Este trabalho trata do estudo teórico do ebulição convectiva de nanofluidos em canais de diâmetro reduzido (denominados de microcanais). Ele aborda, primeiramente, uma análise da literatura sobre a ebulição convectiva de fluidos convencionais em microcanais, na qual são discutidos critérios para a transição entre macro e microcanais e os padrões de escoamentos observados em canais de reduzido diâmetro. Métodos para a previsão das propriedades de transporte de nanofluidos foram levantados da literatura e estudos experimentais da convecção forçada, da ebulição nucleada e da ebulição convectiva de nanofluidos foram discutidos. Um método para a previsão do coeficiente de transferência de calor de nanofluidos em microcanais durante a ebulição convectiva foi proposto baseado em modelos convencionais da literatura ajustados para nanofluidos. O ajuste dos modelos convencionais foi realizado através de análise regressiva de dados experimentais para ebulição nucleada e convecção forçada de nanofluidos levantados da literatura, e da análise crítica de adimensionais que capturassem a influência das nanopartículas no processo de transferência de calor. De maneira geral o método proposto neste estudo apresenta concordância razoável com dados experimentais independentes, referente ao acréscimo do coeficiente de transferência de calor com o incremento da concentração volumétrica de nanopartículas. No entanto, a escassez de estudos experimentais sobre a ebulição convectiva de nanofluidos, especialmente em microcanais, impossibilitou uma análise mais aprofundada do método proposto. / The present work aims the theoretical study of convective boiling of nanofluids in small diameter channels (called microchannel). It discusses an analysis of the literature on convective boiling of conventional fluids in microchannels which presents criteria for the transition between conventional and microchannels and the flow patterns observed in small diameter channels. Methods for predicting the transport properties of nanofluids were compiled from the literature and experimental studies of forced convection, nucleate boiling and convective boiling of nanofluids were discussed. A method for predicting the heat transfer coefficient of nanofluids in microchannels during convective boiling was proposed based on conventional models from literature adjusted to nanofluids. The conventional models fitting was performed by regression analysis of experimental data for nucleate boiling and forced convection of nanofluids compiled from the literature and by critical analysis of dimensionless numbers which enable to capture the influence of nanoparticles on heat transfer process. In general the proposed method in this work presents reasonable agreement with independent experimental data regarding the increase in heat transfer coefficient with increasing nanoparticles volume fraction. However the scarcity of experimental studies on the convective boiling of nanofluids, especially in microchannels, precluded further analysis of the proposed method.

Este trabalho trata do estudo teórico do ebulição convectiva de nanofluidos em canais de diâmetro reduzido (denominados de microcanais). Ele aborda, primeiramente, uma análise da literatura sobre a ebulição convectiva de fluidos convencionais em microcanais, na qual são discutidos critérios para a transição entre macro e microcanais e os padrões de escoamentos observados em canais de reduzido diâmetro. Métodos para a previsão das propriedades de transporte de nanofluidos foram levantados da literatura e estudos experimentais da convecção forçada, da ebulição nucleada e da ebulição convectiva de nanofluidos foram discutidos. Um método para a previsão do coeficiente de transferência de calor de nanofluidos em microcanais durante a ebulição convectiva foi proposto baseado em modelos convencionais da literatura ajustados para nanofluidos. O ajuste dos modelos convencionais foi realizado através de análise regressiva de dados experimentais para ebulição nucleada e convecção forçada de nanofluidos levantados da literatura, e da análise crítica de adimensionais que capturassem a influência das nanopartículas no processo de transferência de calor. De maneira geral o método proposto neste estudo apresenta concordância razoável com dados experimentais independentes, referente ao acréscimo do coeficiente de transferência de calor com o incremento da concentração volumétrica de nanopartículas. No entanto, a escassez de estudos experimentais sobre a ebulição convectiva de nanofluidos, especialmente em microcanais, impossibilitou uma análise mais aprofundada do método proposto. / The present work aims the theoretical study of convective boiling of nanofluids in small diameter channels (called microchannel). It discusses an analysis of the literature on convective boiling of conventional fluids in microchannels which presents criteria for the transition between conventional and microchannels and the flow patterns observed in small diameter channels. Methods for predicting the transport properties of nanofluids were compiled from the literature and experimental studies of forced convection, nucleate boiling and convective boiling of nanofluids were discussed. A method for predicting the heat transfer coefficient of nanofluids in microchannels during convective boiling was proposed based on conventional models from literature adjusted to nanofluids. The conventional models fitting was performed by regression analysis of experimental data for nucleate boiling and forced convection of nanofluids compiled from the literature and by critical analysis of dimensionless numbers which enable to capture the influence of nanoparticles on heat transfer process. In general the proposed method in this work presents reasonable agreement with independent experimental data regarding the increase in heat transfer coefficient with increasing nanoparticles volume fraction. However the scarcity of experimental studies on the convective boiling of nanofluids, especially in microchannels, precluded further analysis of the proposed method.

