Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-21T13:48:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernandes_BrunoGimenez_M.pdf: 2463368 bytes, checksum: 7a65b802c5c28920eb9aaf7dd78e4ec9 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo do presente trabalho está na otimização econômica de um sistema com bomba de calor utilizado no aquecimento de água para banho em um edifício com reservatório térmico, para armazenamento de água quente. A otimização da bomba de calor envolve relações termodinâmicas, econômicas, de transferência de calor e mecânica dos fluidos, com o objetivo de obter o menor custo de aquecimento equivalente (CEA) da bomba de calor e do sistema. Dando continuidade a outros trabalhos já realizados na Unicamp, destacam-se neste trabalho a inclusão de perdas de carga na bomba de calor, maiores limites das variáveis não lineares a serem otimizadas, relações de transferência de calor mais realistas e a simulação do reservatório térmico de água, obtendo um volume compatível com a demanda do edifício e a eficiência da bomba de calor, durante sua utilização. No projeto preliminar, é utilizado o método de Substituição - Newton Raphson, obtendo as áreas iniciais de transferência de calor dos trocadores de calor (evaporador e condensador), o coeficiente de desempenho (COP), vazão do fluido refrigerante R- 134a (utilizado na bomba de calor), a potência do compressor, entre outros. No projeto otimizado, os valores obtidos na simulação anterior são considerados como estimativas iniciais no processo de otimização. Nesse processo o algoritmo de otimização escolhido é a Programação Quadrática Sequencial (SQP), disponível na função fmincon do MatLab'MARCA REGISTRADA'. Nas simulações do reservatório térmico, a estimativa de volume foi de 3 a 30 m3, obtendo a variação da temperatura para cada um dos volumes, é avaliado o menor trabalho médio do compressor da bomba de calor, com a variação de cada temperatura do reservatório, para que possa ser escolhido um volume adequado. Na finalização do projeto, são obtidos os melhores valores das áreas de troca de calor do evaporador e condensador, valor mínimo do CEA (função objetivo em questão) e volume do reservatório térmico, conforme condições de perdas de calor do sistema (reservatório e tubulação) e trabalhos de entrada, necessários em seu funcionamento / Abstract: The purpose of this work is the economic optimization of a system with heat pump used to heat water for bathing in a building with a thermal reservoir for hot water storage. Optimization of heat pump involves thermodynamic relations, economics, heat transfer and fluid mechanics, in order to obtain the lowest cost of heating equivalent (CEA) and heat pump system. Continuing to other work already done at Unicamp, stands out in this work to include pressure losses in the heat pump, higher limits of non-linear variables to be optimized, relations of heat transfer and more realistic simulation of the thermal reservoir water obtaining a volume compatible with the demand of the building and the efficiency of the heat pump during its use. In the preliminary design, the method is used Substiution - Newton Raphson, getting the initial areas of heat transfer of heat exchangers (evaporator and condenser), the coefficient of performance (COP), flow of refrigerant R-134a (used in Heat pump), the compressor power, among others. In the optimized design, the values obtained in previous simulation as initial estimates are considered in the optimization process. In this case the optimization algorithm chosen is the Sequential Quadratic Programming (SQP), available in the MatLab'TRADE MARK' function fmincon. In simulations of the thermal reservoir, the estimated volume was 3 to 30 m3, resulting temperature variation for each of the volumes is the lowest rated working medium of the heat pump compressor, with the temperature variation in each reservoir, can be chosen so that a suitable volume. At project completion, the best values are obtained from the areas of heat transfer from the evaporator and condenser, the minimum value of CEA (objective function in question) and the thermal reservoir volume, as conditions of heat losses from the system (tank and piping) and work input required for its operation / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Roger Josef Zemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:53:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coelho_FilipeAlves_M.pdf: 