Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T06:37:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mendes_ValdirsonPereira_M.pdf: 606290 bytes, checksum: 25b8fe6db230e078d4fe26ed1ffe94b4 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: A intensificação da troca de calor avaliada fundamentalmente em termos do coeficiente de transferência de calor do escoamento em tubos lisos e com inserção de molas espirais de perfil circular e retangular foi investigado no presente trabalho. Nesse sentido, utilizou-se uma bancada experimental montada para tal avaliação. Os ensaios foram realizados fixando a temperatura de entrada na seção de ensaios na ordem de 2,6°C. Para a realização dos ensaios, a vazão mássica de água variou na faixa entre 0,050 a 0,310 kg/s, correspondendo a valores de Reynolds, Re, da ordem de 2900 e 15000, respectivamente. Os resultados experimentais mostram que o tubo com mola espiral com perfil retangular apresentou o melhor desempenho do coeficiente de transferência de calor, seguido do tubo com mola com perfil circular e do tubo liso. Para reduzidos valores de número de Reynolds, o coeficiente de transferência de calor para os três tubos tendem a mesma ordem. Os resultados experimentais mostram que a perda de carga aumentou com o incremento da vazão mássica, onde o tubo com mola com perfil retangular apresentou os maiores valores. Na análise final ao se avaliar o desempenho termo-hidráulico conclui-se que o tubo com mola espiral com perfil circular é um pouco superior do que o tubo com mola de perfil retangular. Analizou-se também os resultados obtidos por intermédio das correlações, de Gnielinski e de Bergles, comparando-as com os resultados obtidos experimentalmente. / Abstract: This study of change of heat appraised fundamentally in terms of coefficient of transfer of heat of the water in drainage in smooth tubes and with insert of spiral springs of circular and rectangular profile it was investigated in the present work. In that sense it was used a supported experimental mounted for such evaluation. The rehearsals were accomplished fixing the entrance temperature in the section of rehearsals in the order of 2,6°C. In the accomplishment of the rehearsals the mass flow of water varied in the interval among 0,50 to 0,310 kg/s corresponding to values of number Reynolds, Re, of the order from 2900 to 15000, respectively. The experimental results show that the tube with spiral spring with rectangular profile presented the best acting of the coefficient of transfer of heat, followed by the tube with spring with circular profile and of the smooth tube. For reduced values of number Reynolds the coefficient of transfer of heat for the three tubes was of the some order. The experimental results show that the load loss increased with the increment of the mass flow where the tube with spring with rectangular profile presented the largest values. In the analysis final to evaluate the term-hydraulic acting is ended that the tube with spiral spring with circular profile is a little larger than the tube with spring of rectangular profile. It was verified the results also obtained through the correlations, of Gnielinski and of Bergles comparing them with the results obtained experimentally. / Mestrado / Refrigeração e Condicionamento Ambiental / Mestre Profissional em Engenharia Mecanica

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:30:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Saraiva_LuisEdson_D.pdf: 6806065 bytes, checksum: ae5ac00eb10f795ccdf8bffcd15232bc (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Neste trabalho o funcionamento de um tubo de calor com rotação em tomo de seu eixo axial, internamente cilíndrico e provido de estrutura porosa para o retomo do líquido, é simulado numericamente. As equações governantes para os escoamentos do líquido e do vapor são resolvidas simultaneamente através do algoritmo SIMPLE. Os resultados são apresentados em termos de perfis de velocidades, temperatura e pressão e, também, em termos de números adimensionais relevantes para o estudo do desempenho deste tipo de tubo de calor. Uma investigação a respeito de possíveis limites de funcionamento é também realizada / Abstract: This work presents a numerical simulation of the operation of a non-tapered (intemally cylindrical) axially rotating heat pipe with porous medium for the liquid retum. The SIMPLE algorithm is used to simultaneously solve the goveming equations for vapor and liquid flows. Results are presented in terms of velocities, temperature and pressure profiles and, also, in terms of appropriated dimensionless numbers. Investigations about possible working limits of this kind of rotating heat pipes are also performed. / Doutorado / Trmica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