Dissipadores de calor baseados em microcanais são apresentados como solução para a remoção de fluxos de calor elevados em espaços restritos, pois proporcionam elevados coeficientes de transferência de calor quando comparados a canais convencionais. Tais trocadores também proporcionam elevadas razões entre a área superficial em contato com o refrigerante por unidade de volume do dissipador. Além dos microcanais, a utilização de nanofluidos também se apresenta como tecnologia com potencial de incremento do coeficiente de transferência de calor. Os nanofluidos consistem na adição de nanopartículas a um fluido base visando alterar suas propriedades de transporte termodinâmicas. Neste contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar o coeficiente de transferência de calor para escoamentos monofásicos e ebulição convectiva de nanofluidos aquosos no interior de microcanais. Para isto, foram realizados experimentos em canais com diâmetro de 1,1 mm e comprimento de 200 mm para água deionizada, nanofluidos de alumina com diâmetros de 20-30 e 40-80 nm, nanofluidos de dióxido de silício com diâmetros de 15 e 80 nm, e nanofluidos de cobre com diâmetro de 25 nm. Estas soluções foram ensaiadas para concentrações volumétricas de nanopartículas de 0,001, 0,01 e 0,1, velocidades mássicas de 200, 400 e 600 kg/m2s e fluxos de calor de 20 a 350 kW/m2. A análise dos resultados revelou que a adição de nanopartículas a água deionizada proporciona o incremento do número de Nusselt para escoamentos monofásicos, principalmente na região inicial do tubo. Concluiu-se que os efeitos da adição de nanopartículas a um fluido base no coeficiente de transferência de calor durante a ebulição convectiva estão relacionados ao recobrimento da superfície com uma camada porosa. A deposição de nanopartículas com diâmetro inferior a 30 nm resultou na redução do coeficiente de transferência de calor e das instabilidades térmicas do escoamento em relação a água deionizada. O coeficiente de transferência de calor e as instabilidades térmicas não apresentaram variações significativas da deposição de nanopartículas com diâmetro superior a 40 nm. Por meio da análise da textura das superfícies recobertas e do critério de nucleação proposto por Kandlikar et al. (1997) concluiu-se que tal comportamento encontra-se associado aos efeitos do acabamento superficial na densidade de cavidades de nucleação ativas. / Microchannels based heat exchangers were introduced as a solution to high heat flux removal in restrict spaces due to their high heat transfer coefficients compared to heat exchangers based on conventional channels. The high ratio of surface are per volume is an additional advantage to microchannels in relation to conventional channels. Beside the microchannels technology, the nanofluids also present itself as a technique with potential to increase the heat transfer coefficient. Nanofluids consist of a solution containing nanoparticles dispersed in a base fluid with the goal to improve its thermodynamic and transport properties. In this context, the objective of the present study is to evaluate the heat transfer coefficient for single-phase flow and convective boiling of aqueous nanofluids inside microchannels. Experiments were performed for channels with internal diameter of 1.1mm and 200 mm long for DI-water, nanofluids containing alumina- (nanoparticles diameters of 20-30 and 40-80 nm), silicon dioxide (nanoparticles diameters of 15 and 80 nm), and copper (nanoparticles diameter of 25 nm). These solutions were evaluated for volumetric concentrations of 0.001, 0.01 and 0.1%, mass velocities of 200, 400 and 600 kg/m2s and heat fluxes from 20 to 350 kW/m2. The analysis of the results revealed that the addition of nanoparticles to DI-water causes an increment in the Nusselt number for single phase flows, especially at the inlet of the tube. The results for flow boiling indicated that the effects of adding nanoparticles to the base fluid are related to the deposition on the heating surface of a nanoparticles porous layer due to the boiling process. The deposition of nanoparticles smaller than 30 nm promoted a reduction of the heat transfer coefficient compared to DI-water on a clean surface, and thermal instabilities were minimized. For the deposition of nanoparticles larger than 40 nm these parameters did not presented significant variations in comparison to DI-water. A combined analysis of the surfaces finishing and the criterion of Kandlikar et al. (1997) for bubble nucleation revealed that such behaviors are correlated to the effects of the surface texture associated to the boiling process on the density of active nucleation cavities.

