[pt] O trabalho analisa a transferência de calor no escoamento de fluidos não-newtonianos através de uma contração abrupta circular de razão 4:1, com temperatura prescrita nas paredes sólidas. O escoamento de fluidos elásticos nesta geometria apresenta uma região de recirculação bem maior que no caso de fluidos Newtonianos. Esta alteração no padrão do escoamento altera significativamente o processo de transferência de calor. O escoamento representa uma boa modelagem do processo de extrusão de líquidos poliméricos. Resolvem-se as equações de conservação de momentum e energia desacopladamente, já que foi adotadas a hipótese de não variação das propriedades do fluido com a temperatura. A relação tensão – taxa de deformação foi feita através de dois modelos constitutivos, Newtoniano generalizado e Maxwell convectado. A hipótese de escoamento lento não foi adotada, como é usualmente feito na literatura da área. Deste modo, analisa-se separadamente a influencia dos efeitos elásticos e inerciais. As equações diferenciais foram integradas numericamente pelo método dos volumes finitos e o aclopamento velocidade\ pressão foi feito através do algoritmo SIMPLE. Pelos resultados obtidos, observa-se a importância da modelagem não newtoniana e da inclusão dos termos inerciais no estudo do escoamento e da transferência de calor no processo de extrusão de polímeros. / [en] It is well known that the flow of a non-Newtonian fluid through a sudden contraction exhibits a vortex in the corner region bigger than the one observed in the corresponding flow of a Newtonian Fluid. This change of pattern of the flow affects significantly the heat transfer at the wall. It was investigated the case og a a 4:1 circular contraction, with uniform temperature distrubuition at the solid walls. This problem represents a first approach for the analysis of the polymeric liquids extrusion process. The flow and temperature field have been obtained from the numerical integration of the conservation equations. To account for the flow dependence of the stress tensor, a generalized Newtonian model and a convected Maxwell model have been employed. The creeping flow hypothesis has not been adopted, so it was possible to analyse the elastic effects and the inertial effects separately. The nuemerical solution have been obtained via a finite-volume method. The results show the importance of the non-Newtonian modeling and of the inclusion of inertial terms in the study of the flow and beat transfer in the polymeric liquids extrusion process.

[pt] Na presente tese, a equação de energia é resolvida para uma tira de aço bi-dimensional que se move com velocidade constante através de um forno contínuo e é submetida a várias condições diferentes de radiação de convecção. As equações de discretização foram obtidas utilizando a técnica de diferenças finitas com enfoque em volume de controle. O conjunto destas equações indicou os sete parâmetros adimensionais do problema. Por se tratar de uma equação elíptica, a solução foi inicialmente encaminhada para a determinação dos comprimentos de tira antes e após o forno, além dos quais desapareceria o efeito da condução de calor axial no interior da tira. Os resultados mostraram a possibilidade de substituição da condição de contorno após o forno, passando-se então a considerar uma seção transversal da tira situada próxima à saída do forno. A nova condição de contorno foi estabelecida por um balanço de fluxos de calor por condução, convecção e emissão radiativa na referida seção da tira. A partir da análise de influência de cada parâmetro adimensional sobre a distribuição e temperatura da tira, foram selecionados como mais importantes o número de Peclet relativo à taxa de produção do forno, o parâmetro de radiação incidente relativo ao consumo de combustível e parâmetro geométrico que exprime a razão entre as dimensões da tira. Uma análise da eficiência na transferência de calor foi então realizada, avaliando os citados parâmetros diante dos requisitos de obtenção de uma determinada temperatura média da tira e de uma elevada homogeneidade de temperatura em sua reação transversal localizada próxima à saída do forno. Ao promover-se a divisão do forno em três zonas e a adoção de diferentes fluxos de radiação incidente, foi possível simular situações operacionais típicas que ocorrem nos fornos de reaquecimento de placas de uma usina siderúrgica e efetuar comparações com dados disponíveis em literatura. / [en] In the present thesis the energy equation is solved for the temperature distribution in a two dimensional steel strip, which moves with Constant velocity through a furnace and is submited to several different radiation and convection fluxes. Steady state conditions are supposed to exist, if the reference frame is attached to the furnace walls. Thus, one more term arises in the energy equation to take into account the strip movement. The non-linearity of the problem is restricted to the radiation boundary conditions. The discretized algebraic equations are set up, utilizing a finite difference, scheme with the control volume approach. The complete set of equations has shown that there are seven non-dimensional parameters to be specified. Due to the elliptic nature of the equation, it was stabilished that at some distance before and after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace could be substituted, taking a section of the strip closer to the furnace outlet and simply stating the heat flux balance in terms of conduction, convection and radiant emission, considering that this is an end of the strip. Examining the resultant temperature profiles and the heat exchanged by the strip, the influence of each non-dimensional parameter was investigated. Three of them are believed to be the more important: the péciét number related to the furnace rate of production, the incident radiation parameter related to the rate of fuel consumption and the geometrical aspect ratio of the strip. A thermal abalysis of the furnace was then carried out, in order to achieve prescribed data on averade temperature of the strip at the furnace outlet, degree od temperature homogenelty in the strip and heat transfer efficiency. To make a more realistic simulation of the furnace, it was also subdivided into three cones of different incident radiation fluxes and then typical operational situations could be reproduced, as they usually occur in slab reheating furnaces. These simulations were compared with data available in the literature, showing a reasonable qualitative accordance with them.

