superalloys 3) alloyed to Boron, and 4) martensitic stainless steel. The evaluation was made from accelerated erosion tests (ASTM G76), OM, SEM and Vickers micro hardness tests. It was found that the behavior of coatings containing large amounts of defects, mainly porosity, when exposed to accelerated wearing in a temperature of 370 °C showed a higher wear rate than the ASTM A178 and that the best performance among the alloys sprayed was the stainless steel AISI 420, which showed about 2% of porosity and a material removal mechanism predominantly ductile.

Atualmente, existe uma grande variedade de metodologias de controle que poderiam ser utilizadas e aplicadas a processos industriais. Algumas destas metodologias têm um projeto complexo, exigindo um estudo extra de engenharia para projetar um controlador com um desempenho excelente. Outros controladores não apresentam um desempenho tão bom, embora apresentem um projeto extremamente simples. Entre a mais simples e a mais complexa metodologia, existem soluções de controle intermediárias, baseadas nas teorias de controle ótimo, que apresentam uma relativa simplicidade de projeto combinada com um desempenho superior. A presente tese apresenta a aplicação de duas técnicas de controle aplicadas a uma Rede de Trocadores de Calor (RTC) com bypasses: o controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e o controle H-Infinito, apresentando os resultados obtidos em simulação no Matlab/Simulink e também resultados experimentais. Além disso, foi desenvolvido um procedimento para a validação experimental de um modelo matemático do trocador de calor casco e tubo 1-1 proposto por NOVAZZI (2006). A obtenção dos resultados experimentais foi realizada através de uma RTC em escala piloto, projetada e construída no Laboratório de Engenharia Química do Centro Universitário da FEI, com a instrumentação necessária e devidamente interconectada a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. A simulação e os ensaios experimentais realizados com os controladores LQR e H-Infinito aplicados na RTC apresentaram resultados adequados quando comparados à dinâmica da RTC em malha aberta (600s.), pois exigiram em torno de 200s. para impor uma mudança de setpoint ou rejeitar os distúrbios aplicados na vazão fria e na temperatura quente de entrada. Além disso, os controladores foram capazes de eliminar as interações entre as variáveis de processo. / Nowadays, there are a lot of different control methodologies that could be used on industrial processes. Some of these methodologies have a complex design and also demands an extra engineering effort to design the controller with a superior performance. Some other controllers may not lead to a desirable performance although they are too easy to design. Midway between the simplest and the most complex controller designs, there are an intermediate solutions based on optimal control theory, that present a relative simplicity in design combined with a superior performance. The contribution of this work is to apply the LQR control (Linear Quadratic Regulator) and the H-Infinity control on a Heat Exchanger Network (HEN) with bypasses, presenting the simulations and the experimental results. An experimental validation of the shell and tube heat exchanger mathematical model was successfully developed based on a procedure proposed. The experimental results were obtained with an HEN assembled on the Chemical Engineering Laboratory located at Centro Universitario da FEI. The instrumentation was adequately performed and the signals were interconnected on PC computer by using a data acquisition card. The simulation and the experimental results with the LQR and the H-Infinity control demanded 200s. to achieve a new steady state hen disturbances or set point variation were applied on the HEN. Compared with the HEN setting time (600s.), the controllers demonstrated reasonable results to perform a disturbance rejection and a set point variation.

O principal objetivo do trabalho foi o desenvolvimento de um modelo matemático de um pasteurizador a placas visando a determinação da distribuição de temperatura e de letalidade ao longo dos canais do trocador de calor em todas as suas seções, nas conexões tubulares e no tubo de retenção para a avaliação do decaimento logarítmico da concentração de um microorganismo alvo ou da atividade de uma enzima alvo em um processo de pasteurização contínua. A modelagem matemática foi composta pelo balanço diferencial de energia e letalidade nos canais do trocador, no tubo de retenção e nas suas conexões, levando em conta a perda de calor para o ambiente nos tubos. O modelo construído apresentou um conjunto de equações diferenciais ordinárias de primeira ordem e sua resolução foi feita pelo método das diferenças finitas usando o software gPROMS. Um estudo de caso foi analisado e a modelagem descreveu de forma coerente o processo térmico e a letalidade e futuramente ela poderá ser utilizada para a otimização do processo de pasteurização em trocadores de calor a placas, visando a obtenção de produtos seguros e de alta qualidade. A verificação do processo de pasteurização que o modelo desenvolvido contempla foi realizada a partir da validação experimental utilizando um integrador tempo-temperatura e ensaios laboratoriais com indicador enzimático (fosfatase alcalina em tampão fosfato), que mostraram que o modelo desenvolvido se aproxima de maneira satisfatória dos resultados reais. / The main objective of this study was to develop a mathematical model in a plate pasteurizer in order to determine the temperature and lethality distribution along the channels of the heat exchanger in all its sections, in tubular connections and holding tube evaluating the logarithmic decay in concentration of a target microorganism or enzyme activity in a continuous pasteurization process. Mathematical modeling was composed of the differential energy balance and lethality in the channels of the exchanger, the holding tube and its connections, taking into account the heat loss to the environment in the tubes. The constructed model presented a set of ordinary differential equations of first order and its resolution was made by the finite difference method using the gPROMS software. A case study was analyzed and the modeling described the thermal and the lethality process very well and in the future it can be used to optimize the process of pasteurization in plate heat exchangers, aiming the achievement of safe and with high quality products. A verification of the pasteurization process that the model developed contemplates has been performed based on experimental validation using time-temperature integrator and testing with enzymatic indicator (alkaline phosphatase in phosphate buffer), which showed that the model developed satisfactorily approximates the actual results.