O objetivo deste trabalho consiste na análise teórica e experimental do desempenho térmico de dois arranjos de micro tubos de calor. Os arranjos diferem entre si pelo material base de fabricação, que são Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) e latão, pelo número de canais e pelas dimensões. O fluido de trabalho utilizado foi R134a. A literatura indica micro tubos de calor como soluções proeminentes e de destaque para resfriamento de micro sistemas. Estes dispositivos podem ser adaptados a diferentes condições térmicas através da mudança de fluidos de trabalho, geometrias e materiais base do trocador. O estudo teórico foi baseado no modelo de circuitos térmicos proposto no presente trabalho, que visa calcular indicadores de desempenho térmico, sendo condutividade térmica efetiva e resistência térmica equivalente dos micro tubos de calor a partir das temperaturas obtidas experimentalmente. O estudo experimental foi baseado em obter distribuições de temperaturas dos dispositivos propostos sob diferentes condições de trabalho, variando-se a fração de enchimento de fluido de trabalho, inclinação e temperatura do condensador. Os resultados obtidos para o arranjo de micro tubos de calor em latão demonstrou uma razão de aumento de até 1482% na capacidade de transporte de calor, enquanto que o arranjo de micro tubos de calor em ABS apresentou uma razão de aumento de 247%. Os melhores desempenhos de ambos os casos foram observados para ângulos positivos com baixas frações de enchimento. / The purpose of this work is the theoretical and experimental study on the thermal performance of two micro heat pipes arrays. The differences between the arrays are the base substrate, which are Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and brass, the number of channels and their dimensions. The working fluid used was R134a. Previous works indicate micro heat pipes as prominent solutions for the cooling of micro systems. These devices can be adapted to different thermal conditions by changing the working fluids, geometries and base materials of the heat exchanger. The theoretical study was based on the thermal circuits model presented in this work, that aims on computing thermal performance indicators, such as the effective thermal conductivities and the equivalent thermal resistances of the micro heat pipes from the temperatures obtained experimentally. The experimental study was based on obtaining temperature distributions of the micro heat pipes under different working conditions, by varying the working fluid filling ratio, tilt angle and the temperature of the cooling water at the condenser. The results obtained for the brass micro heat pipe array showed a performance ratio increase up to 1482% in heat transfer capacity, while the ABS micro heat pipe array showed a performance ratio increase of 247%. The best performance for both cases were observed for positive tilt angles with low working fluid filling ratios.

O objetivo deste trabalho consiste na análise teórica e experimental do desempenho térmico de dois arranjos de micro tubos de calor. Os arranjos diferem entre si pelo material base de fabricação, que são Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) e latão, pelo número de canais e pelas dimensões. O fluido de trabalho utilizado foi R134a. A literatura indica micro tubos de calor como soluções proeminentes e de destaque para resfriamento de micro sistemas. Estes dispositivos podem ser adaptados a diferentes condições térmicas através da mudança de fluidos de trabalho, geometrias e materiais base do trocador. O estudo teórico foi baseado no modelo de circuitos térmicos proposto no presente trabalho, que visa calcular indicadores de desempenho térmico, sendo condutividade térmica efetiva e resistência térmica equivalente dos micro tubos de calor a partir das temperaturas obtidas experimentalmente. O estudo experimental foi baseado em obter distribuições de temperaturas dos dispositivos propostos sob diferentes condições de trabalho, variando-se a fração de enchimento de fluido de trabalho, inclinação e temperatura do condensador. Os resultados obtidos para o arranjo de micro tubos de calor em latão demonstrou uma razão de aumento de até 1482% na capacidade de transporte de calor, enquanto que o arranjo de micro tubos de calor em ABS apresentou uma razão de aumento de 247%. Os melhores desempenhos de ambos os casos foram observados para ângulos positivos com baixas frações de enchimento. / The purpose of this work is the theoretical and experimental study on the thermal performance of two micro heat pipes arrays. The differences between the arrays are the base substrate, which are Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and brass, the number of channels and their dimensions. The working fluid used was R134a. Previous works indicate micro heat pipes as prominent solutions for the cooling of micro systems. These devices can be adapted to different thermal conditions by changing the working fluids, geometries and base materials of the heat exchanger. The theoretical study was based on the thermal circuits model presented in this work, that aims on computing thermal performance indicators, such as the effective thermal conductivities and the equivalent thermal resistances of the micro heat pipes from the temperatures obtained experimentally. The experimental study was based on obtaining temperature distributions of the micro heat pipes under different working conditions, by varying the working fluid filling ratio, tilt angle and the temperature of the cooling water at the condenser. The results obtained for the brass micro heat pipe array showed a performance ratio increase up to 1482% in heat transfer capacity, while the ABS micro heat pipe array showed a performance ratio increase of 247%. The best performance for both cases were observed for positive tilt angles with low working fluid filling ratios.

