Em sistemas frigoríficos de compressão a vapor, o evaporador é o equipamento responsável direto pela retirada de calor de ambientes refrigerados. Por esta razão, este componente é a fonte de investigação do presente estudo, o qual teve por objetivo principal a busca por alternativas para a melhoria de desempenho térmico em sistema frigoríficos. Isto posto, o trabalho foi desenvolvido em três frentes de estudo, as quais encontram-se interligadas entre si: desenvolvimento de programa de simulação de serpentinas resfriadoras; realização de ensaios para determinação das capacidades de trocadores de calor; e revisão bibliográfica circunstanciada do coeficiente de transferência de calor do lado do ar. O programa de simulação desenvolvido, o qual tomou como base o modelo proposto por Rich, mostrou-se ser uma ótima ferramenta de trabalho, tanto no meio acadêmico como no industrial. Como conseqüência da elaboração do programa, fez-se uso de correlações já existentes para determinação dos coeficientes de transferência de calor do lado do refrigerante, Bo Pierre, e do lado do ar, McQuiston, sendo esta última escolhida a partir de um sumário de correlações levantadas quando no estudo dos coeficientes de transferência de calor descritos acima. Para que o programa fosse validado como ferramenta de trabalho, foram realizadas simulações dos ensaios das serpentinas testadas e seus resultados confrontados. Tais resultados apresentam uma adequada concordância,possibilitando validar o programa. Os ensaios foram realizados segundo recomendações da norma ASHRAE 25/1992. Dos dados obtidos nos testes, também foi proposto uma correlação para o fator j-Colburn para superfícies secas; no entanto, tratou-se apenas de especular acerca de seu comportamento com as demais correlações, as quais obtiveram boa concordância. / In refrigerating systems of compression to vapour, the evaporator is the direct responsible equipment for remove of heat of cooling environments. In this way, the component is the source of investigation of the present study, which had for main objective the search for alternatives to improvement the performance thermal in refrigeration systems. The research was developed in three studies fronts, that are connected each other: development of program of simulation of cooling coils; tests to find the performance of heat exchange; and revision bibliographical of the coefficient of heat transfer of air. The developed simulation program, based in the Rich\'s model, it showed to be a good work tool, as in the academic, as in the industrial behaviour. As consequence of the elaboration the program, it was used existents correlations to calculation the coefficients of refrigerant heat transfer, Bo Pierre, and to air, McQuiston, the last one was choose from a correlation\'s summary. Same simulations were made to validated the program of the tested serpentines and the results were confronted. Such results presented an appropriate agreement that contributed to validate the program. The tests were accomplished according to recommendations of the norm ASHRAE 25/1992. One correlation was proposed for the factor j-Colburn for dry surfaces in base of the testes results; however, the purpose was to speculated its behaviour with the other correlations, which obtained good agreement.

O mexilhão-dourado é um organismo invasor que tem causado grandes prejuízos a sistemas de captação de água e usinas hidroelétricas (UHEs). Existem diversos métodos de controle da incrustação destes organismos em tubulações de usinas hidroelétricas, porém o impacto da aplicação desses métodos ainda não é amplamente conhecido. Este trabalho visa desenvolver uma metodologia para avaliar a degradação dos sistemas de resfriamento de UHEs submetidas a tratamentos químicos para o controle da incrustação por mexilhão-dourado. Neste trabalho é usado, como caso exemplo, o sistema de resfriamento do ar do núcleo do gerador e do óleo dos mancais de uma UHE com turbina Kaplan de potência aproximada de 150 MW. A análise proposta baseia-se na aplicação de ensaios acelerados de corrosão, a fim de determinar a taxa de corrosão nas condições normais de operação. Os ensaios executados neste estudo simulam condições operacionais mais severas do que as usualmente enfrentadas pelo sistema, visando reduzir o tempo de execução dos ensaios. Os ensaios acelerados de corrosão baseiam-se no aumento da solicitação térmica e da concentração das substâncias químicas injetadas no fluxo de água que são a adição de gás ozônio e de hipoclorito de sódio. Para realização dos ensaios foi construído um circuito experimental capaz de impor condições de temperatura e concentrações das substâncias químicas. Os resultados dos ensaios acelerados fornecem subsídios para aplicação dos conceitos de confiabilidade estrutural para determinação da probabilidade de falha dos equipamentos em estudo em função do tempo de aplicação do tratamento químico. Verificou-se entre os produtos químicos utilizados neste estudo, que o hipoclorito