Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T21:15:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 105505.pdf: 25136944 bytes, checksum: d05b91e14e98f7142434f858e1d856c7 (MD5) Previous issue date: 1996 / Análise experimental do escoamento do fluído refrigerante HFC-134a, através de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção laterais. Desenvolvimento de um aparato experimental para o levantamento dos dados. Comparação dos resultados experimentais, fluxo de massa e perfis de temperatura, com um modelo numérico disponível na literatura.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-03-04T18:03:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 307726.pdf: 4342097 bytes, checksum: 4f456cdabcf7b81e96a45595a74fb5a9 (MD5) / Os programas governamentais de eficiência energética têm se tornado cada vez mais exigentes quanto à utilização racional e eficiente das fontes de energia, com ações que forçam os fabricantes a desenvolverem produtos de alto desempenho e estimulam os consumidores a adquiri-los. No segmento de refrigeração comercial, responsável por uma significativa parcela do consumo energético nacional, os equipamentos trabalham geralmente com temperaturas de evaporação próximas a -10°C, o que favorece o acúmulo de geada sobre a superfície do evaporador. Dependendo da espessura da camada de geada, observa-se uma drástica redução na taxa de transferência de calor, devida aos efeitos combinados da baixa condutividade térmica da geada e do aumento da perda de carga no lado do ar. Esse último causa um impacto marcante sobre a vazão de ar em circulação. No entanto, a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura despreza tal efeito, independentemente da redução da área de passagem do escoamento de ar. Dessa forma, o presente trabalho se propõe a investigar o impacto da formação de geada sobre a capacidade de refrigeração de sistemas comerciais, considerando o acoplamento hidrodinâmico do par evaporador-ventilador. Um aparato experimental capaz de controlar as principais variáveis envolvidas no fenômeno foi construído para obtenção de uma base de dados experimental. Adicionalmente, empregando os princípios de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, desenvolveu-se um modelo matemático para simular o crescimento da camada de geada sobre a superfície do evaporador considerando o acoplamento existente entre o ventilador e o evaporador. A base de dados foi empregada para obtenção de uma correlação inédita para a densidade da geada. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com a base de dados, permanecendo dentro da faixa de incerteza das medições. Verifica-se que a elevação do grau de super-resfriamento provoca o aumento da taxa de transferência de massa e a redução da densidade da geada, resultando em uma camada de geada mais espessa. Foram observadas reduções de até 40% na taxa de transferência de calor devido à formação de geada. Adicionalmente, verificou-se que o ventilador e o evaporador devem ser projetados de forma acoplada a fim de manter a capacidade de refrigeração durante um maior período de tempo. / This study presents a numerical and experimental analysis of the thermal-hydraulic performance of tube-fin evaporators for light commercial refrigeration systems under frosting conditions. Since such a kind of appliance is generally designed with air curtains or subjected to frequent door opening, a certain amount of the ambient air infiltrates into the refrigerated space. This promotes the growth of a frost layer on the evaporator surface, which may completely block the gap between the fins if a proper defrost operation does not take place. The frost layer reduces the system cooling capacity by adding an extra thermal resistance to the evaporator tubes and also by reducing the fan-supplied air flow rate. In this study, a closed-loop wind tunnel was used to measure the thermal performance of tube-fin evaporators with different geometries. The air temperature and humidity at the inlet of the evaporator were controlled by the wind tunnel system, while a secondary refrigeration loop was used to set the evaporator surface temperature. The air flow rate was controlled by a variable-speed fan which emulates the real fan behavior. Moreover, frost thickness measurements were also carried out by using a digital camera equipped with zoom lens. The numerical results were compared with the experimental accumulated mass of frost, air pressure drop, air flow rate and cooling capacity, with all the predictions falling within the experimental band of uncertainties. Based on this comparison, a new correlation for the frost density was