A presente tese envolve um estudo experimental da ebulição convectiva no interior de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais. Resultados experimentais para perda de pressão e coeficiente de transferência de calor foram levantados para os hidrocarbonetos R600a (isobutano), R290 (propano) e R1270 (propileno), fluidos com reduzido GWP (Global Warming Potential) e ODP (Ozone Depletion Potential) nulo. O desempenho termo-hidráulico destes fluidos foi avaliado em um dissipador de calor de cobre, contendo cinquenta canais paralelos com seção transversal retangular de 123x494 µm2 , 15 mm de comprimento e área de base de 15x15 mm2. Os experimentos foram realizados para fluxos de calor de até 400 kW/m2, velocidade mássica variando entre 165 e 823 kg/m2s, graus de sub-resfriamento do líquido na entrada da seção de testes de 5, 10 e 15°C e temperaturas de saturação de 21 e 25°C. Os dados experimentais foram amplamente analisados e discutidos, focando o efeito do fluido refrigerante. Oscilações dos sinais de temperatura e pressão foram analisadas parametricamente visando caracterizar efeitos de instabilidades térmicas. Adicionalmente, realizou-se análise comparativa de desempenho dos refrigerantes baseada na 2ª Lei da Termodinâmica. Os dados para hidrocarbonetos foram comparados com resultados de trabalhos prévios para o refrigerante R134a levantados na mesma seção de testes e utilizando a mesma bancada experimental. A partir destes dados, conclui-se que os hidrocarbonetos proporcionam coeficientes de transferência de calor superiores ao R134a. Em geral, o coeficiente de transferência de calor apresenta a seguinte ordem decrescente: R290, R1270, R600a e R134a. No entanto, o R290 necessitou superaquecimentos da parede superiores ao R1270 para iniciar o processo de ebulição. O refrigerante R1270 proporcionou perdas de pressão totais inferiores aos demais fluidos segundo a seguinte ordem decrescente: R600a, R134a, R290 e R1270. O refrigerante R1270 apresentou frequências de oscilação inferiores na temperatura da câmara de saída. Baseado na análise de desempenho da 2ª Lei da Termodinâmica, conclui-se que, as irreversibilidades devido ao processo de transferência de calor foram predominantes quando comparadas àquelas devido à perda de pressão. Através desta análise também constatou-se o melhor desempenho para o refrigerante R290. / The present thesis concerns an experimental study on flow boiling inside a microchannel array. Experimental results for two-phase pressure drop and heat transfer coefficient were acquired for the hydrocarbons R600a (isobutane), R290 (propane) and R1270 (propylene). These fluids present low Global Warming Potential (GWP) and null Ozone Depletion Potential (ODP). The cooling performance of these hydrocarbons were evaluated for a copper heat sink containing fifty parallel microchannels. The microchannels are rectangular with cross section of 123x494 µm2, 15 mm length and a footprint area of 15x15 mm2. The experimental evaluation was performed in a test facility located at the Laboratory of Thermal and Fluid Engineering of School of Engineering of São Carlos, University of Sao Paulo. The experiments were performed for heat fluxes up to 400 kW/m2, mass velocities from 165 to 823 kg/m2s, degrees of liquid subcooling at the test section inlet of 5, 10 and 15°C and saturation temperatures of 21 and 25°C. The experimental data were carefully analyzed and discussed focusing on the effects of the fluid on the heat sink thermal hydraulic performance. Fluctuations in the temperature and pressure were analyzed parametrically in order to evaluate thermal instability effects. Additionally, an exergy analysis was performed to evaluate the refrigerant efficiency during convective evaporation. Subsequently, the parametric effects and performance of hydrocarbons were compared with previous results for refrigerant R134a obtained in the same test facility and under the same experimental conditions. The refrigerant R290 provided heat transfer coefficients higher than R600a and R1270. However, R290 needed a degree of wall superheating for the onset of nucleate boiling higher than R1270. Based on the exergy analysis it was concluded that, the irreversibility associated to the heat transfer process are predominant compared with the irreversibility due to the pressure drop. According to the Second Law analyses it was also concluded R290 as the fluid providing the best performance.