[pt] Investigou-se teórica e experimentalmente o comportamento dos equipamentos de transferência de calor e massa conhecidos como Torre de Resfriamento e Lavador de Ar. Para a torre, analisa-se um modelo de simulação, a partir de equações diferenciais ordinárias obtidas através de balanços de energia e massa em um elemento infinitesimal de volume, baseado em propriedades uniformes em uma mesma seção transversal, sendo, portanto unidimensional. O sistema resultante é resolvido numericamente. Já para o lavador de Ar, obtem-se, através dos mesmos balanços juntamente com a hipótese de temperatura da água constante, uma solução analítica. Montou-se, com o intuito de validação do modelo, um sistema experimental onde os parâmetros de interesse pudessem ser medidos e desta forma comparados com os resultados numéricos. A concordância entre valores foi bastante boa, para a faixa investigada. Este mesmo sistema permitiu que se obtivessem dados reais a respeito da operação tanto da torre como do lavador, e como consequência a determinação do produto coeficiente de transferência de massa pela área de troca (Hd Av), para cada caso. Finalmente, apresentam-se correlações para o cálculo deste parâmetro como função das vazões de ar e da área da seção transversal, as quais podem ser utilizadas em projetos futuros destes equipamentos. / [en] In the present work the cooling tower and the Air Washer were investigated, experimentally and theoretically. The one-dimensional model developed to simulate the cooling tower operation was based on mass and energy balances written for a differential colume. The resulting system of differential equations was solved numerically. For the Air Washer, the energy and mass balances, incorporating the assumption of constant water temperature, led to a system of equations wich was solved analytically. The experiments conducted were aimed at validating the models developed. The experimental results obtained were in very good agreement with the predictions, within the range of parameters investigated. Correlations were developed relating average mass transfer coefficient for the equipments with the water and air flow rates.

[pt] O presente trabalho investigou numericamente e experimentalmente as características de transferência de calor e queda de pressão de um escoamento espiralado, turbulento, de caindo através de um duto retangular de elevada razão de aspecto. A condição de escoamento espiralado na estrada do duto foi obtida por meio de tubos paralelos contendo fitas torcidas de modo a produzir vórtices girando em sentidos opostos, dois a dois. Coeficientes de transferência de calor locais e médios foram determinados através da utilização da técnica de sublimação de naftaleno em conjunto com a anologia entre processos de transferência de calor e massa. Os valores locais foram medidos sobre toda a superfície ativa do duto, com o auxílio de uma mesa de coordenadas controlada por microcomputador. Resultados para os coeficientes transferência de calor e da queda de pressão foram obtidas para três valores do número de Reynolds do duto e para três valores da intensidade do escoamento espiralado, dados pela utilização de fitas torcidas com diferentes relações de passo/diâmetro. Para posições axiais próximas da entrada do duto, os resultados revelaram altas taxas de aumento na transferência de calor, relativamente ao caso base, representado por escoamento turbulento sem a imposição do escoamento espiralado. Os resultados para a queda de pressão demonstraram que a presença da componente tangencial da velocidade do escoamento espiralado imposto reduziu os efeitos de recuperação de pressão existentes na região de entrada de dutos com entrada abrupta. Foi também verificado que o comprimento de desenvolvimento hidrodinâmico do escoamento aumenta com a intensidade do escoamento espiralado. As equações de conservação de massa , movimento linear e energia, incorporadndo o modelo de turbulência K – E foram resolvidas numericamente para a configuração em estudo. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentos, permitindo a / [en] The presente work investigated experimentally and numerically the heat transfer and pressure drop characteristics of turbulent decaying swirl flows through a rectangular duct of high aspect ratio. The swirl flow inlet condition was obtained by a set of parallel tubes with twisted-tape inserts wich produced pairs of counterrotating vortices. Local and average heat transfer coefficients were determined by the utilization of the naphthalene sublimation technique in conjunction with the analogy between heat and mass transfer. Local result were obtained along the whole active surface of the duct, utilizing a computer-assisted coordinate table and depth gage. The study encompassed the investigation of the local and average heat transfer coefficient distribution and pressure drop, for three values of the duct Reynolds number, and for three values of the swirl intensity given by different tape pitch-to-diameter rations. The results showed regions of high heat transfer augmentation situated close to the entrance of the duct, when compared to the base case results characterized by turbulent flow through a duct without the swirl flow inlet condition. The pressure drop results demonstrated that the presence of the tangencial velocity component of the imposed swirl flow was seen to reduce the pressure recover effect present in sharp-edged entrance ducts. It was also verifyied that the hydroninamic developing length increases with the intensity of the swirl flow. The equations governing conservation of mass, linear momentum and energy were solved numerically for the configuration investigated. The K-E turbulence model was employed. The numerical results displayed good agreement with the experiments and provided additional information related to velocity and temperature fields which complemented the experimental program.