A aplicação de nanofluidos em tubos de calor em geral apresenta resultados experimentais satisfatórios em estudos buscando obter uma redução na resistência térmica do tubo de calor. No entanto, os estudos computacionais existentes associando tubos de calor e nanofluidos apresentam resultados conflitantes e carecem de uma discussão mais aprofundada a respeito da validade dos modelos utilizados para a representação computacional do comportamento de um nanofluido em tubo de calor, especialmente utilizando materiais e fluidos não convencionais como nanotubos de carbono ou etilenoglicol. Assim, o presente estudo busca avaliar a exatidão e a precisão obtida em uma série de simulações computacionais utilizando diferentes equações disponíveis na literatura para a modelagem de um nanofluido em um tubo de calor por meio da comparação com dados experimentais da literatura. Esta modelagem utiliza o método dos volumes finitos e permite determinar o efeito da variação dos modelos de propriedades e da concentração volumétrica de um nanofluido nos campos de temperaturas e nas resistências térmicas resultantes das simulações. Os resultados obtidos apresentam concordância com o comportamento esperado do ponto de vista qualitativo, mas falham em representar quantitativamente o comportamento da seção do evaporador dos tubos de calor estudados, apresentando variações máximas entre 1,5% e 23,9% em relação às temperaturas medidas experimentalmente. Isso pode ser justificado pelo fato de que a modelagem do fenômeno de ebulição de um nanofluido é mais complexa do que a modelagem utilizada atualmente em simulações computacionais. Essa consideração possui suporte na literatura e cria possibilidades para pesquisas futuras. / Application of nanofluids in heat pipes usually presents satisfactory experimental results in studies seeking to reduce the thermal resistance of the heat pipe. However, the existing computational studies connecting heat pipes and nanofluids present conflicting results and lack a deeper discussion regarding the validity of the models currently used for the computational representation of the behavior of a nanofluid in a heat pipe, especially using unusual materials and fluids, like carbon nanotubes or ethylene glycol. Thus, the present study seek to analyze the accuracy and the precision obtained in a set of computational simulations using pre-established equations for the modeling of a nanofluid in a heat pipe by using a direct comparison with existing experimental data. This modeling uses the finite volume method and permits to determine the effect of the variation of the properties models and the volume fraction of a nanofluid in the resulting temperature fields and the thermal resistances of the simulations. The obtained results show agreement with the expected behavior qualitatively, but fail to represent the phenomenon quantitatively, presenting maximum variations between 1,5% and 23,9% comparing to the experimentally measured average temperatures. This is justified by the hypothesis that the ebullition phenomenon modeling is more complex than the modeling currently used for computational simulations. This hypothesis is supported by the literature and creates possibilities for future researches.