A presente pesquisa teve por objetivo o estudo da ebulição convectiva dos novos refrigerantes halogenados no interior de tubos horizontais de cobre. Uma busca na literatura pertinente ao assunto mostrou que a determinação do coeficiente de transferência de calor pode ser determinado por correlações que, aqui, foram classificadas como: 1- Estritamente Convectivas, 2- Superposição de Efeitos e 3- Estritamente Empíricas. Essas correlações mostraram-se inadequadas a generalizações. Uma bancada experimental foi concebida e construída, o que permitiu a obtenção de dados experimentais envolvendo uma ampla faixa de condições operacionais. Efeitos de parâmetros físicos como a velocidade mássica, fluxo de calor, temperatura de saturação e título, foram investigados. Os dados experimentais obtidos foram utilizados no desenvolvimento de uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na ebulição convectiva que satisfizesse adequadamente esses dados obtidos para condições operacionais típicas de aplicações frigoríficas. A partir da análise efetuada foi proposto um modelo no qual foram introduzidos os adimensionais que envolvem os principais efeitos relacionados à mudança de fase. O modelo proposto apresentou resultados bastante adequados não apenas na correlação dos resultados experimentais obtidos na presente pesquisa como também em dados encontrados na literatura. / Present research has aimed at the study of convective boiling of recently introduced halocarbon refrigerants inside horizontal copper tubes. A comprehensive literature survey has revealed that the correlations for the convective boiling heat transfer coefficient can be divided into three main categories: (1) strictly convective; (2) superposition of effects; (3) strictly empirical. As a general rule these correlations are not fitted for generalizations. An experimental set up has been developed and constructed in order to raise data involving a relatively wide range of operational conditions. These data have been used to investigate effects of such parameters as heat flux, mass velocity, quality and evaporating temperature. In addition gathered data have been used in the development of a correlation for the heat transfer coefficient under convective boiling conditions typical of refrigeration applications. The model has been developed in terms of the main intervening non dimensional groups. The proposed equation correlated very well not only experimental data from present investigation but data obtained else where.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-09-24T18:18:53Z No. of bitstreams: 1 Lucas Ezequias da Silva Silveira_.pdf: 2681603 bytes, checksum: bdf77c94ace5cc8dc7bd13716275dc35 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-24T18:18:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lucas Ezequias da Silva Silveira_.pdf: 2681603 bytes, checksum: bdf77c94ace5cc8dc7bd13716275dc35 (MD5) Previous issue date: 2018-05-11 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A utilização de trocadores de calor com canais de diâmetro reduzido vem crescendo devido à demanda por trocadores de calor compactos, que permitam altas taxas de transferência de calor, baixa perda de pressão e redução da carga de fluido refrigerante e de custo de materiais. O presente trabalho analisa a ebulição convectiva através de canais de pequeno diâmetro e a influência de alguns parâmetros operacionais no coeficiente de transferência de calor e na queda de pressão. São apresentados os resultados de três estudos experimentais para avaliar a influência do fluido de trabalho, do diâmetro do canal e da temperatura de saturação. Na primeira análise, é estudada a ebulição do isobutano, R600a, e do propano, R290, em um canal com 1,0 mm de diâmetro interno, com fluxo de massa na faixa de 240 a 480 kg m-2 s-1, fluxo de calor de 5 a 60 kW m-2 e temperatura de saturação de 25°C. Na segunda análise, é estudada