de sódio é 50% mais agressivo para a liga de cobre níquel e 700% mais agressivo para o aço inoxidável em relação a degradação observada pela ação do ozônio. / The golden mussel (Limnoperna fortunei) is an invader organism that has caused great damage to water catchment systems and hydroelectric power plants. There are various methods of fouling control of these organisms in hydroelectric power plants pipelines, but the impact of the application of these methods is not yet widely known. This work aims at developing a methodology to evaluate the degradation of hydroelectric power plants cooling systems pieces of equipment subjected to chemical treatments for control of golden mussel fouling. This work uses as a case example, the cooling system inside generator and oil bearing of Kaplan hydroelectric turbine with 150MW nominal power output. The analysis is based on the application of accelerated corrosion tests in order to determine the rate of corrosion under normal operation conditions given the rates of corrosion under various accelerated conditions. The tests run on this thesis simulate operating conditions more severe than those usually experienced by the system, to reduce the runtime of the tests. The proposed accelerated corrosion tests are based on increased thermal loading and concentration of chemical substances injected into water flow. The chemical treatments tested in this work are the addition of ozone and sodium hypochlorite. For carrying out the tests an experimental circuit capable of imposing different conditions of temperature and concentration levels was built. The results of accelerated tests provide subsidies for the implementation of structural reliability concepts for determining the failure probability of equipment under consideration. Among the chemical products used in the analysis, the sodium hypochlorite is 50% more aggressive for copper-nickel 90/10 alloy and 700% more aggressive for stainless steel in relation to degradation observed for ozone.

O objetivo deste trabalho é realizar uma análise paramétrica do processo de desumidificação de ar comprimido em trocadores de calor compactos com superfícies intensificadoras do tipo aletas deslocadas. A umidade contida no ar comprimido precisa ser retirada do sistema para evitar a formação de condensado nas linhas de distribuição, nos atuadores ou nos dispositivos finais. Utiliza-se o processo de desumidificação por resfriamento onde a temperatura do ar é diminuída até alcançar o ponto de orvalho, resultando em formação de condensado. O desumidificador é constituído por dois trocadores de calor (recuperador e evaporador), sendo cada um deles dividido em duas regiões. Realizou-se a modelagem do processo de transferência de calor para cada um dos trocadores. Utilizou-se o método do potencial de entalpias para determinar os coeficientes globais de transferência de calor de cada trocador. Para a realização da simulação numérica, foi implementado um programa utilizando como ferramenta computacional o programa “Engineering Equation Solver" (EES). O estudo foi feito variando-se os parâmetros geométricos do trocador de calor e verificando sua influência nos coeficientes de transferência de calor, nos calores trocados e nas condições de saída do ar. Primeiramente, cada parâmetro foi analisado individualmente e depois com algumas combinações. Concluiu-se que as dimensões das aletas no recuperador e os comprimentos do recuperador e do evaporador são os parâmetros que mais influenciam nas propriedades do ar comprimido na saída do desumidificador. / The objective of this work is to conduct a parametric analysis of the dehumidification process of compressed air in compact heat exchangers with Offset Strip Fins. The humidity carried by the compressed air should be removed from the system to prevent the condensation in the distribution lines and in the actuators or the final devices. The dehumidification process by cooling occurs when the temperature of the air is diminished until reaching the dew point, resulting in condensation of water vapor. The dehumidifier is constituted by two heat exchangers (recuperator and evaporator), each one of them being divided in two regions. A modeling of the heat and mass transfer process for each heat exchangers, was performed. The enthalpy driving potential method was used to determine the overall heat transfer coefficients of each heat exchanger. The numerical simulation was implemented by using the computational software "Engineering Equation Solver"(EES). The study was made varying the geometric parameters of the heat exchanger and verifying its influences on the heat transfer coefficients, the heat transfer and pressure drop, and the air exit conditions. First, each parameter was analyzed individually and then with some combinations. Its was concluded that the fins dimensions in both regions of the lengths of the recuperator and the evaporator are the parameters that have larger influence on the exit compressed air properties.