Nas últimas décadas a soldagem em estado sólido vem se demonstrando como uma ótima alternativa perante os métodos tradicionais de união, os quais envolvem fusão dos materiais. O presente trabalho avalia a aplicação de um novo processo de união em estado sólido, a soldagem híbrida por difusão através de fricção (Hybrid Friction Diffusion Bonding - HFDB). O HFDB pode ser utilizado na união entre chapas finas ou também de chapas finas em substratos de materiais similares ou dissimilares. Através de calor e pressão os mecanismos de difusão são ativados gerando a união entre os materiais. Uma variante do processo de HFDB padrão pode ser utilizada para a fabricação das uniões de tubos e flanges-tubo de trocadores de calor de tubo espiral produzidos em alumínio. Utilizando como materiais duas ligas de alumínio dissimilares da série 5XXX, as amostras foram soldadas e caracterizadas. Visando a aplicação industrial do HFDB, o processo foi desenvolvido e sua viabilidade foi avaliada através de testes de estanqueidade, resistência à tração e análise metalográfica. Em seguida, visou-se a otimização dos parâmetros de soldagem (rotação, força axial e tempo de processo). Através de técnicas estatísticas de projeto de experimentos (DoE) os três fatores foram avaliados por meios de ensaios de tração para maximizar a resposta, limite de resistência. Investigações posteriores relacionadas aos mecanismos de união foram realizadas por meio da medição dos parâmetros de resposta, análise em microscópio ótico, aquisição de temperatura, espectroscopia de energia dispersiva de raios-x (EDX) e análise em elementos finitos (FEA). A primeira e mais importante premissa, a produção de soldas livres de vazamento, foi atingida. Em seguida, através da análise de uma equação de regressão e gráficos de superfície o conjunto de parâmetros otimizado – 1500 min-1 de rotação, 3 kN de força axial e 30 segundos de tempo de processo - atingiu resultados equivalentes a 95% de resistência quando comparados ao material base. O presente trabalho mostra que o processo de HFDB é promissor para aplicações industriais e indica vantagens perante os métodos tradicionais de união utilizados hoje na fabricação de trocadores de calor de alumínio. / In past few decades solid state welding has been demonstrating to be a great alternative compared to the traditional joining methods, which involve melting of the materials. This study evaluates the application of a new soliid state joining process called Hybrid Friction Diffusion Bonding (HFDB). The HFDB can be used to join thin plates or thin plates on substrates of similar or dissimilar materials. Through heat and pressure diffusion mechanisms are activated generating the bonding between the materials. A variant of the standard HFDB process can be used to manufacture tubes and tube-sheets of Coil-Wound Heat Exchangers made of aluminum. Using two dissimilar aluminum alloys from the 5XXX series, the samples were welded and characterized. Intending an industrial application of the HFDB, the process was developed and its feasibility was assessed by leak tightness tests, tensile strength tests and metallographic analysis. Subsequently, it was aimed to optimize the welding parameters (speed, axial force and process time). Through statistical analysis of design of experiments (DoE), the three factors were evaluated by tensile tests to maximize the response, ultimate tensile stress. Further investigation related to bonding mechanisms were carried out by measuring the response parameters, optical microscope analysis, temperature acquisition, energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) and finite element analysis (FEA). The first and most important target, the production of leakage free welds was achieved. Then, through the analysis of a regression equation and surface plots, the optimized parameter set – 1500 min-1 of rotational speed, 3kN of Axial force and 30 seconds of process time - achieved 95% of resistance when compared to the base material. This study shows that the HFDB process is very promising for industrial applications and indicates advantages compared to the traditional joining methods used today to manufacture aluminum heat exchangers.