a ebulição do R600a em canais com diâmetros de 1,0 e 2,6 mm, temperatura de saturação de 22°C, com variações do fluxo de massa de 188 a 377 kg m-2s-1 e do fluxo de calor de 28 a 56 kW m-2. Por fim, na terceira análise, a ebulição do R600a em um canal de 1,0 mm de diâmetro foi estudada com duas temperaturas de saturação, 20 e 30°C, com fluxo de massa de 240 a 480 kg m-2 s-1 e fluxo de calor de 20 a 60 kW m-2. São avaliados os efeitos do fluxo de massa, do fluxo de calor e do título de vapor, sobre o comportamento do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão por atrito. A análise do fluido de trabalho mostrou que, de modo geral, o R600a apresenta os maiores coeficientes de transferência de calor e perdas de pressão por atrito. Da análise da influência do diâmetro do canal observou-se que, para todas as condições experimentais, o coeficiente de transferência de calor foi superior no canal de 1,0 mm. Os resultados mostraram também que os maiores coeficientes de transferência de calor foram obtidos com a temperatura de saturação de 30°C. Complementando as análises, foram avaliados os padrões de escoamento, através das imagens registradas, e os modelos de mapas de padrões comparando os dois fluidos. Os modelos que melhor se ajustaram às curvas foram os de Revellin e Thome (2007b) e Ong e Thome (2011). Algumas correlações para transferência de calor propostas para mini e micro canais foram avaliadas com dados experimentais, de onde observou-se que, de modo geral, a correlação de Kim e Mudawar (2013b) apresentou o melhor ajuste, dentre as correlações avaliadas. / The use of heat exchangers with reduced diameter channels has been growing due to the demand for compact heat exchangers which allow high rates of heat transfer, low pressure drop and reduction of refrigerant fluid charge and material cost. The present work analyzes the convective boiling through small diameter channels and the influence of some parameters on the heat transfer coefficient and the pressure drop. The results of three experimental studies are presented to evaluate the influence of the working fluid, the channel diameter and the saturation temperature. In the first analysis, the boiling of isobutane, R600a, and propane, R290, in a channel with a 1 mm internal diameter, with mass velocity from 240 to 480 kg m-2 s-1, heat flux from 5 to 60 kW m-2 and saturation temperature of 25°C. In the second analysis, it’s studied the boiling of R600a in channels with diameters of 1.0 and 2.6 mm, saturation temperature of 22°C, with mass velocity from 188 to 377 kg m-2 s-1 and heat flux from 28 to 56 kW m-2. Finally, the boiling of R600a in a 1.0 mm diameter channel was studied with two saturation temperatures, 20 and 30°C, with a mass velocity from 240 to 480 kg m-2 s-1 and heat flux from 20 to 60 kW m-2. The influence of mass flow, heat flux and vapor quality on the behavior of the heat transfer coefficient and the frictional pressure drop are evaluated. The analysis of the working fluid showed that, in general, R600a presents the highest coefficients of heat transfer and frictional pressure drop. From the analysis of the influence of the channel diameter, it was observed that, for all experimental conditions, the heat transfer coefficient was higher in the 1.0 mm channel. The results also showed that the higher heat transfer coefficients were obtained with the saturation temperature of 30°C. Complementing the analyzes, the flow patterns were evaluated through the recorded images, and the flow pattern maps, comparing the two fluids. The map that best fit the curves were those of Revellin and Thome (2007b) and Ong and Thome (2011). Some proposed heat transfer correlations for mini and micro channels were evaluated with the experimental data, from which it was observed that, in general, the correlation of Kim and Mudawar (2013b) presented a better adjustment, among the evaluated correlations.