[pt] Este trabalho visa a modelagem de um processo convectivo de transferência de calor entre vapor de água e óleo. Estudam-se as diversas possibilidades de solução do sistema de equações diferenciais a derivadas parciais com coeficientes variáveis com o tempo, concluindo-se que o método de discretização no espaço é o de maior eficácia no caso presente. Uma vez obtido o modelo teórico aplica-se o método do modelo para a identificação dos parâmetros mediante técnicas de simulação no CSMP do computador IBM-1130. / [en] This work is concerned with the modeling of a convective heat transfer process between steam and oil. By studying the different ways of solution of two simultaneous partial differential equations with time dependent parameters, it is concluded that to lump the equations with respect to the spacial coordinates is the most useful method in the present exemple. Once the theoretical model is obtained, the model method is used to identify the parameters with the CSMP in the IBM-1130 computer.

La industria peruana ha prestado poca atención, a pesar de la relación directa entre el ahorro energético y ahorro económico. El diseño de este dispositivo no solamente tiene como fin la validación de valores para diferentes materiales usados en edificación, sino también puede ayudar a la investigación nuevos materiales, por ejemplo, compuestos de las cuales se quiera saber su comportamiento térmico. Siendo el propósito de la presente tesis, en el área de energía, diseño y selección de los componentes de un dispositivo de acuerdo a la norma ASTM C1043 que permita ensayar materiales usados en edificación para la obtención de las propiedades térmicas, siendo la más conocida la conductividad térmica. Se considera en el diseño la colocación de dos muestras de hasta 30 kg. El diseño se realizó según la metodología de diseño DIN VDI 2221, la norma base usada para el desarrollo de la presente tesis ASTM C1043 y la norma general de la cual se desprende ésta última que es la norma ASTM C177. Así también, para los casos donde no se tenía información alguna en las nomas antes mencionadas, se hizo uso de la norma UNE EN 12664. Por otra parte, se consideró los conocimientos en diseño mecánico como elementos de máquinas, transferencia de calor y resistencia de materiales; además, de conocimiento de manufactura disponible en el mercado peruano, utilización de programas CAD y simulación por el método de elementos finitos. Al final, se obtuvo el diseño del dispositivo que base su principio en el método de la placa caliente con guarda para dos muestras cuyo rango de funcionamiento va desde la temperatura de ambiente (23°C) hasta 65°C aproximadamente según norma, y con dimensiones generales de la máquina de 400x400x552 milímetros de largo, ancho y alto respectivamente. El presupuesto final del equipo es de S/. 22280 Nuevos Soles.