developed to be specifically applied to light commercial refrigeration products. The results show evaporator cooling capacity reductions up to 40% due to frost formation process. It was observed that the effect of the reduction of the air flow rate on the evaporator cooling capacity surpasses that of the extra thermal insulation of the frost layer. Furthermore, it was observed that, after a reasonable amount of frost has been grown, the louvered-fin evaporator showed a 10% lower cooling capacity when compared to the wavy-fin evaporator with the same fin pitch. These results indicate that under frosting conditions the pair fan-evaporator must be designed as a coupled system, in order to maintain the original refrigeration capacity for longer periods, increasing the time between successive defrosting processes and, therefore, improving the thermal performance of the entire system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339933.pdf: 3854618 bytes, checksum: 5177cc8f9b92de23f00e866b636562ff (MD5) Previous issue date: 2016 / O avanço tecnológico das aeronaves resultou na necessidade de controle térmico de componentes eletroeletrônicos. Trocadores de calor passivos são uma excelente alternativa de refrigeração dos equipamentos, pois oferecem elevada eficiência e confiabilidade. Uma solução em desenvolvimento é o uso de trocadores de calor passivos que podem ser conectados em série por um acoplamento cônico. Nesse contexto, é necessária uma interface com elevada condutância térmica e a geometria cônica, a qual favorece o contato, é o objetivo do estudo. Um aparato experimental foi usado para testar juntas cônicas de cobre a pressão atmosférica e em ambiente de vácuo, reproduzindo o contato entre condensador de termossifão (macho) e o evaporador de termossifão em circuito (fêmea). Desse modo, foram avaliadas tanto a transferência de calor apenas pelo contato metal-metal, como também a influência do fluido intersticial na folga da interface. Os resultados mostram que as juntas cônicas são muito afetadas pelas irregularidades do processo de fabricação e que os desvios da forma ideal provocados por discrepâncias do ângulo cônico são determinantes para a transferência de calor através delas. Além disso, foi observado o efeito de histerese da condutância térmica em consequência do alívio da pressão axial aplicada nas juntas, o que agrega em segurança em aplicações aeronáuticas. Também foi constatado que o fluido intersticial de alta condutividade térmica (pasta térmica) é uma alternativa viável para se conseguir maiores taxas de transferência de calor, com ganhos superiores a 290% quando comparadas as juntas sem fluido intersticial.<br> / Abstract: Technological advances in aeronautics resulted in the need for thermal control of several electronic components. Passive heat exchangers are an excellent solution for electronics cooling because they have high efficiency and reliability. One solution being developed consists of passive heat exchangers connected in series by a conical joint. Therefore, a high thermal conductance interface is necessary and the conical geometry, which improves the contact, is the objective of this research. An experimental set-up was employed to test copper prototypes of conical joints under ambient pressure and under vacuum conditions, simulating the contact between thermosyphon condenser (male) and a loop thermosyphon evaporator (female). Thus, metal to metal contact heat conduction and the influence of interstitial fluid in the gap were evaluated. The results showed that conical joints have irregularities due to manufacturing process, including waviness and form deviation caused by conical angle discrepancy, which are determinant to heat transfer. The thermal conductance hysteresis effect, as a result of axial pressure release, was also observed. This effect shown to be beneficial for safety in aeronautical purposes. It was also observed that an interstitial fluid with high thermal conductivity, such as a thermal paste, is a good option in order to obtain higher heat transfer rates, surpassing 290% comparing to no interstitial fluid.