Orientador: Erich Kellner / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, 2012

Um novo método numérico, para o cálculo da performance térmica de trocadores de calor com fluxos cruzados é apresentado. Dados referentes a efetividade - número de unidades de transferência (\'épsilon\' - NUT) para vários arranjos de escoamento, padronizados e complexos, foram obtidos usando esta metodologia. Os resultados foram validados através da comparação dos resultados com soluções analíticas conhecidas, para trocadores de calor de fluxos cruzados com um ou múltiplos passes, possuindo de uma até várias fileiras de tubos, e com soluções aproximadas utilizando séries infinitas, para trocadores com ambos os fluidos não misturados. Todos os resultados obtidos apresentaram erros muito pequenos, em relação às soluções analíticas e aproximadas. Dados para efetividade, para arranjos complexos de escoamento são apresentados. / A new numerical methodology for thermal performance calculation in cross-flow heat exchangers is developed. Data related to effectiveness - number of transfer units (\'épsilon\' - NTU) for several standard and complex flow arrangements are obtained using this methodology. The results are validated through comparison with analytical solutions for one or more pass cross-flow heat exchangers with one to four rows and with approximate series solution for an unmixed-unmixed heat exchanger, obtaining in all cases very small errors. New effectiveness data for some complex configurations are provided.

[pt] Desenvolveu-se um modelo de simulação para trocadores de calor de placas soldadas (BPHE – Brazed Plate Heat Exchanger) operando em regime permanente em um sistema de refrigeração em cascata por compressão de vapor, ou seja, condensador, trocador de calor intermediário (ou condensador em cascata) e evaporador. O modelo adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em uma série de pequenos volumes de controle, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de massa e de energia são aplicadas. Para o calculo dos coeficientes locais de transferência de calor e fator de atrito foram utilizadas correlações disponíveis na literatura, considerando as regiões de escoamento monofásico ou bifásico em cada um dos trocadores, Estas correlações cobrem valores de fluxo de calor entre 2,5 kW/m2 e 185 kW/m2, temperaturas de saturação entre 5 graus Celsius e 30 graus Celsius, e aplicam-se a geometrias com ângulos de corrugação entre 20 e 60 graus. Um programa computacional foi desenvolvido em FORTRAN para o cálculo do desempenho térmico dos trocadores de calor e das correlações de asida dos dois fluidos. Na simulação foram consideradas conhecidas as condições de entrada dos fluidos e a geometria do trocador. As propriedades termo-físicas dos fluidos foram calculadas utilizandose a mais recente versão do padrão NIST de referência de propriedades termodinâmicas e de transporte (REFPROP 9.0), permitindo a simulação dos trocadores de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Os resultados da simulação foram comparados com os dados experimentais (condensador e evaporador) levantados por outros autores para os refrigerantes R22 e R290, tendose obtido boa concordância. Uma analise de sensibilidade para os trocadores de calor, utilizando os novos refrigerantes R1234yf e R1234ze, foi também realizada. / [en] A simulation model of brazed plate heat exchangers (BPHE) operating in steady-state in a cascade vapor compression refrigeration system has been developed. For this system the heat exchangers were the condenser, intermediate heat exchanger or cascade-condenser and evaporator. The model adopts a local analysis method, where the heat exchanger is divided into a series of small control volumes, to which the heat transfer rate equations and the fundamental of conservation of mass and energy equation. Local heat exchanger coefficients and friction factor are calculated using correlations available in literature, considering regions of single-phase or twophase flow for each one of the heat exchangers. These correlations have heat flux values ranging from 2,5kW/m2 to 185kW/m2, saturation temperatures from 5 degrees Celsius to 35 degrees Celsius and were applied to geometries with corrugation angle ranging from 20 degrees to 60 degrees. In order to calculate the thermal performance of the heat exchangers and the output conditions of the two fluids a computational program was developed in FORTRAN. This simulation considers known inlet conditions of the fluids and the geometry of the heat exchanger. The thermophysical properties of the refrigerants fluids were calculated using the version 7 of REFPROP, a package by NIST (National Institute of Standards and Technology), that allow for the simulation of heat exchangers with a wide operating range of refrigerants. The simulation results were compared with experimental data (condenser and evaporator) for R22 and R290 refrigerants, obtaining a good agreement. A sensibility analysis for heat exchangers, using the new R1234yf and R1234ze has also been carried out.

