[pt] Este trabalho prossegue a investigação sobre convecção forçada com ebulição de película em tubos verticais, na qual o regime de escoamento consiste de gotículas de líquido dispersas em vapor superaquecido. Um procedimento de cálculos já existe (baseado em um tamanho único médio de gota que sofre colapso e evapora ao longo do tubo) para determinar os fenômenos cinéticos e de transferência de calor. O principal objetivo do presente trabalho é introduzir uma mais realista distribuição nos tamanhos de gota no procedimento de cálculo com o intuito de determinar a validade do uso do tamanho único de gota para representar a real distribuição. Dados experimentais já existentes para ebulição de película de nitrogênio (70.00 menor do que G menor do que 190.000 ibm/hr/ft2 e 5.000 menor do que q / A menor do que 25.000 Btu/hr/ft2 em tubos de diâmetro interno de 0.228 menor do que D menor do que 0.462 polegadas e 8 pés de comprimento) foram usados no desenvolvimento do modelo analítico tanto para o estudo com tamanho único de gota como para tamanho múltiplo de gota. Para tamanho múltiplo de gota, o critério do número de Weber foi utilizado para prever o colapso da gota que se divide em 9 gotas menores de vários tamanhos. Os resultados do estudo com tamanho múltiplo de gota forneceram resultados semelhantes aos com tamanho único de gota, indicando de gota para descrever o fenômeno da ebulição de película com escoamento disperso. Também está incluída uma compilação de propriedade do nitrogênio, necessárias para os estudos deste trabalho. / [en] This work further investigates forced convection film boiling in vertical tubes, in whitch the flow regime consist of dispersed liquid droplets in a superheated vapor. Calculation procedures already exist (based on a single average size droplet that breaks up and evaporates as it flows along tube) for determining the kinetic and heat transfer phenomenas. The principal objective of the present work is to introduce a more realistic distribution of droplet in a superheated vapor. Calculation procedure already axist (based on a single average size droplet that braks up and evaporates as it flows along tube) for determining the kinetic and heat transfer phenomenas. The principal objective of the present work is to introduce a more realistic distribution of droplet sizes into the calculation procedure in order to determine the validity of using a single droplet size to represent a real distribution. Previous experimental data for film boiling of nitrogen (70.000 less than G less than 190.00 lbm/hr/ft2 and 50.000 less than q/As25.000 btu/br/ft2 in tubes of 0.22 less than D less than 0.462 inch diameter and 8 feer long) were usad in developing analytical models for both the single droplet size and multiple droplet size studies. For the multiple droplet size distribution, a critical Weber number was utilized to predict the breakup of a droplet into approximately 9 smaller droplets of various sizes. The results of the multiple droplets of various sizes. The results of the multiple droplet study compare well with those of the single droplet studies, thus indicating the validity of using the single droplet size model for predicting phenomena in dispersed flow boiling.