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-10-19T12:48:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339488.pdf: 5782017 bytes, checksum: 5e79c00c16df6f2cc53af0b567213f0d (MD5) Previous issue date: 2015 / Relatórios da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (National Aeronautics and Space Administration - NASA) e da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA) indicam um aumento constante da temperatura média da superfície da Terra, reforçando o consenso de que a principal causa do aquecimento global é antropogênica. Por essa razão, vários fabricantes de sistemas de refrigeração têm buscado soluções de projeto que protejam o meio ambiente sem aumento de custo. Como alternativa pode-se citar os fluidos refrigerantes naturais, dentre os quais se destaca o CO2 por não ser tóxico e inflamável e possuir um baixo potencial de aquecimento global (Global Warming Potential - GWP). No entanto, tal refrigerante exige modificações no ciclo de refrigeração, como forma de evitar perdas de performance. O foco deste trabalho reside no estudo sobre a utilização de compressores de duplo estágio e de capacidade variável em sistemas de CO2 para o setor de refrigeração comercial leve. Para tanto, adaptou-se um aparato experimental já existente, instalando um compressor rotativo de duplo estágio e de velocidade variável com resfriamento entre estágios. Nos testes com trocador de calor interno (internal heat exchanger - iHX), observou-se que existe um superaquecimento mínimo, dependente da efetividade do trocador de calor interno, abaixo do qual a operação do sistema torna-se instável. Ao controlar o superaquecimento através de uma válvula de expansão, observou-se que o trocador de calor interno eleva o coeficiente de performance (COP) em 12,9%, 16,0% e 17,2%, respectivamente, nas frequências de 45, 60 e 75 Hz, em relação ao ciclo sem trocador de calor interno. Uma outra solução explorada para evitar os problemas de instabilidade foi manter um dispositivo de expansão fixo, dimensionado para a frequência de 45 Hz. Observou-se, no entanto, que essa solução reduz o COP em até 15,5% em frequências mais elevadas quando comparado à arquitetura sem trocador de calor interno. Explorou-se também um ciclo com trocador de calor interno, controle de pressão de descarga e separador de líquido com injeção de vapor saturado entre os estágios de compressão. Essa arquitetura de ciclo proporcionou um aumento do COP, quando comparado ao ciclo de referência de 15,5%, 18,4%, e 18,1% nas frequências de 45, 60 e 75 Hz, respectivamente. Deve-se ressaltar, no entanto, que essa solução aumenta consideravelmente os custos e a complexidade do sistema.<br> / Abstract: Reports from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA) indicated a constant increase in the Earth's average surface temperature, thus corroborating the consensus that the main cause for the global warming is anthropogenic. For this reason, several refrigeration system manufacturers have been searching for project-oriented solutions that protect the environment without increasing costs. Possible alternatives include natural refrigerants, from which CO2 stands out for being non-toxic, non-flammable and presenting a low global warming potential (GWP). However, carbon dioxide requires modifications to the refrigeration cycle in order to avoid performance losses. The present work focuses on investigating the use of two-stage variable capacity compressors in CO2-based refrigerating systems for the light commercial refrigeration sector. To this extent a previously built experimental apparatus was adapted and a rotary two-stage variable speed compressor with intercooler was installed. Tests with an internal heat exchanger (iHX) showed the existence of a minimal superheating, dependent of the internal heat exchanger?s effectiveness, bellow which the system?s operation becomes unstable. When controlling the superheating through the use of an expansion valve it was observed that the internal heat exchanger increases the coefficient of performance (COP) by 12.9%, 16.0%, and 17.2%, respectively, in the frequencies of 45, 60 and 75 Hz, in relation to the cycle without internal heat exchanger. A solution investigated to prevent instability problems was the use of a fixed restriction expansion device, selected for the lower frequency of 45 Hz. It was observed, however, that this solution reduces the COP by up to 15.5% with higher frequencies when compared to an architecture without iHX. A cycle with internal heat exchanger, discharge pressure control and liquid separator with the injection of saturated vapor between compression stages was also studied. This cycle architecture provided gains in COP, when compared to the default cycle, of 15.5%, 18.4% and 18.1% in the frequencies of 45, 60 and 75 Hz, respectively. It's important to note, however, that this solution increases considerably the system's cost and complexity.