A presente tese envolve um estudo experimental da ebulição convectiva no interior de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais. Resultados experimentais para perda de pressão e coeficiente de transferência de calor foram levantados para os hidrocarbonetos R600a (isobutano), R290 (propano) e R1270 (propileno), fluidos com reduzido GWP (Global Warming Potential) e ODP (Ozone Depletion Potential) nulo. O desempenho termo-hidráulico destes fluidos foi avaliado em um dissipador de calor de cobre, contendo cinquenta canais paralelos com seção transversal retangular de 123x494 µm2 , 15 mm de comprimento e área de base de 15x15 mm2. Os experimentos foram realizados para fluxos de calor de até 400 kW/m2, velocidade mássica variando entre 165 e 823 kg/m2s, graus de sub-resfriamento do líquido na entrada da seção de testes de 5, 10 e 15°C e temperaturas de saturação de 21 e 25°C. Os dados experimentais foram amplamente analisados e discutidos, focando o efeito do fluido refrigerante. Oscilações dos sinais de temperatura e pressão foram analisadas parametricamente visando caracterizar efeitos de instabilidades térmicas. Adicionalmente, realizou-se análise comparativa de desempenho dos refrigerantes baseada na 2ª Lei da Termodinâmica. Os dados para hidrocarbonetos foram comparados com resultados de trabalhos prévios para o refrigerante R134a levantados na mesma seção de testes e utilizando a mesma bancada experimental. A partir destes dados, conclui-se que os hidrocarbonetos proporcionam coeficientes de transferência de calor superiores ao R134a. Em geral, o coeficiente de transferência de calor apresenta a seguinte ordem decrescente: R290, R1270, R600a e R134a. No entanto, o R290 necessitou superaquecimentos da parede superiores ao R1270 para iniciar o processo de ebulição. O refrigerante R1270 proporcionou perdas de pressão totais inferiores aos demais fluidos segundo a seguinte ordem decrescente: R600a, R134a, R290 e R1270. O refrigerante R1270 apresentou frequências de oscilação inferiores na temperatura da câmara de saída. Baseado na análise de desempenho da 2ª Lei da Termodinâmica, conclui-se que, as irreversibilidades devido ao processo de transferência de calor foram predominantes quando comparadas àquelas devido à perda de pressão. Através desta análise também constatou-se o melhor desempenho para o refrigerante R290. / The present thesis concerns an experimental study on flow boiling inside a microchannel array. Experimental results for two-phase pressure drop and heat transfer coefficient were acquired for the hydrocarbons R600a (isobutane), R290 (propane) and R1270 (propylene). These fluids present low Global Warming Potential (GWP) and null Ozone Depletion Potential (ODP). The cooling performance of these hydrocarbons were evaluated for a copper heat sink containing fifty parallel microchannels. The microchannels are rectangular with cross section of 123x494 µm2, 15 mm length and a footprint area of 15x15 mm2. The experimental evaluation was performed in a test facility located at the Laboratory of Thermal and Fluid Engineering of School of Engineering of São Carlos, University of Sao Paulo. The experiments were performed for heat fluxes up to 400 kW/m2, mass velocities from 165 to 823 kg/m2s, degrees of liquid subcooling at the test section inlet of 5, 10 and 15°C and saturation temperatures of 21 and 25°C. The experimental data were carefully analyzed and discussed focusing on the effects of the fluid on the heat sink thermal hydraulic performance. Fluctuations in the temperature and pressure were analyzed parametrically in order to evaluate thermal instability effects. Additionally, an exergy analysis was performed to evaluate the refrigerant efficiency during convective evaporation. Subsequently, the parametric effects and performance of hydrocarbons were compared with previous results for refrigerant R134a obtained in the same test facility and under the same experimental conditions. The refrigerant R290 provided heat transfer coefficients higher than R600a and R1270. However, R290 needed a degree of wall superheating for the onset of nucleate boiling higher than R1270. Based on the exergy analysis it was concluded that, the irreversibility associated to the heat transfer process are predominant compared with the irreversibility due to the pressure drop. According to the Second Law analyses it was also concluded R290 as the fluid providing the best performance.