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. / Tesis

No presente trabalho avalia-se o comportamento da difusão e da convecção natural em sistemas térmicos que possuem armazenadores de calor, como os que envolvem coletores solares ligados a reservatórios de água quente. Através da solução das equações diferenciais que regem o problema, obtém-se os campos de velocidade e temperatura no interior destes armazenadores. Este último, especialmente, é importante para a determinação da performance térmica de todo o sistema. A intensidade da estratificação térmica depende do fluxo de entrada e saída de água no reservatório, da sua razão de aspecto, da posição da resistência elétrica de apoio, se ela existir, da espessura e difusividade térmica da parede e da espessura e material do isolamento térmico. A perda de calor para o meio ambiente causa um fluxo de líquido descendente, junto às paredes do reservatório, incorrendo em camadas limites hidrodinânlica e térmica. Além do papel destas camadas limites, também investiga-se a importância relativa da difusão de calor através da parede metálica do armazenador, na sua direção axial (altura). Não são investigados neste trabalho os efeitos de entrada e saída do líquido do armazenador, e também as correntes convectivas originadas do suprimento de calor por resistência elétrica. As equações da energia e do movimento são resolvidas de forma acoplada, em coordenadas cilíndricas axissimétricas, em regime transiente, empregando o Método dos Volumes Finitos. / In the present work the diffusion behavior as well as the natural convection in thermal systems that possess heat reservoirs, like the ones that involve solar collectors connected to hot water reservoirs, have been evaluated. Through the solution of the differential equations that describe the problem, the velocity fields and the internal temperature of these tanks have been obtained. The last one is specially important for the determination of the thermal performance of the whole system. Intensity of the thermal stratification depends on the entrance and exit water flow in the reservoir, on the tanks aspect ratio, on the position support of the electrical resistance, if it exists, on the thickness and thermal diffusion of the wall and on the material of thermal insulation. The loss of heat for the environment brings about a descending liquid flow, next to the walls of the reservoir, ending up by creating hidrodynamic and thermal boundary layers. Besides the role of these boundary layers, the relative importance o f the heat diffusion through the metallic wall of the reservoir in its axial direction (height), also has been investigated. The effects of the entrance and exit of liquid in the reservoir, as well as the convective currents originated from the heat supplied by electric resistance have not been investigated. The energy and moment equations are solved in a coupled way, in axissimetrical cilyndrical coordinates, in transient regime, employing a Finite Volume Method.

O sistema agroindustrial da soja é uma atividade econômica fundamental na Região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, que contempla a produção de grãos e empresas fabricantes de secadores. Considerando os grandes volumes das colheitas e que praticamente toda a colheita de grãos, antes do armazenamento, é exposta ao processo de secagem, toda melhoria e aceleração nesse processo fornece um benefício econômico significativo. Essa economia justifica a pesquisa para o desenvolvimento e otimização de secadores, em que a aplicação da modelagem matemática e da simulação numérica são recursos essenciais. Nesta tese foram desenvolvidos um modelo matemático e um programa computacional para simular o processo de secagem de soja em secadores do tipo torre de coluna com fluxo contínuo e múltiplos estágios. Os processos de transferência de calor e de massa foram descritos por um sistema de quatro equações diferenciais parciais não-lineares, resolvido pelo método de MacCormack. Os termos-fonte destas equações foram definidos por equações auxiliares semiempíricas, obtidas através de dados experimentais em camada fina. Para obter os dados experimentais da dinâmica de secagem da soja em camada fina no campo de abrangência da temperatura do ar de secagem de 45 a 110 ºC, da velocidade do ar de secagem de 0 a 2,5 m/s, da umidade relativa do ar de secagem de 10 a 30% e do teor de umidade inicial do grão de 13 a 32% e validar o modelo foi desenvolvido um equipamento que permitiu a variação da umidade, temperatura e velocidade do ar. Os experimentos foram conduzidos em leito fixo. O modelo de secagem do grão com dois compartimentos foi escolhido para a representação da camada fina, pois o estudo experimental mostrou que o coeficiente de difusão médio depende da distribuição de umidade dentro do grão. Nesses compartimentos os coeficientes de secagem são diferentes e variam em função da temperatura. A comparação entre os resultados experimentais