Orientador: Roger Josef Zemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-16T10:03:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Salviano_FlaviaRichterFernandez_M.pdf: 1544610 bytes, checksum: faf01181a27b65fd972f0e2414e7112b (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Originalmente a Análise Pinch foi aplicada em projetos de novas redes de trocadores de calor em plantas industriais. No entanto, com a ampliação de plantas ou modificação das condições de processos, surgiu a necessidade de se adaptar o conceito de integração de processos para modificar redes existentes. Diante da limitação de ferramentas para auxílio em círculos e a dificuldade de se desenvolver projetos de retrofit, foi desenvolvida uma planilha eletrônica de cálculo baseada nos programas Microsoft Excel e Visual Basic for Applications (VBA). Os dados da rede existente e/ou proposta são inseridos pelo usuário e a planilha utiliza os conceitos de balanço energético e Network Pinch para calcular temperaturas de saída dos fluidos nos trocadores e temperaturas finais das correntes de processo. A ferramenta também permite ao usuário a identificação dos limites de recuperação de calor da rede existente e a minimização do consumo de utilidades sem mudanças topológicas / Abstract: Pinch analysis techniques were originally developed for projects of new heat exchangers networks in industrial plants. However the increasing capacity of plants or modifications in process parameters generated the necessity of adaptation of the original concept of process integration to retrofit of existing networks. Due to the limitation of tools to support calculations and the difficulty in developing retrofit projects, an electronic worksheet based on softwares Microsoft Excel and Visual Basic for Application (VBA) was created. The information of the existing and/or proposed network is inserted in the worksheet by the user and the program uses the concepts of energy balance and Network Pinch to calculate the outlet temperature of fluids in each heat exchanger and the outlet temperature of each process stream in the network. This tool also allows the identification of limits of heat recovery and the minimization of utilities consumption with no topological changes / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Roger J. Zem / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-27T02:36:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_LucianaCristinados_M.pdf: 3430679 bytes, checksum: 28d163db7620c9a4ecc0df34b7ae538b (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: Um novo procedimento de estimativa de área e custos de capital para sistemas sob integração energética é proposto. Este método permite que restrições de troca térmica e trocadores com mais de uma passagem nos tubos sejam utilizados. O método desenvolvido resulta em um modelo não linear onde, balanços de energia, restrições de troca térmica e o fator de correção para trocadores do tipo casco e tubo 1-2 (com 1 passagem no casco e duas ou mais passagens pares nos tubos) são incluídos. As dificuldades de convergência decorrentes da adição de restrições não lineares, devido a utilização de trocadores com múltiplas passagens nos tubos, levaram ao uso de uma estratégia nova. Esta estratégia é constituída pela resolução de dois problemas não lineares. O primeiro estima a área para trocadores contracorrente constituindo a primeira aproximação para obtenção dos fatores de correção para trocadores com múltiplas passagens nos tubos, e outro onde é estimado o capital para trocadores 1-2. Os fatores de correção dos trocadores com múltiplas passagens nos tubos são calculados externamente ao modelo e entram como parâmetro conhecido. Este procedimento é repetido até que uma diferença tolerável entre as estimativas de capital seja atingida. Para completar o projeto de recuperação de energia, uma metodologia que fornece o projeto da rede de trocadores de calor considerando restrições de troca térmica é proposto. O modelo de síntese resulta na formulação de um MIP (Mixed Integer Programming), onde o problema é dividido em estágios e submetido a balanços de energia para minimizar o número de trocadores.Uma comparação dos custos de capital entre os métodos da estimativa de área e o de síntese de rede mostrou bons resultados, já que a diferença de capital entre os métodos foi inferior a 10% / Abstract: A new procedure for estimating area and capital cost targets of constrained heat exchanger networks is presented. The method allows for match constrained networks and exchangers with more than one tube passo The procedure is based on modelling the problem as a non-linear formulation where the forbidden exchanger matches are included as constraints and the temperature difference correction due to multipass exchangers is included in the modeI. The difficulty of converging to a solution due to the additional non-linear