2399383 bytes, checksum: b85757c1658e9d740e40d955ddc36d5e (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Com o desenvolvimento da análise pinch, foi possível estabelecer metas de consumo de utilidades em processos químicos e posteriormente sintetizar a rede capaz de atender as metas estabelecidas. Em contrapartida, os processos energeticamente integrados atendendo essas metas podem ser difíceis de se controlar e isso motiva estudar a controlabilidade e a dinâmica desses processos. Porém, a literatura vem tratando esses estudos desacoplando a rede do restante do processo e isso pode introduzir erros nos resultados, pois dinâmicas importantes associadas aos reciclos são perdidas. Assim, neste trabalho foi levantada a hipótese de que a análise da controlabilidade de redes de trocadores de calor, assim como o projeto de seus controladores, desprezando-se outros equipamentos de processo como colunas, reatores etc., pode induzir a uma falsa compreensão da dinâmica do processo e levar à síntese de uma rede fora do ótimo entre objetivos econômicos e controlabilidade. Para a execução das simulações, foi construída uma ferramenta computacional em Matlab onde foram implementados os modelos dos trocadores de calor e dos outros equipamentos de processo. Foi proposto um estudo de caso para um processo fictício com cinco topologias de redes de trocadores onde a controlabilidade foi avaliada utilizando-se dois índices em estado estacionário e um índice dinâmico. Observou-se que existe uma tendência de redução na controlabilidade conforme a integração energética aumenta e por isso a topologia que atendia às metas da análise pinch foi indicada por todos os índices como tendo a pior controlabilidade. Também foi testada a influência do atraso de transporte e da diferença entre as velocidades das dinâmicas dos equipamentos. A hipótese levantada neste trabalho foi comprovada / Abstract: The development of pinch analysis gave a powerful tool for engineers to establish energy targets for chemical processes and, with some extra work, synthesize a heat exchanger network to attain those targets. On the other hand, these heat integrated networks are generally hard to control, motivating several studies on their controllability and dynamics. However, most scientific studies decouples the network from the rest of the process and it can introduce errors in the results, because important dynamics related to recycles are lost. Therefore, it was raised the hypothesis that the controllability analysis of a heat exchanger network, as the design of their controllers, disregarding the other process equipments such as columns, reactors etc., may lead to false comprehension of the process dynamics and make the network synthesis out of the optimum between economic and controllability objectives. To simulate the systems, a computational tool was developed in Matlab, where the models of the heat exchangers and the other equipments were implemented. A case study of a fictitious process was proposed and five heat exchanger topologies were synthesized, with controllability assessed by two steady state indexes and a dynamic one. It was observed that controllability decreases as heat integration increases, therefore, the pinch network was pointed as having the worst controllability. The effects of dead time and difference between dynamic velocities in the equipments were also tested. The hypothesis was proven / Mestrado / Engenharia Química / Mestre em Engenharia Química

In this dissertation, a mathematical model was presented to simulate the steady state performance of a cross flow three-pass serrated plate fin compact evaporator. The refrigerant flows in three passes and the air flows in a single pass. The principle of the model was to divide the evaporator into 3 zones corresponding to each of the three refrigerant flow passes and to divide the third zone (the last zone before the refrigerant leaves the evaporator) into two sub zones - the two-phase sub zone and the single phase vapor sub zone. The fluid properties in a given zone are considered to be constant and uniform in that zone. The energy conservation equations were solved in each zone. Each zone's air flow outlet properties were the airflow inlet properties for the next zone while each zone's refrigerant outlet properties were the refrigerant inlet properties for the next zone. The results were compared to experimental data.