Submitted by RODRIGO YUJI MORI null (mori856@hotmail.com) on 2016-04-11T00:33:24Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_DE_MESTRADO_RODRIGO YUJI MORI.pdf: 4084050 bytes, checksum: a21b66d1dd543073e9dc71378b3a19ba (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-04-12T18:07:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mori_ry_me_guara.pdf: 4084050 bytes, checksum: a21b66d1dd543073e9dc71378b3a19ba (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-12T18:07:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mori_ry_me_guara.pdf: 4084050 bytes, checksum: a21b66d1dd543073e9dc71378b3a19ba (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Uma das formas de reduzir os custos de produção de uma unidade de sulfatação é diminuir o consumo de utilidades, principalmente energia elétrica e vapor. Como as plantas de sulfatação liberam energia térmica durante o processo de produção dos tensoativos sulfatados, tornou-se interessante pensar em utilizar esta energia de forma racional, o que pode representar uma oportunidade para aumentar a eficiência energética. O presente trabalho tem como objetivo efetuar um estudo em uma planta real de sulfatação para propor alternativas de reaproveitamento da energia térmica disponível, proveniente dos processos da fabrica. Para definir as formas de utilização desta energia térmica, primeiro foi realizada uma auditoria energética na unidade de sulfatação em cada setor da planta. Após isto, foram apresentadas as propostas de utilização desta energia, denominadas de A, B e C, dentro de um complexo industrial. A proposta A irá consumir a energia térmica da corrente de ar/SO2 que sai do forno para gerar vapor, além de utilizar a energia das correntes de ar quente dos trocadores de calor para aquecer a água de alimentação da caldeira. A proposta B irá utilizar a energia térmica das correntes de ar quente para complementar o consumo energético em um sistema de secagem por pulverização. Já a proposta C pretende usar a energia térmica para aquecer tambores metálicos em uma estufa. A auditoria energética revelou que são consumidos 103,6 kW de energia térmica nos setores de armazenamento de enxofre e secagem da sílica, sendo descartado para atmosfera 730 kW nas correntes de ar quente, e retirados 131 kW para resfriar a corrente de ácido da torre de sulfúrico. Com as propostas, é possível aproveitar até 100% da energia térmica disponível na planta de sulfatação, aumentando em até 87% a eficiência térmica do processo de secagem por pulverização, fornecer até 98% da energia térmica para aquecer o enxofre líquido após o recebimento e promover o aquecimento de tambores em estufa. Desta forma espera-se reduzir o consumo de combustíveis utilizados na geração de vapor e aquecimento de ar para o secador, representando redução entre 9.419,00 R$/mês a 304.727,00 R$/mês, de acordo com a capacidade de operação das propostas de reaproveitamento energético. / One way to reduce production costs of a sulfation unit is to decrease the consumption of utilities, especially electricity and steam. As the sulfation plants release thermal energy during the production process of sulfated surfactants, it becomes interesting to think about using this energy in a rational way, which may represent an opportunity to increase the energetic efficiency. This paper has the objective to make a study in a real plant sulfation to propose alternatives reuse of thermal energy available in the processes of the fabric. To define ways to use this thermal energy, an energy audit was firstly fulfilled in sulfation unit to quantify the thermal energy present in every sector of the plant. In the sequence, proposals have been presented for using this energy, called A, B and C, within an industrial complex. The proposal A consumes the thermal energy of the air stream/SO2 exiting the furnace to generate steam, using the energy of the hot air flows from heat exchangers to heat the feed water of the steam boiler. The proposal B uses the thermal energy of the hot air currents to complement the energy consumption in a spray drying system. Proposal C is presented to use the thermal energy to heat metal drums in a hothouse. The energy audit showed that 103,6 kW of thermal energy are consumed in the drying of silica and sulfur storage sectors, but 730 kW are discharged to atmosphere in the hot air currents, and 131 kW are withdraw to cool the acid chain sulfuric tower. With the proposals, it is possible to use 100% of the thermal energy available in the sulfation plant, increasing the thermal efficiency of spray drying processes until 87%, providing until 98% of the thermal energy to heat the liquid sulfur after reception and promote heating drums in an oven. In this way, a reduction in the consumption of fuels used to generate steam and heating air to the dryer may represent a reduction in the range 9,419.00 R$/month to 304,727.00 R$/month, according to the operating capacity of energy reuse of proposals.