constraints imposed by the multipass exchangers required the use of a two-Ievel approach: at the inner leveI, the area targets for simple pass exchangers are obtained, and at the outer leveI the temperature difference required for multipass exchangers are computed and fed back to the inner leveI. The procedure is repeated until an appropriate tolerance between two iterations was achieved. A procedure for the authomatic synthesis of contrained heat exchanger network was developed, using a mixed integer programming approach and minimising the overall number of heat exchangers. A comparison between the estimated exchanger areas and costs estimated by the new procedure and the area and costs obtained from the final heat exchanger design shows a very good agreement / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Marcelo Moreira Ganzarolli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T03:38:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mioralli_PauloCesar_D.pdf: 2225639 bytes, checksum: 7101b8107246b73d4bcc4dbe19dc9eea (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O processo de transferência de calor em um regenerador rotativo foi analisado a partir de valores estabelecidos para a perda de carga nos canais da matriz. A troca térmica no equipamento foi maximizada através da obtenção de um valor ótimo de porosidade para esta perda de carga fixada. Os dutos da matriz foram admitidos triangulares eqüiláteros. Um programa computacional foi confeccionado para a simulação do regenerador, no qual a velocidade dos fluidos e o coeficiente de transferência de calor foram obtidos através de correlações levando em consideração a região de entrada dos dutos. Estes resultados foram utilizados para a obtenção do calor transferido no regenerador através de uma resolução numérica. A influência do bloqueio parcial do escoamento nos canais da matriz, causado por parte da estrutura do equipamento, e os efeitos dos vazamentos sobre o calor transferido, devido às folgas de trabalho do regenerador, também foram investigados. Uma análise de escala foi efetuada e expressões para a estimativa da porosidade ótima e do calor máximo transferido no equipamento foram obtidas. Baseado nesta análise, parâmetros adimensionais foram introduzidos e foi verificado que a análise de escala é capaz de prever a ordem de grandeza da porosidade ótima e o correspondente calor máximo transferido. Por fim, uma formulação adimensional para o problema foi apresentada e a influência da rotação da matriz sobre o calor transferido no regenerador foi analisada / Abstract: Heat transfer from a rotary regenerator subject to constant pressure drop constraints was examined. The optimal porosity and the corresponding maximum heat transfer were obtained considering smooth and equilateral triangular matrix ducts. The fluid flow and the heat transfer coefficient were obtained from correlations taking into account the matrix ducts entrance region. These results were used as inputs to a numerical solution employed to evaluate the regenerator thermal performance. The influence of flow partial blockage, caused by part of the equipment structure, and the effects of seal leakage on the heat transfer were also investigated. A scale analysis was conducted and equations to assess the optimal porosity and the maximum heat transfer were obtained. Based on this analysis, dimensionless parameters were introduced and it was verified that the scale analysis properly predicts the order of magnitude of the optimal porosity and the maximum heat transfer. Finally, a dimensionless formulation was suggested and the influence of matrix rotational speed was analyzed / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Roger Josef Zem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T08:08:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Novazzi_LuisFernando_D.pdf: 882915 bytes, checksum: b56c7f8ed1c61f78280d0e06dbdf2df6 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A integração energética entre correntes num processo químico pode dar origem a redes de trocadores de calor bastante complexas, de dificil controle. Nesse trabalho foram discutidos aspectos dinâmicos e estacionários dessa rede, a fim de se propor uma estratégia de controle que minimizasse o consumo de utilidade e satisfizesse especificações impostas. Fez-se a modelagem em regime permanente da rede, através do método da efetividade, levando-se em conta condições operacionais como a temperatura de entrada das correntes, vazão e posição dos bypasses nos trocadores, e considerando a topologia da mesma, com a presença de trocadores, aquecedores ou resfriadores, divisores e misturadores nas correntes. Através da solução de um sistema linear de equações escrito a partir dessas condições, foram calculadas as temperaturas de saída das correntes. O modelo dinâmico de trocadores casco e tubo é descrito por equações diferenciais parcIaIs, que foram discretizadas e resolvidas pelo método das diferenças finitas, em Matlab. Foi verificado que nos trocadores 1-1 as respostas dinâmicas diante de perturbações nas temperaturas de entrada das correntes podem ser aproximadas por funções de transferência de primeira ordem associadas a tempo morto. No caso de distúrbios na vazão, as respostas são mais intensas nas correntes que foram diretamente perturbadas. Quando existe variação nos bypasses, as respostas são aproximadamente dadas por funções de transferência com atraso e avanço de fase. Mostrou-se que em trocadores 1-2 a dinâmica depende da configuração de escoamento, paralelo / contracorrente ou contracorrente / paralelo, e que quando ocorre uma perturbação na vazão, pode haver inversão temporária na resposta. O modelo dinâmico desses trocadores foi usado para descrever o comportamento dinâmico da rede e se concluiu que as perturbações são atenuadas ao longo da mesma. Promoveu-se a linearização do ,modelo dinâmico de trocadores aqui proposto, chegando-se à conclusão que a não linearidade do sistema não é muito acentuada. A partir de algumas considerações e equações de projeto de trocadores, provou-se que existem faixas típicas para a relação entre área de troca e volume do casco e entre área de troca e volume dos tubos. Isso é um resultado importante pois a relação entre área e voll).me surge naturalmente na modelagem dinâmica dos trocadores. Com as ferramentas desenvolvidas, foi proposta uma estratégia de controle ótimo de caráter antecipatório, que consistiu na minimização de uma função objetivo em regime permanente, ligada ao consumo de utilidade e tendo como restrição as especificações de temperatura de saída das correntes. O resultado desse problema de minimização dava a posição ótima dos bypasses nos trocadores, que foi dinamicamente implementada em rampa e depois em degrau. Verificou-se que a implementação em rampa foi mais adequada, com violações dinâmicas mais toleráveis. A fim de melhorar as respostas do sistema de controle, sugeriu-se também uma estratégia de controle ótimo antecipatório e com retroação, promovendo-se a otimização do consumo de energia. Ao se fazer o emparelhamento entre as variáveis, foram distinguidos objetivos de controle rígidos, ligados a controladores com ganho integral, e objetivos flexíveis, associados a controladores com ganho proporcionaL Através desse enfoque, conseguiu-se minimizar o consumo de utilidades, satisfazer as especificações de temperatura e ao mesmo tempo obter-se uma resposta dinâmica rápida. Palavras chave: 1. Redes de trocadores de calor 2. Modelagem 3. Controle ótimo 4. Dinâmica / Abstract: Energy integration among chemical process streams can lead to quite complex heat exchanger networks (HEN) with difficulties in terms of controI. In this work HEN dynamics and steady state aspects were addressed with the aim of proposing a control strategy that minimizes utility consumption and satisfies imposed specifications. A steady state model of the HEN was suggested using the effectiveness method and by taking into account some operational conditions like inlet stream temperatures and flow, bypasses position in the heat exchangers and by considering HEN topology, with the presence of heat exchangers, heaters 01' coolers, splitters and mixers. Based on these considerations a linear set of equations was written, solved and outlet stream temperatures were calculated. Shell and tube heat exchanger dynamic model is described by differential partial equations, which were discretized and solved by the finite difference method, in Matlab. When an inlet temperature disturbance occurs, it was verified that the dynamic response of a 1-1 heat exchanger can be represented by a first order transfer function associated with dead time. In the case of flow disturbances, the responses are more intense on the streams directly disturbed. When bypasses positions change, the responses can be approximated by . a lead Ilag system. It was shown that the dynamics of a 1-2 heat exchanger depends on flow configuration, i.e., paralle1 flow I counterflow or counterflow I parallel flow. When a flow disturbance happens in 1-2 exchangers, a temporary inversion on respons~ can take place. The dynamic models of isolated 1-1 and 1-2 heat exchangers were used to, describe the dynamic behavior of HEN and one could conclude that disturbances were damped along the network. The heat exchangers dynamic models were linearized and it was shown that system non linearity is not very accentuated. By, taking into account some heat exchanger design equations and assumptions, it was proved that there are typica1 intervals for the relation between heat exchange area and shell volume and heat exchange area and tubes volume. This is an important result since these relations appear naturally on heat exchangers dynamic models. With the tools developed in this work it was proposed a feedforward optimal control strategy which consisted in lhe minimization of a steady slate °7ve function connected to utility consumption and subjected to constraints in outlet stream temperatures. The solution of the minimization problem resulted in optimal bypasses positions in the HEN, which were dynamic~lly implemented using a ramp function and a step function. It was verified that ramp implementation was better, with tolerable dynamic violations. With the objective of getting better responses of the control system, it was also suggested a feedback / feedforward strategy, promoting energy consumption optimization. In this strategy, input and output variables were paired and rigid control objectives, connected to integral gain controllers, and flexible control objectives, associated with proportional gain controllers, were distinguished. Through this approach utility consumption was optimized, temperatures specifications were satisfied and at the same time a fast dynamic response was got. Key words: 1. Heat Exchanger Networks 2. Modeling 3. Optimal Contro14. Dynamics / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Roger Josef Zem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T12:32:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Herkenhoff_RogerioGeaquinto_D.pdf: 1183174 bytes, checksum: f7777dadb80f82afeeb6190f4bb190e9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Nesta tese é proposta uma nova estratégia para o projeto de reestruturação de redes de trocadores de calor, qualquer que seja seu objetivo: ampliação de carga ou modificações das condições operacionais, otimização da recuperação de energia, melhor atendimento das demandas do processo industrial, etc. Esta proposta é baseada num método consagrado, conhecido como "Pinch Design Method" e originalmente restrito ao projeto de redes novas ("grass-root design"), e inclui toda a formulação e demais requisitos necessários para sua extensão à reestruturação de redes existentes. Tanto o método original quanto a adaptação agora proposta têm origem termo dinâmica e montagem "manual" da rede, em oposição à (síntese) automatizada. A base conceitual da chamada "Pinch Technology" é extensivamente apresentada e discutida na tese, que a!nda inclui vários estudos de caso para demonstrar sua atualidade, através da confrontação com os resultados típicos da síntese automatizada de redes novas. o método proposto é basicamente dedicado ao pré-estabelecimento dos objetivos de projeto, com a posterior utilização das regras de síntese e demais ferramentas do método original. Em comparação com o procedimento tradicional sugerido no contexto da "Pinch Technology", o método proposto propõe objetivos mais ambiciosos, e ainda assim, realistas (na remontagem da rede, os objetivos previamente estabelecidos podem ser alcançados). O processo de remontagem da rede, embora mais difícil que a síntese de redes novas, também é facilitado em relação ao método tradicional que, além disto, tem aplicação mais restrita. A reestruturação automatizada de redes não é contemplada neste estudo, mesmo porque ela ainda não dispõe de produtos largamente aprovados, para uso geral. Na parte final da tese, três exemplos complexos demonstram as mais relevantes vantagens do método proposto sobre o método tradicional manual (nos casos em que ele se aplica), e sua maior (ou irrestrita) aplicabilidade / Abstract: In this thesis, it is proposed a new design strategy for restructuring existing heat exchanger networks, regardless of its objective: heat recovery optimization, better or full achievement of the industrial process demands, reutilization under different operational conditions, plant capacity expansion, etc. The proposed strategy is based on the widely approved Pinch Design Method, originally restricted to the design of new networks (grass-root design), and inc1udes all formulatioIÍ and additional requirements for its extension to existing networks (retrofits, revamps, etc.). Both the original and the proposed method are thermodynamically based, with manual construction of the network structure, in opposition to the automated synthesis. The conceptual basis of the Pinch Technology is extensively presented and discussed in the.thesis, which also inc1udes several case studies to demonstrate its realism, when confronted to the typical results of the automated synthesis of new networks. The proposed method is basically devoted to the pre-establishment of design objectives (targeting), and takes laler advantage of the synthesis rules and accessory tools of the original methodology. In comparison with the most traditional non-automated Pinch method, the new strategy suggests more ambitious design targets, but quite still realistic (for all case studies, it was found a modified structure to meet the targets). Because of the similarity with a new design, finding a modified structure to achieve 'the targets is alsG easier than in the traditional method, whose application is also more restricted. Automated restructuring of existing networks is not inc1uded in our case studies. as no corresponding reliable product is commercially available for general use. Finally, three complex examples demonstrate the most relevant advantages ane realism ofthe proposed method, compared to the traditional one (when applicable), as wel as its wider (or unrestricted) applicability / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Roger Josef Zemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T18:17:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valente_BrunoSelimAvian_M.pdf: 588713 bytes, checksum: 01c679f3515305f57994ddc3e8057bb5 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A abordagem tradicional da estimativa da área no procedimento de síntese de redes de trocadores de calor exige a escolha de um conjunto típico de coeficientes de transferência de calor. Uma vez obtida a topologia da rede de trocadores de calor, o projeto detalhado dos trocadores pode exigir a consideração de restrições nas quedas da pressão disponíveis, alterando os valores dos coeficientes de transferência de calor utilizados inicialmente na avaliação da rede e invalidando a otimização econômica da mesma. Com isso tem-se um aumento nos custos de projeto tanto na parte construtiva como na forma de bombas e/ou compressores do processo. Esta dissertação tem como finalidade elaborar uma nova abordagem que possibilite estimar a área de troca térmica a partir de uma relação entre quedas de pressão e coeficientes de transferência de calor no lado do casco e dos tubos. Assim, partindo das quedas de pressão permitidas das correntes pode-se estimar a área e os coeficientes de transferência de calor de um trocador de calor, munido de dados de processo como carga térmica, temperaturas, propriedades físicas e quedas de pressão no lado do casco e dos tubos, e possibilitando uma análise econômica mais correta da rede de trocadores de calor. Os métodos já disponíveis para esta finalidade possuem limitações uma vez que são baseados no método de Kern, que inclui severas simplificações no seu modelo, e o de Bell, que utiliza equações empíricas dependentes de aspectos geométricos. O procedimento de análise de trocadores de calor tipo casco e tubos de Wills & Johnston, utilizado neste trabalho, é uma alternativa bastante viável para este tipo de problema por ser considerado teoricamente mais preciso, baseando-se em equações hidráulicas para o cálculo da queda de pressão no lado do casco considerando os diversos caminhos do fluido no interior do casco / Abstract: In the traditional approach of heat exchanger network synthesis the procedure for area targeting requires de choice of a set of typical heat transfer coefficients. After the heat exchanger network structure has been defined the individual exchangers are design. However, due to pressure drop restrictions the final heat exchanger design might require heat transfer coefficients that are very different from the one originally chosen, leading to increased exchanger area and increased capital cost. This work aims to develop a new that allows the estimate of a correct set of heat transfer coefficients and exchanger area based on available pressure drops. The propose procedure allows for the estimate of heat transfer coefficients and area based on the available pressure drops. Methods already available for this purpose show limitations: the method of Kern includes severe simplifications while the method of Bell uses empirical equations dependent on geometric aspects. The method of Wills & Johnston, used in the present work, is a very feasible alternative for this type of problem as it is based on the pressure drop of the different fluid paths inside the shell side of the exchanger / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química