e as simulações em camada fina e camada espessa unidimensional apresentam concordância satisfatória, indicando diferenças relativas médias inferiores a 7%. Simulações foram realizadas para diferentes esquemas de secadores de fluxo contínuo, incluindo esquema para economia de energia com a recirculação do ar para o resfriamento e secagem de grãos. As simulações permitiram avaliar a eficiência energética de cada esquema, sendo que o reaproveitamento do calor do ar de recirculação provocou uma economia média de combustível entre 28,5 e 41%, e um rendimento da secagem entre 39,7 e 68%, dependendo do esquema de secador analisado. / The agroindustrial system of soybeans is an essential economic activity in the northwest region of Rio Grande do Sul, which includes the grain production and manufacturers of dryers. Considering the large volumes of crops and that practically every grain harvest, before storage, is exposed to drying process, every improvement and acceleration in this process provides a significant economic benefit. This economy justifies the research for the development and optimization of dryers, where the application of the mathematical modeling and numerical simulation are essential resources. In this thesis, a mathematical model and a computer program were developed to simulate the soybeans drying process in column dryers with continuous flow and multistage. The processes of heat and mass transfer were described by a system of four non-linear partial differential equations solved by the MacCormack method. The source terms of these equations were determined by auxiliary semi-empirical equations obtained from thin layer experimental data. To obtain the thin layer experimental data from drying soybean dynamics in temperature range from 45 to 110 ° C, velocity range from 0 to 2.5 m / s, air relative humidity 10 to 30%, grain moisture content from 13 to 32% and validate the model, an equipment which allowed the variation of humidity, temperature and air velocity was developed. The experiments were conducted in a fixed bed. The twocompartment grain drying model has been chosen to represent the thin layer, because the experimental study showed that the average diffusion coefficient depends on the distribution of moisture within the grain. In these compartments the drying coefficients are different and vary depending on the temperature. The comparison between experimental results and simulations on thin layer and unidimensional thick layer show satisfactory agreement, indicating average differences lower than 7%. Simulations were made for different schemes of continuous flow dryers, including energy saving scheme with recirculation of air for cooling and drying of grain. The simulations permitted to evaluate the energy efficiency of each scheme, and the reuse of heat from the recirculated air caused an average fuel economy of 28.5 and 41%, and a drying efficiency between 39.7 and 68%, depending on the chosen scheme.

Se propone un modelo general de amortiguador hidráulico (monotubo y de doble tubo) para automóvil tipo turismo a partir de las propiedades físicas y geométricas de las partes que lo componen con el fin de predecir el comportamiento mecánico y térmico del amortiguador a partir de unas condiciones de operación conocidas.Como resultado de la simulación, se determina la fuerza de amortiguamiento, los perfiles de temperaturas de los componentes y un análisis energético, en el cual se analiza la energía requerida para hacer el ciclo de trabajo, la energía disipada por el amortiguador hacia el exterior y la energía acumulada.Asimismo, a título informativo se realiza un estudio de la necesidad del uso de los amortiguadores dentro del sistema de suspensión del vehículo junto con un sistema de optimización.La contrastación experimental se efectúa mediante una máquina de ensayo de amortiguadores la cual, mediante sensores de posición y de fuerza, permite obtener la fuerza de amortiguamiento en frente de la velocidad y/o posición para un ciclo sinusoidal puro. / A general model of hydraulic shock absorber (monotube and twin tube) for automobiles based on the geometrical and physical properties of its components is described in order to predict the mechanical and thermal behaviour from a known working condition.Simulation calculates the damping force and the temperature fields of the shock absorber components as well as makes an energy analysis from which the energy required to do the working cycles, the shock absorber dissipated energy to the environment and the accumulated energy into the shock absorber are predicted.Additionally, the necessity of using the shock absorbers as part of the automobile suspension system and the optimization method is presented.The experimental validation is done by using a shock absorber testing machine which permits to obtain actual shock absorber force versus position nd/or speed for a sinusoidal working cycle by using both, a position and force sensors.