En la presente tesis se realiza la simulación numérica del comportamiento de un intercambiador de calor de flujo cruzado o transversal aleteado. En primer lugar se procedió a describir este tipo de intercambiador de calor, así como algunos ámbitos de su aplicación. Luego, se presentan las correlaciones analíticas a utilizarse para el cálculo de la capacidad de transferencia de calor de este tipo de intercambiadores de calor. Después, se procedió a establecer el modelo computacional del intercambiador previamente mencionado, tomando en cuenta sus características físicas así como sus condiciones de funcionamiento. Posteriormente, se procedió a hacer la simulación del modelo computacional planteado, obteniéndose tanto la variación de las propiedades del flujo de aire a lo largo del intercambiador de calor como la distribución de temperaturas en las aletas y tubos que lo componen. Los resultados de la capacidad del intercambiador de calor obtenidos a través de la simulación arrojaron una variación alrededor del 11% respecto a los datos brindados por el fabricante y de 4.5% respecto a la capacidad calculada analíticamente. Además, se obtuvieron las tasas de transferencia de calor que presenta el intercambiador en diferentes zonas, lo cual nos sirve como un punto de partida para una futura optimización del equipo.

La tesis busca diseñar, fabricar y probar un dispositivo que permita calentar agua con leña, para satisfacer las necesidades de pobladores ubicados en las zonas más frías de nuestro territorio. Disponer de este dispositivo permitirá disminuir la falta de higiene de estos pobladores, atacará el problema de salud que se origina por la inhalación de gases de combustión que se desprenden al usar la leña como elemento portador de energía. En este trabajo de tesis se explica la metodología de diseño conceptual, el diseño cumple con una lista de exigencias y deseos que sirven como parámetros en busca del prototipo ideal, se analiza la estructura de funcionamiento y se descompone en sus elementos esenciales, los cuales a través de una matriz morfológica encuentran de forma rápida y creativa soluciones a sus problemas. La tesis cuenta con instrucciones de fabricación que permiten construirla de forma sencilla, tiene una breve descripción de las partes del calentador de agua, también cuenta con parámetros de soldadura, prueba hidrostática y evaluación económica. La máquina es un calentador de agua de forma cilíndrica, que por medio de la transferencia de calor que se produce entre el agua, las paredes del cilindro y la cámara de combustión donde se quema la leña, el agua eleva su temperatura. El calentador es versátil sirve también para calentar bañeras, piscinas o jacuzzis pues al elevar la temperatura del agua, esta circula por el calentador por medio del efecto físico que se produce al cambiar su densidad. (Efecto Termosifón) El dispositivo es seguro, tiene una eficiencia del 33.74% la cual es muy alta para este tipo de máquinas. El tiro de la chimenea minimiza la emisión de gases de combustión al ambiente, contribuyendo a disminuir las enfermedades que se originan por aspiración de gases contaminantes. En la actualidad no se disponen comercialmente de este tipo de máquinas en nuestro país, mucho menos hechas con materiales reciclados, este diseño logrará un impacto positivo al despertar la curiosidad por la inventiva en las personas demandantes de tecnología, al ver que en su mayoría el calentador esta hecho de materiales de segundo uso y que puede ser desarrollado por ellos.

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m.

El presente trabajo de investigación busca satisfacer la demanda de agua caliente para uso domestico de las poblaciones de sectores rurales y urbano marginales de nuestro país. El equipo a diseñar permitirá calcular el agua aprovechando exclusivamente la energía calorífica que se pierde en el proceso de cocción de los alimentos en cocinas de leña o bosta. sin tener costos adicionales por dicho beneficio. El agua caliente que produce el equipo podrá ser utilizada por el poblador en su aseo personal, así mismo en la limpieza de artículos de cocina, prendas de vestir y otros artículos de uso diario. Para realizar el diseño se analizaron varias propuestas eligiendo a la mas eficiente, usando el método generalizado de diseño. Luego se realizaron los cálculos (le transferencia de calor para obtener las medidas óptimas del intercambiador de calor y los espesores del aislante del tanque de almacenamiento. Después se construyó un prototipo que fue instalado en las instalaciones del de Grupo de Apoyo al Sector Rural de la Pontificia Universidad Católica del Perú, donde se comprobó que el sistema funcione adecuadamente, sobre este prototipo se realizaron diversa pruebas donde se incluyeron algunas mejoras posteriores. Luego de realizar la investigación y estudio sobre este proceso, el equipo es capaz de calentar aproximadamente 75 litros de agua al día desde los 23°C hasta los 55 °C, aprovechando solamente la energía calorífica perdida en el proceso de cocción en cocinas a leña o bosta tradicionales, se aprovechó el fenómeno de termosifón para la elevación del agua caliente hacia un tanque ubicado en la parte superior de la cocinar El prototipo instalado cumplió con las exigencias planteadas al inicio, siendo un equipo de bajo costo, capaz de ser construido por personas de escasos recursos, de fácil fabricación y los materiales usados se encuentran disponibles en el mercado nacional.