Dissipadores de calor baseados em microcanais são apresentados como solução para a remoção de fluxos de calor elevados em espaços restritos, pois proporcionam elevados coeficientes de transferência de calor quando comparados a canais convencionais. Tais trocadores também proporcionam elevadas razões entre a área superficial em contato com o refrigerante por unidade de volume do dissipador. Além dos microcanais, a utilização de nanofluidos também se apresenta como tecnologia com potencial de incremento do coeficiente de transferência de calor. Os nanofluidos consistem na adição de nanopartículas a um fluido base visando alterar suas propriedades de transporte termodinâmicas. Neste contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar o coeficiente de transferência de calor para escoamentos monofásicos e ebulição convectiva de nanofluidos aquosos no interior de microcanais. Para isto, foram realizados experimentos em canais com diâmetro de 1,1 mm e comprimento de 200 mm para água deionizada, nanofluidos de alumina com diâmetros de 20-30 e 40-80 nm, nanofluidos de dióxido de silício com diâmetros de 15 e 80 nm, e nanofluidos de cobre com diâmetro de 25 nm. Estas soluções foram ensaiadas para concentrações volumétricas de nanopartículas de 0,001, 0,01 e 0,1, velocidades mássicas de 200, 400 e 600 kg/m2s e fluxos de calor de 20 a 350 kW/m2. A análise dos resultados revelou que a adição de nanopartículas a água deionizada proporciona o incremento do número de Nusselt para escoamentos monofásicos, principalmente na região inicial do tubo. Concluiu-se que os efeitos da adição de nanopartículas a um fluido base no coeficiente de transferência de calor durante a ebulição convectiva estão relacionados ao recobrimento da superfície com uma camada porosa. A deposição de nanopartículas com diâmetro inferior a 30 nm resultou na redução do coeficiente de transferência de calor e das instabilidades térmicas do escoamento em relação a água deionizada. O coeficiente de transferência de calor e as instabilidades térmicas não apresentaram variações significativas da deposição de nanopartículas com diâmetro superior a 40 nm. Por meio da análise da textura das superfícies recobertas e do critério de nucleação proposto por Kandlikar et al. (1997) concluiu-se que tal comportamento encontra-se associado aos efeitos do acabamento superficial na densidade de cavidades de nucleação ativas. / Microchannels based heat exchangers were introduced as a solution to high heat flux removal in restrict spaces due to their high heat transfer coefficients compared to heat exchangers based on conventional channels. The high ratio of surface are per volume is an additional advantage to microchannels in relation to conventional channels. Beside the microchannels technology, the nanofluids also present itself as a technique with potential to increase the heat transfer coefficient. Nanofluids consist of a solution containing nanoparticles dispersed in a base fluid with the goal to improve its thermodynamic and transport properties. In this context, the objective of the present study is to evaluate the heat transfer coefficient for single-phase flow and convective boiling of aqueous nanofluids inside microchannels. Experiments were performed for channels with internal diameter of 1.1mm and 200 mm long for DI-water, nanofluids containing alumina- (nanoparticles diameters of 20-30 and 40-80 nm), silicon dioxide (nanoparticles diameters of 15 and 80 nm), and copper (nanoparticles diameter of 25 nm). These solutions were evaluated for volumetric concentrations of 0.001, 0.01 and 0.1%, mass velocities of 200, 400 and 600 kg/m2s and heat fluxes from 20 to 350 kW/m2. The analysis of the results revealed that the addition of nanoparticles to DI-water causes an increment in the Nusselt number for single phase flows, especially at the inlet of the tube. The results for flow boiling indicated that the effects of adding nanoparticles to the base fluid are related to the deposition on the heating surface of a nanoparticles porous layer due to the boiling process. The deposition of nanoparticles smaller than 30 nm promoted a reduction of the heat transfer coefficient compared to DI-water on a clean surface, and thermal instabilities were minimized. For the deposition of nanoparticles larger than 40 nm these parameters did not presented significant variations in comparison to DI-water. A combined analysis of the surfaces finishing and the criterion of Kandlikar et al. (1997) for bubble nucleation revealed that such behaviors are correlated to the effects of the surface texture associated to the boiling process on the density of active nucleation cavities.