Uma alternativa à utilização de tubos de alto custo, resistentes a erosão por partículas sólidas, nos trocadores de calor ar/gases de usinas termelétricas a carvão, é o revestimento por aspersão térmica com ligas especiais de média a alta dureza. Dentre os processos de aspersão térmica, os mais usualmente empregados para a deposição de revestimentos contra desgaste são por HVOF (High-Velocity Oxyfuel), PS (Plasma Spraying) e AS (Arc Spraying). O processo aspersão térmica a arco (AS) propicia alta produtividade devido a uma maior taxa de deposição quando comparado com os outros processos, além do custo operacional significantemente mais baixo para a fabricação de revestimentos. Neste trabalho, foram depositadas por AS quatro ligas metálicas contra o desgaste erosivo a base de carboneto de tungstênio, superligas de níquel, ligadas ao boro e aço inoxidável martensítico em comparação ao aço ASTM 178 grau A, o qual é atualmente empregado nos tubos do trocador de calor. A avaliação foi feita a partir de ensaios de erosão acelerada (norma ASTM G76), metalografia e MEV. Verificou-se que o comportamento dos revestimentos contendo grande quantidade de defeitos, principalmente porosidade, quando expostos ao desgaste acelerado numa temperatura de 370°C, apresentaram uma maior taxa de desgaste em relação ao aço ASTM A178, e que o melhor comportamento dentre as ligas analisadas foi do aço inoxidável AISI 420 aspergido, o qual apresentou aproximadamente 2% de porosidade e um mecanismo de remoção de material predominantemente dúctil. / An alternative to using tubes of expensive materials, resistant to erosion by solid particles in air-gases heat exchangers of coal power plants, is the thermal spray coatings with special alloys of medium to high hardness. Among the thermal spray processes, the most commonly employed for coatings against wear are HVOF (High-Velocity Oxyfuel), PS (Plasma Spraying) and AS (Arc Spraying). The arc thermal spray process (AS) provides high productivity, due to a higher deposition rate compared to other processes, in addition to the significantly lower operational cost. In this study four different alloys were deposited to evaluate the erosive wear resistance in comparison to the ASTM 178 Grade A steel (currently employed in the tubes of the heat exchanger): 1) with basis of tungsten carbide, 2) nickel superalloys 3) alloyed to Boron, and 4) martensitic stainless steel. The evaluation was made from accelerated erosion tests (ASTM G76), OM, SEM and Vickers micro hardness tests. It was found that the behavior of coatings containing large amounts of defects, mainly porosity, when exposed to accelerated wearing in a temperature of 370 °C showed a higher wear rate than the ASTM A178 and that the best performance among the alloys sprayed was the stainless steel AISI 420, which showed about 2% of porosity and a material removal mechanism predominantly ductile.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-02-27Bitstream added on 2014-06-13T18:10:04Z : No. of bitstreams: 1 lima_rs_me_ilha.pdf: 1489215 bytes, checksum: ed4f819bbee11e72c48fb349bb496fc5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para a simulação do escoamento transiente de fluidos refrigerantes ao longo de condensadores do tipo arame-sobre-tubo, comumente usados em refrigeradores domésticos que empregam o ciclo de compressão de vapor. A análise envolve o escoamento do fluido refrigerante no interior do tubo e a transferência de calor por convecção natural e radiação entre a superfície externa do tubo, as aletas em forma de arames cilíndricos e o ar externo. No interior do tubo o escoamento é considerado unidimensional e dividido em uma região monofásica de vapor superaquecido, uma região bifásica líquido-vapor e outra em que o refrigerante encontra-se no estado de líquido subresfriado. A queda de pressão no interior do tubo é também considerada. Na região bifásica o escoamento é considerado homogêneo, ou seja, são consideradas condições de equilíbrio térmico e hidrodinâmico entre as fases. Inicialmente, condições de regime permanente serão assumidas e posteriormente será analisada a resposta dinâmica do condensador às variações das condições de operação do sistema. A simulação do escoamento ao longo do condensador é obtida a partir da solução numérica das equações de conservação da massa, da quantidade de movimento e de conservação de energia. Para a parede do condensador, a equação de conservação de energia é resolvida para determinar a sua distribuição de temperatura. O método de Volumes Finitos é usado na discretização das equações governantes. O modelo permite a determinação, nos regimes permanente e transiente, das distribuições de pressão, título, temperatura do refrigerante e temperatura do tubo ao longo do condensador, em função da geometria do condensador e das condições de operação. O modelo proposto é analisado e os resultados obtidos são discutidos e comparados... / This work presents a numerical model to simulate the unsteady refrigerant fluid flow along wire-on-tube condensers, commonly used in vapor compression cycle based domestic refrigerators. The model considers the refrigerant flow inside the tube and the heat transfer from the outer surfaces of the wires and tubes to the surrounding air by free convection and radiation. The refrigerant flow along the condenser is divided into a vapor superheated singlephase region, a two-phase liquid-vapor flow region and a subcooled liquid region. The refrigerant pressure drop is taking into account. The homogeneous model is employed for the two-phase flow region, i.e. the hydrodynamic and thermal equilibrium between the phases are considered. Initially the steady state condition is considered and later condenser unsteady behavior is analyzed. The mass conservation, momentum and energy conservation equations for the refrigerant flow are solved in order to evaluate the distributions of mass flux, pressure and temperature of the refrigerant fluid, respectively. Also, the energy conservation equation for the tube wall is solved to determine the wall temperature distribution. The system of differential equations is solved using the Finite Volume method. The model is analyzed and the obtained results are compared with data available in the open literature.