O mexilhão-dourado é um organismo invasor que tem causado grandes prejuízos a sistemas de captação de água e usinas hidroelétricas (UHEs). Existem diversos métodos de controle da incrustação destes organismos em tubulações de usinas hidroelétricas, porém o impacto da aplicação desses métodos ainda não é amplamente conhecido. Este trabalho visa desenvolver uma metodologia para avaliar a degradação dos sistemas de resfriamento de UHEs submetidas a tratamentos químicos para o controle da incrustação por mexilhão-dourado. Neste trabalho é usado, como caso exemplo, o sistema de resfriamento do ar do núcleo do gerador e do óleo dos mancais de uma UHE com turbina Kaplan de potência aproximada de 150 MW. A análise proposta baseia-se na aplicação de ensaios acelerados de corrosão, a fim de determinar a taxa de corrosão nas condições normais de operação. Os ensaios executados neste estudo simulam condições operacionais mais severas do que as usualmente enfrentadas pelo sistema, visando reduzir o tempo de execução dos ensaios. Os ensaios acelerados de corrosão baseiam-se no aumento da solicitação térmica e da concentração das substâncias químicas injetadas no fluxo de água que são a adição de gás ozônio e de hipoclorito de sódio. Para realização dos ensaios foi construído um circuito experimental capaz de impor condições de temperatura e concentrações das substâncias químicas. Os resultados dos ensaios acelerados fornecem subsídios para aplicação dos conceitos de confiabilidade estrutural para determinação da probabilidade de falha dos equipamentos em estudo em função do tempo de aplicação do tratamento químico. Verificou-se entre os produtos químicos utilizados neste estudo, que o hipoclorito de sódio é 50% mais agressivo para a liga de cobre níquel e 700% mais agressivo para o aço inoxidável em relação a degradação observada pela ação do ozônio. / The golden mussel (Limnoperna fortunei) is an invader organism that has caused great damage to water catchment systems and hydroelectric power plants. There are various methods of fouling control of these organisms in hydroelectric power plants pipelines, but the impact of the application of these methods is not yet widely known. This work aims at developing a methodology to evaluate the degradation of hydroelectric power plants cooling systems pieces of equipment subjected to chemical treatments for control of golden mussel fouling. This work uses as a case example, the cooling system inside generator and oil bearing of Kaplan hydroelectric turbine with 150MW nominal power output. The analysis is based on the application of accelerated corrosion tests in order to determine the rate of corrosion under normal operation conditions given the rates of corrosion under various accelerated conditions. The tests run on this thesis simulate operating conditions more severe than those usually experienced by the system, to reduce the runtime of the tests. The proposed accelerated corrosion tests are based on increased thermal loading and concentration of chemical substances injected into water flow. The chemical treatments tested in this work are the addition of ozone and sodium hypochlorite. For carrying out the tests an experimental circuit capable of imposing different conditions of temperature and concentration levels was built. The results of accelerated tests provide subsidies for the implementation of structural reliability concepts for determining the failure probability of equipment under consideration. Among the chemical products used in the analysis, the sodium hypochlorite is 50% more aggressive for copper-nickel 90/10 alloy and 700% more aggressive for stainless steel in relation to degradation observed for ozone.