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados / Fouling is an undesirable phenomenon that occurs over the surface of heat exchangers during its operation, causing reduction of thermal effectiveness and increase of flow resistance along these equipment. These effects bring large economics and environmental consequences, due to the increase of operational costs (additional energy is required), increase of project costs (demand of equipment with larger thermal exchange areas), hydraulic limitations (that can diminish the process throughput) and increase of emissions (increase of fossil fuel firing to supply the additional energy required). In this context, the objective of this work is to provide robust computational tools that apply optimization techniques for fouling management on heat exchanger networks, aiming to reduce its negative effects. These tools were developed using mathematical programming on GAMS software, and three distinct approaches for the resolution of the fouling problem were investigated. One of them consists in the identification of the optimal set of heat exchangers that have to be cleaned during a plant maintenance shutdown, aiming to restore the thermal load in these equipment through the removal of the existent deposits. The other approaches consist in to optimize the distribution of flow rates of the streams along parallel branches, using stationary and dynamic models, in order to maximize the energy recovery in the network. The performance of these three approaches is illustrated through examples of heat exchanger networks, where the real gains obtained with these optimization tools are demonstrated

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.

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados / Fouling is an undesirable phenomenon that occurs over the surface of heat exchangers during its operation, causing reduction of thermal effectiveness and increase of flow resistance along these equipment. These effects bring large economics and environmental consequences, due to the increase of operational costs (additional energy is required), increase of project costs (demand of equipment with larger thermal exchange areas), hydraulic limitations (that can diminish the process throughput) and increase of emissions (increase of fossil fuel firing to supply the additional energy required). In this context, the objective of this work is to provide robust computational tools that apply optimization techniques for fouling management on heat exchanger networks, aiming to reduce its negative effects. These tools were developed using mathematical programming on GAMS software, and three distinct approaches for the resolution of the fouling problem were investigated. One of them consists in the identification of the optimal set of heat exchangers that have to be cleaned during a plant maintenance shutdown, aiming to restore the thermal load in these equipment through the removal of the existent deposits. The other approaches consist in to optimize the distribution of flow rates of the streams along parallel branches, using stationary and dynamic models, in order to maximize the energy recovery in the network. The performance of these three approaches is illustrated through examples of heat exchanger networks, where the real gains obtained with these optimization tools are demonstrated

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.

[pt] O presente trabalho diz respeito ao desenvolvimento de um modelo de simulação para evaporadores do tipo casco e serpentina, com aplicações para resfriadores de água. O modelo considera o trocador de calor como divido em duas zonas: uma de evaporação e outra de superaquecimento. Diferentes mecanismos de transferência de calor, existentes em cada zona, foram, portanto, levados em consideração. Definidas as condições de entrada de ambos os fluidos e a geometria do evaporador,um programa escrito em FORTRAN foi desenvolvido para calcular o desempenho térmico do evaporador, incluindo a capacidade térmica, condições de saída do refrigerante e água e distribuição de área de troca pelas duas zonas. Propriedades do refrigerantes foram calculadas com subrotinas do pacote REFPROP, desenvolvido no NIST, EUA, permitindo a modelagem de equipamentos operando com uma vasta gama de refrigerantes, incluindo hidrocarbonetos e misturas não azeotrópicas. Em virtude da ausência de informação na literatura, um aparato experimental foi construído para a determinação do coeficiente de transferência de calor no lado da carcaça, por onde escoa a água. / [en] The present work is concerned with the development of a simulation model for shell and coil heat exchangers with first application in water-chillers. The model considers the heat exchanger as divided into two zones: two-phase region (boiling) and superheating region. Different refrigerant properties and heat transfer mechanisms are thus taken into account for each zone. For prescribed heat exchanger's geometry and water and efrigerant inlet conditions, a program in FORTRAN calculates the evaporator's performance which includes: refrigerant and water outlet conditions, evaporator's thermal capacity, and tube distribution for each zone. The REFPROP code programmed in FORTRAN was used for getting the local refrigerant properties, and the new kattan et al. s model for refrigerants boiling, including the new flow pattern map, was used for predicting the internal convective coefficient of heat transfer at the boiling region. A simple correlation was obtained for predicting the water convective coefficient depending on Reynolds number for the specific geometry at tested ranges of temperature. An evaporator was manufactured and an accurate test rig that included two controlled temperature baths and a data acquisition system was used for obtaining used data. The model is able to deal with a number of pure refrigerants and refrigerant blends. / [es] El presente trabajo discute el desarrollo de un modelo de simulación para evaporadores de tipo casco y serpentina, con aplicaciones para refrigeradores de agua. El modelo considera que el agente de intercambio de calor está divido en dos zonas: una de evaporación y otra de supercalentamiento. Por esto, se consideraron los diferentes mecanismos de transferencia de calor existentes en cada zona. Definidas las condiciones de entrada de ambos fluidos y la geometría del evaporador, se desarrolló un programa en FORTRAN para calcular el desempeño térmico del evaporador, incluyendo la capacidad térmica, condiciones de salida del refrigerante y agua y distribución de área de intercambio térmico por las dos zonas. Las popriedades del refrigerante fueron calculadas con subrutinas del paquete REFPROP, desarrollado en el NIST, EUA, lo que permitió modelar los equipos operando con una vasta gama de refrigerantes, incluyendo hidrocarbonetos y mezclas no azeotrópicas. En virtud de la ausencia de información en la literatura, se construyó un aparato experimental para la determinación del coeficiente de transferencia de calor en el lado del casco, por donde sale el agua.

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T14:45:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tomazeti_CristinaAutuori_D.pdf: 4089449 bytes, checksum: 65558b112b34461f8da3f544b8666a0d (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Uma análise foi desenvolvida para avaliar o desempenho de trocadores de calor compactos de correntes cruzadas de placas aletadas com canais de seção transversal arbitrária. Os coeficientes convectivo e de atrito foram obtidos através de simulação numérica, tanto no regime de escoamento laminar quanto no turbulento, utilizando o pacote computacional PHOENICS. Estes resultados foram então usados junto com o método da efetividade para avaliar as características térmicas e de escoamento do trocador de calor. As simulações foram efetuadas inicialmente para o escoamento e a transferência de calor entre duas placas placa paralelas isotérmicas e bastante próximas, porque os resultados podiam ser comparados com aqueles disponíveis na literatura. Resultados numéricos adicionais foram obtidos, em seguida, para seis dutos de paredes isotérmicas com seções transversais distintas. Um deles era um duto retangular, e os outros cinco eram passagens típicas de placas aletadas utilizadas em trocadores de calor compactos. O fluido de trabalho era o ar e as simulações foram tridimensionais devido à presença das paredes das aletas. Perfis uniformes de velocidade e de temperatura sempre foram utilizados na entrada dos dutos, de forma que os resultados refletem os efeitos combinados de entrada hidrodinâmica e térmica. Os resultados para o duto retangular e o método da efetividade foram utilizados para prever o desempenho térmico de um trocador de calor de correntes cruzadas composto por um empilhamento de dutos retangulares idênticos. O desempenho deste trocador de calor foi avaliado também por uma simulação direta do escoamento cruzado e da transferência de calor através da parede de separação de dois dutos retangulares adjacentes do empilhamento. Os resultados obtidos foram bastante semelhantes, fornecendo confiança para a análise anterior. As simulações efetuadas para os cinco dutos típicos de placas aletadas de dimensões pequenas apresentaram resultados similares aos valores experimentais obtidos da literatura. Eles foram utilizados para avaliar o desempenho de trocadores de calor compactos de correntes cruzadas compostos por empilhamentos destas placas aletadas. Vários parâmetros como o volume total, o peso, a potência de bombeamento, a efetividade, a taxa de geração adimensional de entropia, e a eficiência exergética também foram avaliados para comparar os trocadores compactos de calor considerados / Abstract: An analysis was developed to evaluate the performance of cross flow compact heat exchangers with plate-fin passages of arbitrary cross section. The convective and the friction coefficients were obtained by numerical simulation, either in the laminar or the turbulent flow regimes, using the software PHOENICS. These results were then employed together with the effectiveness method to evaluate the heat exchanger thermal and flow characteristics. The simulations were performed initially for the flow and heat transfer between two closely spaced parallel isothermal plates, because the results could be compared with those available in the literature. Additional numerical results were obtained, next, for six isothermal wall ducts with distinct cross sections. One was a rectangular duct, and the other five were typical plate-fin passages employed in compact heat exchangers. The working fluid was air and the simulations were three dimensional due to the fins walls. Uniform velocity and temperature profiles were always assumed at the duct inlet, so that the results reflected the combined effects of hydrodynamic and thermal entrance. The results for the rectangular duct and the effectiveness method were employed to predict the thermal performance of a cross flow heat exchanger made from a stack of identical rectangular ducts. The performance of this heat exchanger was also evaluated by a direct simulation of the cross flow and the heat transfer through the separating wall of two adjacent rectangular ducts of the stack. The results compared favorably, lending confidence to the previous analysis. The simulations performed for the five typical plate-fin passages of small cross section presented results similar to the experimental values obtained from the literature. They were used to evaluate the performance of cross flow compact heat exchangers composed of stacks of these plate-fins. Several parameters like total volume, weight, pumping power, effectiveness, rate of dimensionless entropy generation, and exergetic efficiency were also evaluated to compare the distinct compact heat exchangers / Doutorado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

[pt] Um gerador de pasta de gelo foi desenvolvido para o estudo experimental de suas características de transferência de calor. Uma das características da pasta de gelo é que pode ser bombeada como qualquer líquido. O gerador de pasta de gelo é um evaporador, do tipo trocador de calor de superfície raspada com intensificação mecânica de transferência de calor. Foi estabelecida a influência de vários parâmetros na transferência de calor no gerador de pasta de gelo: a vazão mássica, a velocidade de rotação do raspador, a temperatura da parede na interface, a temperatura de operação da solução aquosa, entre outros. Estudou-se tanto a transferência de calor com ou sem mudança de fase. Utilizaram-se soluções aquosas de etanol com diferentes concentrações. A pasta de gelo era produzida continuamente sem acumulação no evaporador. O gerador era parte de um sistema integral contendo os seguintes componentes: o sistema de medição da fração de gelo on-line, através da medição da massa específica da pasta de gelo; uma bomba helicoidal de cavidade progressiva, que permitia controlar a vazão, por meio de um variador de freqüência; um aquecedor elétrico, atuando como carga térmica, com a possibilidade de variar a capacidade desta carga térmica e, com isto, o controle da temperatura de operação do sistema; e o sistema de aquisição de dados. Foi estabelecido um modelo para determinar, experimentalmente, o número de Nusselt e, por conseguinte, o coeficiente interno de transferência de calor da pasta de gelo. Utilizou-se uma unidade condensadora convencional, com R22 como fluido refrigerante. A pasta de gelo resultante era bombeada continuamente em um circuito fechado, assegurando o estudo de um fluido homogeneamente distribuído, visto que o circuito não permitia a acumulação de pasta de gelo. Os sistemas de geração de pasta de gelo apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulação estáticos de gelo ou dinâmicos, como o ice harvesting. / [en] An ice slurry generator for was developed for the experimental study of its heat transfer characteristics. One of the main characteristic of ice slurry is that it can be pumped as any liquid. The ice slurry generator is an evaporator, with mechanical heat transfer enhancement, by surface scraping. The dependence of several parameters on heat exchanger performance was established. They included: mass flow rate, scraped rotational velocity, surface temperature, solution operating temperature. Single and two-phase flow was studied. Aqueous ethanol solutions, of different concentrations, were used. Ice slurry was produced on a continuous basis. The experimental apparatus consisted of the heat exchanger itself, an on-line ice mass fraction measurement device, a helicoidal positive displacement variable flow rate pump, an electrical heater, the data acquisition system and a R22 condensing unit. The ice slurry was pumped continuously on a closed circuit, providing a homogeneous fluid, as no accumulation of ice was possible. Ice slurry systems have the potential of significant reduction on capital and maintenance costs, when compared to traditional technologies, static or dynamic, of ice thermoaccumulation.