A presente pesquisa teve por objetivo o estudo da ebulição convectiva dos novos refrigerantes halogenados no interior de tubos horizontais de cobre. Uma busca na literatura pertinente ao assunto mostrou que a determinação do coeficiente de transferência de calor pode ser determinado por correlações que, aqui, foram classificadas como: 1- Estritamente Convectivas, 2- Superposição de Efeitos e 3- Estritamente Empíricas. Essas correlações mostraram-se inadequadas a generalizações. Uma bancada experimental foi concebida e construída, o que permitiu a obtenção de dados experimentais envolvendo uma ampla faixa de condições operacionais. Efeitos de parâmetros físicos como a velocidade mássica, fluxo de calor, temperatura de saturação e título, foram investigados. Os dados experimentais obtidos foram utilizados no desenvolvimento de uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na ebulição convectiva que satisfizesse adequadamente esses dados obtidos para condições operacionais típicas de aplicações frigoríficas. A partir da análise efetuada foi proposto um modelo no qual foram introduzidos os adimensionais que envolvem os principais efeitos relacionados à mudança de fase. O modelo proposto apresentou resultados bastante adequados não apenas na correlação dos resultados experimentais obtidos na presente pesquisa como também em dados encontrados na literatura. / Present research has aimed at the study of convective boiling of recently introduced halocarbon refrigerants inside horizontal copper tubes. A comprehensive literature survey has revealed that the correlations for the convective boiling heat transfer coefficient can be divided into three main categories: (1) strictly convective; (2) superposition of effects; (3) strictly empirical. As a general rule these correlations are not fitted for generalizations. An experimental set up has been developed and constructed in order to raise data involving a relatively wide range of operational conditions. These data have been used to investigate effects of such parameters as heat flux, mass velocity, quality and evaporating temperature. In addition gathered data have been used in the development of a correlation for the heat transfer coefficient under convective boiling conditions typical of refrigeration applications. The model has been developed in terms of the main intervening non dimensional groups. The proposed equation correlated very well not only experimental data from present investigation but data obtained else where.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico no interior de tubos com fitas retorcidas. Esta técnica tem sido utilizada há várias décadas para a intensificação de troca de calor para escoamento monofásico e evaporação convectiva no interior de tubos. No entanto, com sua utilização, o aumento do coeficiente de troca de calor é acompanhado pelo incremento da perda de pressão. Portanto a compreensão dos fenômenos relacionados aos incrementos da perda de pressão e troca de calor são fundamentais para engenheiros projetistas. Neste estudo, inicialmente, é apresentada uma extensa revisão bibliográfica sobre padrões de escoamento, modelos para estimativa de fração de vazio e metodologias para previsão da perda de pressão em tubos com e sem fitas retorcidas para escoamentos bifásicos e monofásicos. Foram realizados experimentos em bancada experimental utilizando seção de testes com diâmetro interno de 15,9 mm e dois metros de comprimento com fitas apresentando razões de retorcimento de 3, 4, 9, 14 e , a última correspondente ao tubo sem inserto. Os experimentos foram executados para o refrigerante R134a, velocidades mássicas entre 75 e 250 kg/m²s, e títulos de vapor entre 5 e 95% no caso de escoamentos bifásicos. Resultados foram levantados para velocidades mássicas entre 100 e 450 kg/m²s para escoamentos monofásicos. Durante os ensaios foram levantados resultados de perda de pressão e identificados subjetivamente os respectivos padrões de escoamento. Como resultado final deste estudo é proposta uma correlação para previsão da perda de pressão durante o escoamento no interior de tubos com fitas retorcidas. / A theoretical and experimental study on single and two-phase flow inside tubes with twisted tapes inserts is presented. Twisted tape inserts have been used for decades as a technique of heat transfer enhancement. However, their heat transfer enhancement is accompanied by an increase of the pressure drop. Therefore, understanding the pressure drop and heat transfer mechanisms is fundamental for heat exchanger designers in order to optimize these devices when using twisted-tape inserts. Based on these aspects the present study concerns single and two-phase flows inside tubes with twisted tapes. Experiments were performed in an experimental apparatus for a 15.9 mm ID and twisted tape with twist ratios of 3, 4, 9, 14 and , the last one corresponding to a plain tube without tape. For two-phase flow, experiments were conducted for R134a, mass velocities from 75 to 250 kg/m²s and vapor qualities from 5 to 95%. In case of single-phase flow, experiments were performed for mass velocities from 100 to 450 kg/m²s. The experimental campaign was focused on pressure drop and flow pattern subjective identification. Additionally an extensive literature review on flow patterns, superficial void fraction, and methodologies for prediction of the pressure drop in plain tubes with and without twisted-tape inserts during single and two-phase flow is presented. As final result, a correlation for prediction of pressure drop during flow inside tubes with twisted tape inserts is proposed.