Capes / Neste trabalho, o processo de eletroerosão a frio (wire electrical discharge machining ou wire EDM) foi utilizado como método de fabricação alternativo para a confecção de microranhuras axiais em tubos de calor. Com isso, material foi retirado ao invés de ser adicionado ao invólucro do tubo de calor para a concepção da estrutura capilar, contribuindo para a redução de massa no dispositivo passivo de transferência de calor por mudança de fase. Uma modelagem baseada no projeto térmico e nos limites operacionais (limites capilar, de arrasto, viscoso, sônico e de ebulição) foi proposta para os tubos de calor com microranhuras axiais de geometria semicircular como estrutura capilar considerando diferentes definições disponíveis na literatura. Estes modelos, implementados no software EEStm (Engineering Equation Solver)tm, foram utilizados como ferramenta para o projeto dos tubos de calor ranhurados propostos. Os tubos de calor foram produzidos a partir de um tubo reto de cobre com um diâmetro externo de 9,45 mm, um diâmetro interno de 6,20 mm e um cumprimento total de 200 mm. O fluido de trabalho utilizado foi água deionizada e os tubos e calor foram carregados com uma razão de preenchimento de 60% do volume evaporador. O condensador foi resfriado por convecção forçada de ar, a seção adiabática foi isolada por uma fita de fibra de vidro e o evaporador foi aquecido utilizando um resistor elétrico em fita de liga de níquel-cromo e isolado do ambiente externo por um isolamento térmico aeronáutico. Os tubos de calor foram testados experimentalmente para as inclinações de operações iguais a 0º, 45º, 90º, 225º e 270º com relação ao plano horizontal, sob cargas térmicas compreendidas entre 5 W e 50 W. Os resultados experimentais do desempenho térmico dos tubos de calor mostraram que as microranhuras axiais fabricadas pelo processo de eletroerosão a frio como estrutura capilar funcionaram com sucesso em todos os casos estudados. Além disso, na maioria dos casos estudados, o tubo de calor com micriranhuras apresentou melhor desempenho térmico quando comparado com um tubo de calor contendo tela metálica como estrutura capilar. / In this master's dissertation an alternative fabrication method (wire electrical discharge machining, or wire EDM) was used to manufacture axial microgrooves in heat pipes. With this, material has been removed rather than being added to the heat pipe shell for the design of the capillary structure, contributing to mass reduction in the passive heat transfer device by phase change. A model based on thermal design and operational limits (capillary, trailing, viscous, sonic and boiling limits) was proposed for the heat pipes with axial microstrips of semicircular geometry as capillary structure considering different definitions available in the literature. These models, implemented in the EEStm (Engineering Equation Solver) software, were used as a tool for the design of the proposed grooved heat pipes. The heat pipes were produced from a straight copper tube with an outside diameter of 9.45 mm, an inner diameter of 6.20 mm and a total compliance of 200 mm. The working fluid used was deionized water and the tubes and heat were charged with a fill ratio of 60% of the evaporator volume. The condenser was cooled by forced convection of air, the adiabatic section was insulated by a fiberglass tape and the evaporator was heated using an electric resistor in nickel-chromium alloy tape and isolated from the external environment by an aeronautical thermal insulation. The heat pipes were experimentally tested for slopes of operations equal to 0º, 45º, 90º, 225º and 270º with respect to the horizontal plane, under thermal loads between 5 W and 50 W. The experimental results showed that the axial grooves manufactured by the Wire-EDM process worked satisfactorily in all analyzed cases. In most of the cases, the heat pipe with grooves showed a better performance when compared with the heat pipe with metallic mesh.

Capes / Neste trabalho, o processo de eletroerosão a frio (wire electrical discharge machining ou wire EDM) foi utilizado como método de fabricação alternativo para a confecção de microranhuras axiais em tubos de calor. Com isso, material foi retirado ao invés de ser adicionado ao invólucro do tubo de calor para a concepção da estrutura capilar, contribuindo para a redução de massa no dispositivo passivo de transferência de calor por mudança de fase. Uma modelagem baseada no projeto térmico e nos limites operacionais (limites capilar, de arrasto, viscoso, sônico e de ebulição) foi proposta para os tubos de calor com microranhuras axiais de geometria semicircular como estrutura capilar considerando diferentes definições disponíveis na literatura. Estes modelos, implementados no software EEStm (Engineering Equation Solver)tm, foram utilizados como ferramenta para o projeto dos tubos de calor ranhurados propostos. Os tubos de calor foram produzidos a partir de um tubo reto de cobre com um diâmetro externo de 9,45 mm, um diâmetro interno de 6,20 mm e um cumprimento total de 200 mm. O fluido de trabalho utilizado foi água deionizada e os tubos e calor foram carregados com uma razão de preenchimento de 60% do volume evaporador. O condensador foi resfriado por convecção forçada de ar, a seção adiabática foi isolada por uma fita de fibra de vidro e o evaporador foi aquecido utilizando um resistor elétrico em fita de liga de níquel-cromo e isolado do ambiente externo por um isolamento térmico aeronáutico. Os tubos de calor foram testados experimentalmente para as inclinações de operações iguais a 0º, 45º, 