O principal objetivo do trabalho foi desenvolver uma ferramenta de simulação, para servir de base para o projeto e dimensionamento de processos contínuos de pasteurização de alimentos líquidos em trocadores de calor a placas, possibilitando minimizar perdas de qualidade sensorial e nutricional, bem como gastos desnecessários com aquecimento e resfriamento, decorrentes do sobreprocessamento, tendo o controle sobre o histórico de temperatura. Foi desenvolvida uma modelagem matemática para o processo contínuo de pasteurização HTST (High Temperature Short Time) de leite em trocador de calor a placas com três seções, para determinação da distribuição de temperatura ao longo do processo e avaliação do impacto sobre o leite. Foram desenvolvidos três modelos e seus resultados confrontados com os dados experimentais, realizados com água e leite. Os três modelos forneceram resultados similares e próximos ao comportamento experimental. O cálculo de letalidade permitiu detectar sobreprocessamento no processo estudado. Ensaios com indicador enzimático (fosfatase alcalina em tampão fosfato) foram realizados para quantificar o impacto do processo sobre o produto e comparar com a letalidade calculada pelos modelos. / The aim of this work was to develop a simulation tool to be used in the design of continuous pasteurization of liquid foods using plate heat exchangers, enabling to minimize the nutritional and sensorial losses as well as unnecessary costs during heating and cooling, caused by the overprocessing. The control is made by the temperature profile. A mathematical model was developed for continuous milk HTST (High Temperature Short Time) pasteurization with a three section plate heat exchanger to determine the temperature profile and to evaluate the process impact on the product. Three models were tested and the simulation results compared with the experimental data using water and milk. The results of the three models were similar among them and close to the experimental behavior. Calculating the lethality of the process showed it was overprocessing the product. Tests using enzymatic indicator (alkaline phosphatase in phosphate buffer) were held to quantify the impact of the process on the product and compare to the lethality calculated using the models.

Orientador: Marcelo Moreira Ganzarolli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-05T19:55:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mioralli_PauloCesar_M.pdf: 2264914 bytes, checksum: fd6e486b3b1e372c70c340521a3de11d (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Este estudo concentra-se na análise térmica de um regenerador rotativo, no qual o processo de transferência de calor é investigado numericamente. As equações de transporte foram discretizadas utilizando o método de volumes finitos e um programa computacional em linguagem FORTRAN foi confeccionado para as simulações numéricas. Uma correlação para estimar o coeficiente médio de transferência de calor em um canal da matriz do regenerador foi obtida para o regime laminar de escoamento a partir da utilização do pacote numérico comercial PHOENICS 3.5. O valor de temperatura média de mistura na saída de cada escoamento foi obtido e comparado com o valor calculado por método existente em literatura. Os resultados foram analisados e também comparados com dados de campo e uma concordância relativamente boa foi observada. Através das simulações numéricas, foi possível obter a distribuição de temperatura ao longo de um canal do regenerador em diferentes posições angulares. Conhecendo essa distribuição de temperatura, é possível obter um dimensionamento adequado para o sistema de selagem acoplado na matriz do regenerador. Foi visto neste trabalho que o perfil de temperatura na direção axial é determinante no dimensionamento do sistema de selagem do regenerador / Abstract: This study focalizes on the thermal analysis of a rotary regenerator, in which the process of heat transfer is numerically investigated. The governing equations are solved using finite volume code. A computational code in FORTRAN programming language was made for the numerical simulations. A correlation for valuation the medium heat transfer coefficient in the duct, for flow in laminar regime, was obtained using a commercial code (PHOENICS 3.5). The value of mean temperature at the exit of each flow was obtained and compared with the value calculated by existent method in the literature. The results were analyzed and also compared with field data and a relatively good agreement was observed. Through the numerical simulations, it was possible to obtain the temperature distribution along a duct of the regenerator in different angular positions / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica