O objetivo da presente pesquisa é analisar o desempenho termo-hidráulico do lado do ar de trocadores de calor tubo-aletados. Uma pesquisa da literatura foi executada em duas áreas diferentes: desempenho termo-hidráulico e seleção de superfície, feita por comparações de desempenho, para otimizar o projeto de trocadores de calor. O impulso principal da pesquisa esteve na avaliação experimental de dez serpentinas para investigar o efeito dos seguintes parâmetros sobre o desempenho do lado do ar: número de fileiras de tubos, densidade de aletas, superfície interna dos tubos e superfície da aleta (corrugada ou janelada). Os experimentos foram executados com água quente escoando internamente aos tubos em uma bancada de testes equipada com controladores que permitiram o controle exato e a medição das condições do ar e da água. As comparações com dados disponíveis na literatura para condições semelhantes revelaram que as tendências dos resultados presentes são coerentes e adequadas. Os resultados de transferência de calor e perda de carga da presente investigação não são adequadamente correlacionados por equações da literatura, sendo os desvios atribuíveis a diferenças na geometria das aletas. Finalmente, um procedimento de seleção de superfície para as aletas foi testado baseado em uma relação entre o índice de transferência de calor e a potência de bombeando. A superfície que obteve melhor desempenho entre as testadas foi a aleta janelada numa serpentina de quatro fileiras de tubos / The aim of the present research was to analyze the termo-hidraulic performance of the air side of plate-fin-and-tube heat exchangers. A literature survey has been carried out in two different areas: thermo-hidraulic performance and surface selection, done by performance comparisons, to optimize heat exchangers design. The main thrust of the research has been in the experimental evaluation of ten coils in order to investigate the effect of the following parameters over the air side performance: number of tube rows, fin density, tubes internal surface and surface fins (wavy or louvered). Experiments have been carried out with warm water as the tube fluid in a test bench with control capabilities which allowed the accurate control and measurement of air and water conditions. Comparisons with data available in the literature for similar conditions have revealed that the trends of the present results are consistent and adequate. Heat transfer and pressure drop results of the present investigation are not adequately correlated by equations from literature, deviations being attributable to differences in the geometry of the fins. Finally, a procedure for fin surface selection has been tested based on the ratio between the heat transfer rate and the pumping power. The best performing surface among the ones tested was the louver fin in a four tube row coil

O objetivo da presente pesquisa é analisar o desempenho termo-hidráulico do lado do ar de trocadores de calor tubo-aletados. Uma pesquisa da literatura foi executada em duas áreas diferentes: desempenho termo-hidráulico e seleção de superfície, feita por comparações de desempenho, para otimizar o projeto de trocadores de calor. O impulso principal da pesquisa esteve na avaliação experimental de dez serpentinas para investigar o efeito dos seguintes parâmetros sobre o desempenho do lado do ar: número de fileiras de tubos, densidade de aletas, superfície interna dos tubos e superfície da aleta (corrugada ou janelada). Os experimentos foram executados com água quente escoando internamente aos tubos em uma bancada de testes equipada com controladores que permitiram o controle exato e a medição das condições do ar e da água. As comparações com dados disponíveis na literatura para condições semelhantes revelaram que as tendências dos resultados presentes são coerentes e adequadas. Os resultados de transferência de calor e perda de carga da presente investigação não são adequadamente correlacionados por equações da literatura, sendo os desvios atribuíveis a diferenças na geometria das aletas. Finalmente, um procedimento de seleção de superfície para as aletas foi testado baseado em uma relação entre o índice de transferência de calor e a potência de bombeando. A superfície que obteve melhor desempenho entre as testadas foi a aleta janelada numa serpentina de quatro fileiras de tubos / The aim of the present research was to analyze the termo-hidraulic performance of the air side of plate-fin-and-tube heat exchangers. A literature survey has been carried out in two different areas: thermo-hidraulic performance and surface selection, done by performance comparisons, to optimize heat exchangers design. The main thrust of the research has been in the experimental evaluation of ten coils in order to investigate the effect of the following parameters over the air side performance: number of tube rows, fin density, tubes internal surface and surface fins (wavy or louvered). Experiments have been carried out with warm water as the tube fluid in a test bench with control capabilities which allowed the accurate control and measurement of air and water conditions. Comparisons with data available in the literature for similar conditions have revealed that the trends of the present results are consistent and adequate. Heat transfer and pressure drop results of the present investigation are not adequately correlated by equations from literature, deviations being attributable to differences in the geometry of the fins. Finally, a procedure for fin surface selection has been tested based on the ratio between the heat transfer rate and the pumping power. The best performing surface among the ones tested was the louver fin in a four tube row coil

As crescentes exigências sobre o desempenho de sistemas de bombeamento multifásico combinadas aos aspectos relacionados com a maior disponibilidade operacional desses sistemas, bem como as futuras condições de funcionamento atingindo pressões perto de 150 bar, destacam a importância de desenvolver modelos matemáticos precisos para prever o comportamento do desempenho nestes equipamentos. Nesta tese foi aperfeiçoado o modelo termo-hidráulico de uma bomba multifásica de tipo duplo parafuso desenvolvido por Nakashima (2005) e foram incluídos os efeitos da abertura gradual da última câmara, recirculação de líquido entre a sucção e descarga, transferência de calor através do liner e expansão térmica. Uma vez fornecidos os dados geométricos da bomba e as suas condições de operação, é possível calcular os parâmetros de desempenho mais importantes, como: eficiência volumétrica, vazão de sucção e refluxo, potência consumida e distribuição de pressão e temperatura. As equações implementadas foram desenvolvidas a partir dos balanços de massa e energia nas câmaras, tendo em conta a geometria da bomba e a variação das fendas durante sua operação. As rotinas e métodos necessários para a sua solução numérica foram implementadas utilizando programação orientada a objetos (C++). Os resultados fornecidos pelo modelo aperfeiçoado foram comparados com dados experimentais da literatura e uma boa concordância foi encontrada na faixa de até 95 % FVG, nos casos estudados, para bombas com e sem tecnologia de recirculação. Devido à complexidade dos fenômenos físicos envolvidos durante a operação da bomba, o impacto de cada um dos efeitos incorporados nos cálculos do modelo foi avaliado e discutido individualmente. Assim, foi demonstrada a grande influencia da recirculação, da abertura gradual da câmara de descarga e da expansão térmica nos cálculos dos parâmetros de operação mais importantes da bomba. Além disso, a transferência de calor pode ser considerada desprezível, já que seu valor é baixo quando comparado com a potência fornecida pela bomba e, portanto, não influencia os balanços de energia que determinam os estados termodinâmicos das câmaras. No entanto, esse efeito é necessário para calcular a distribuição de temperatura da bomba e a expansão térmica nos parafusos e no liner. / The increasing requirements about the performance of multiphase pumping systems combined with those related to a higher operational availability of such systems, as well as future operating conditions with pressure increase at about 150 bar, highlights the importance of developing accurate mathematical models to predict the performance behavior of these equipments. In this thesis it was improved the thermo-hydraulic behavior of a twin screw multiphase pump developed by Nakashima (2005), and were included the effects of the gradual opening of the last chamber, fluid recirculation between suction and discharge of the pump, heat transfer though the liner, thermal expansion and different working fluids (water-air and oil-gas). Giving pump geometry and operational conditions, it is possible to calculate the most important pump parameters performance, such as, volumetric efficiency, suction flow, back-flow, power consumption and pressure and temperature distribution. The model equations were developed based on mass and energy balances in the chambers taking into account the pump geometry and the clearance variation due to operation. Its implementation was made in C++. The results obtained by the new model were compared with experimental data of the bibliography, and a good accuracy was found in it with values till 95% GVF for the studied cases, with and without recirculation technology. Due to the physical phenomenon complexity related with the pump operation, the impact of each effect in the model calculations was evaluated and discussed separately. So, it was demonstrated the importance of the recirculation, the gradual opening of the last chamber and the thermal expansion in the calculation of the most important pump operation parameters. However, the heat transfer can be neglected, because its value is very low when compared with the pump power supply, and therefore, it does not influence the energy balances that determine thermodynamic state in the chambers. However, this effect is necessary to calculate the temperature distribution along the pump and the thermal expansion in the screws and the liner.

As crescentes exigências sobre o desempenho de sistemas de bombeamento multifásico combinadas aos aspectos relacionados com a maior disponibilidade operacional desses sistemas, bem como as futuras condições de funcionamento atingindo pressões perto de 150 bar, destacam a importância de desenvolver modelos matemáticos precisos para prever o comportamento do desempenho nestes equipamentos. Nesta tese foi aperfeiçoado o modelo termo-hidráulico de uma bomba multifásica de tipo duplo parafuso desenvolvido por Nakashima (2005) e foram incluídos os efeitos da abertura gradual da última câmara, recirculação de líquido entre a sucção e descarga, transferência de calor através do liner e expansão térmica. Uma vez fornecidos os dados geométricos da bomba e as suas condições de operação, é possível calcular os parâmetros de desempenho mais importantes, como: eficiência volumétrica, vazão de sucção e refluxo, potência consumida e distribuição de pressão e temperatura. As equações implementadas foram desenvolvidas a partir dos balanços de massa e energia nas câmaras, tendo em conta a geometria da bomba e a variação das fendas durante sua operação. As rotinas e métodos necessários para a sua solução numérica foram implementadas utilizando programação orientada a objetos (C++). Os resultados fornecidos pelo modelo aperfeiçoado foram comparados com dados experimentais da literatura e uma boa concordância foi encontrada na faixa de até 95 % FVG, nos casos estudados, para bombas com e sem tecnologia de recirculação. Devido à complexidade dos fenômenos físicos envolvidos durante a operação da bomba, o impacto de cada um dos efeitos incorporados nos cálculos do modelo foi avaliado e discutido individualmente. Assim, foi demonstrada a grande influencia da recirculação, da abertura gradual da câmara de descarga e da expansão térmica nos cálculos dos parâmetros de operação mais importantes da bomba. Além disso, a transferência de calor pode ser considerada desprezível, já que seu valor é baixo quando comparado com a potência fornecida pela bomba e, portanto, não influencia os balanços de energia que determinam os estados termodinâmicos das câmaras. No entanto, esse efeito é necessário para calcular a distribuição de temperatura da bomba e a expansão térmica nos parafusos e no liner. / The increasing requirements about the performance of multiphase pumping systems combined with those related to a higher operational availability of such systems, as well as future operating conditions with pressure increase at about 150 bar, highlights the importance of developing accurate mathematical models to predict the performance behavior of these equipments. In this thesis it was improved the thermo-hydraulic behavior of a twin screw multiphase pump developed by Nakashima (2005), and were included the effects of the gradual opening of the last chamber, fluid recirculation between suction and discharge of the pump, heat transfer though the liner, thermal expansion and different working fluids (water-air and oil-gas). Giving pump geometry and operational conditions, it is possible to calculate the most important pump parameters performance, such as, volumetric efficiency, suction flow, back-flow, power consumption and pressure and temperature distribution. The model equations were developed based on mass and energy balances in the chambers taking into account the pump geometry and the clearance variation due to operation. Its implementation was made in C++. The results obtained by the new model were compared with experimental data of the bibliography, and a good accuracy was found in it with values till 95% GVF for the studied cases, with and without recirculation technology. Due to the physical phenomenon complexity related with the pump operation, the impact of each effect in the model calculations was evaluated and discussed separately. So, it was demonstrated the importance of the recirculation, the gradual opening of the last chamber and the thermal expansion in the calculation of the most important pump operation parameters. However, the heat transfer can be neglected, because its value is very low when compared with the pump power supply, and therefore, it does not influence the energy balances that determine thermodynamic state in the chambers. However, this effect is necessary to calculate the temperature distribution along the pump and the thermal expansion in the screws and the liner.