90º, 225º e 270º com relação ao plano horizontal, sob cargas térmicas compreendidas entre 5 W e 50 W. Os resultados experimentais do desempenho térmico dos tubos de calor mostraram que as microranhuras axiais fabricadas pelo processo de eletroerosão a frio como estrutura capilar funcionaram com sucesso em todos os casos estudados. Além disso, na maioria dos casos estudados, o tubo de calor com micriranhuras apresentou melhor desempenho térmico quando comparado com um tubo de calor contendo tela metálica como estrutura capilar. / In this master's dissertation an alternative fabrication method (wire electrical discharge machining, or wire EDM) was used to manufacture axial microgrooves in heat pipes. With this, material has been removed rather than being added to the heat pipe shell for the design of the capillary structure, contributing to mass reduction in the passive heat transfer device by phase change. A model based on thermal design and operational limits (capillary, trailing, viscous, sonic and boiling limits) was proposed for the heat pipes with axial microstrips of semicircular geometry as capillary structure considering different definitions available in the literature. These models, implemented in the EEStm (Engineering Equation Solver) software, were used as a tool for the design of the proposed grooved heat pipes. The heat pipes were produced from a straight copper tube with an outside diameter of 9.45 mm, an inner diameter of 6.20 mm and a total compliance of 200 mm. The working fluid used was deionized water and the tubes and heat were charged with a fill ratio of 60% of the evaporator volume. The condenser was cooled by forced convection of air, the adiabatic section was insulated by a fiberglass tape and the evaporator was heated using an electric resistor in nickel-chromium alloy tape and isolated from the external environment by an aeronautical thermal insulation. The heat pipes were experimentally tested for slopes of operations equal to 0º, 45º, 90º, 225º and 270º with respect to the horizontal plane, under thermal loads between 5 W and 50 W. The experimental results showed that the axial grooves manufactured by the Wire-EDM process worked satisfactorily in all analyzed cases. In most of the cases, the heat pipe with grooves showed a better performance when compared with the heat pipe with metallic mesh.

A aplicação de nanofluidos em tubos de calor em geral apresenta resultados experimentais satisfatórios em estudos buscando obter uma redução na resistência térmica do tubo de calor. No entanto, os estudos computacionais existentes associando tubos de calor e nanofluidos apresentam resultados conflitantes e carecem de uma discussão mais aprofundada a respeito da validade dos modelos utilizados para a representação computacional do comportamento de um nanofluido em tubo de calor, especialmente utilizando materiais e fluidos não convencionais como nanotubos de carbono ou etilenoglicol. Assim, o presente estudo busca avaliar a exatidão e a precisão obtida em uma série de simulações computacionais utilizando diferentes equações disponíveis na literatura para a modelagem de um nanofluido em um tubo de calor por meio da comparação com dados experimentais da literatura. Esta modelagem utiliza o método dos volumes finitos e permite determinar o efeito da variação dos modelos de propriedades e da concentração volumétrica de um nanofluido nos campos de temperaturas e nas resistências térmicas resultantes das simulações. Os resultados obtidos apresentam concordância com o comportamento esperado do ponto de vista qualitativo, mas falham em representar quantitativamente o comportamento da seção do evaporador dos tubos de calor estudados, apresentando variações máximas entre 1,5% e 23,9% em relação às temperaturas medidas experimentalmente. Isso pode ser justificado pelo fato de que a modelagem do fenômeno de ebulição de um nanofluido é mais complexa do que a modelagem utilizada atualmente em simulações computacionais. Essa consideração possui suporte na literatura e cria possibilidades para pesquisas futuras. / Application of nanofluids in heat pipes usually presents satisfactory experimental results in studies seeking to reduce the thermal resistance of the heat pipe. However, the existing computational studies connecting heat pipes and nanofluids present conflicting results and lack a deeper discussion regarding the validity of the models currently used for the computational representation of the behavior of a nanofluid in a heat pipe, especially using unusual materials and fluids, like carbon nanotubes or ethylene glycol. Thus, the present study seek to analyze the accuracy and the precision obtained in a set of computational simulations using pre-established equations for the modeling of a nanofluid in a heat pipe by using a direct comparison with existing experimental data. This modeling uses the finite volume method and permits to determine the effect of the variation of the properties models and the volume fraction of a nanofluid in the resulting temperature fields and the thermal resistances of the simulations. The obtained results show agreement with the expected behavior qualitatively, but fail to represent the phenomenon quantitatively, presenting maximum variations between 1,5% and 23,9% comparing to the experimentally measured average temperatures. This is justified by the hypothesis that the ebullition phenomenon modeling is more complex than the modeling currently used for computational simulations. This hypothesis is supported by the literature and creates possibilities for future researches.