La Tesis en cuestión presenta un estudio sobre el comportamiento de la rigidez de una suspensión neumática, así como de los parámetros que la definen y/o afectan.El trabajo realizado propone un modelo capaz de predecir el comportamiento de una suspensión neumática ofreciendo una buena correlación con la experimentación y marcando el camino a seguir para controlar esta respuesta ante las perturbaciones externas.El análisis se ha centrado en dos suspensiones neumáticas de diferente configuración. Por un lado, una suspensión formada por una cámara de volumen variable en la que se estudia la influencia del movimiento del pistón en las evoluciones de la presión y de la temperatura. Por otra parte se analiza el comportamiento de una suspensión neumática formada por dos cámaras separadas por un orificio, el cuál tendrá una influencia determinante sobre la rigidez.Se demuestra la poca fiabilidad de la metodología clásica a la hora de estudiar la influencia de las irregularidades del terreno sobre la rigidez de las suspensiones a presiones elevadas, pese a su extensa utilización en el mundo de la ingeniería de automoción. Se ha desarrollado un modelo el que se tienen en cuenta los efectos no ideales del gas, mediante la resolución de la ecuación de Lee-Kesler.Han sido construidos dos bancos experimentales para el desarrollo de un modelo de diagnosis que define el coeficiente de transferencia de calor. Dicho modelo se ha contrastado frente a otras técnicas utilizadas en suspensiones neumáticas, obteniendo una mejora en la precisión.Los efectos del gas real también han sido analizados a la hora de caracterizar el flujo a través del orificio de separación de los recintos en la configuración de dos cámaras. Para dicho estudio, la utilización de la Norma Internacional ISO 6358 ha sido descartada, puesto que se basa en la hipótesis de gas perfecto. Para la realización del modelo ha sido necesario el desarrollo de un algoritmo capaz de definir el comportamiento del gas en la garganta de la tobera analizada. En este caso también ha sido necesaria la construcción de un banco experimental específico para desarrollar el modelo de diagnosis.Los submodelos descritos (resolución de la ecuación de estado, la caracterización del orificio y la evaluación de la transferencia de calor) han permitido construir un modelo de predicción capaz de anticipar el comportamiento de la suspensión neumática en función de las irregularidades del terreno. Estas perturbaciones externas han sido simuladas mediante un banco de pruebas para suspensiones.Una vez cotejados los resultados con la experimentación se asegura una buena correlación, tanto para el caso de una suspensión neumática de una única cámara como en el caso de la suspensión neumática de doble cámara. Finalmente se han dado las pautas para la construcción de un prototipo capaz de regular el comportamiento de la suspensión en función de las variables perturbadoras de entrada.El diseño de un mecanismo o artilugio equivalente capaz de regular el área eficaz de paso del flujo entre las dos cámaras se muestra como la llave para un control absoluto de la rigidez neumática de la suspensión. El mecanismo en cuestión ha de ser capaz de convertir la suspensión neumática en un elemento rígido que aísle a los pasajeros y a la masa suspendida de las irregularidades del terreno cuando la situación lo requiera. Del mismo modo, debe ser capaz de adaptar la suspensión a una característica mucho más suave para asegura el confort de sus ocupantes, siempre manteniendo el compromiso rigidez - suavidad, asegurando así una buena maniobrabilidad.El prototipo, además, podrá diseñarse en función de un rango de rigidez escogido a priori en relación al tipo de vehículo o condiciones a soportar. / A study about pneumatic suspension stiffness and its dependent parameters is presented in this PhD Thesis.It is performed a model which is able to predict the behaviour of a pneumatic suspension. Good correlation with experiments is achieved. It is also shown the way to control this behaviour in front of external forces.Analysis has been focused in two different configurations. First, a piston influence on gas pressure and temperature in a single chamber suspension has been studied. Then, it is analyzed a pneumatic suspension which is constituted by two chambers separated by an orifice. The orifice will have a definitive influence on suspension stiffness.It is shown poor classical approach accuracy to predict stiffness at high pressure conditions, although it has an extended use in vehicle engineering. A model which has in account nonideal gas effects has been developed. Lee-Kesler equation of state has been used.Two experimental units have been built to develop a diagnosis model which defines heat transfer coefficient. Model has been compared to other methods used in pneumatic suspension. An improved accuracy has been obtained.Real gas effects have been analyzed as well in flow through an orifice characterisation in two chambers configuration. International Standard ISO 6358 has been discarded because perfect gas hypothesis is used in the method. An algorithm which is able to define gas behaviour in the nozzle studied has been developed. For this case, to build another specific experimental unit which completes the diagnosis model has been an essential requirement. Submodels described above (equation of state determination, orifice characterisation and heat transfer evaluation) constitute a prediction model which is able to advance pneumatic suspension behaviour as a function of road irregularities. External forces have been simulated with suspensions special equipment.Once theory has been compared with experiments, good correlation is guaranteed for both sorts of suspensions, single and double chamber.Finally, prototype setup guide has been given. This unit must be able to control suspension behaviour versus input external forces.Design of a device capable of change effective pass area of the flow between the two chambers is the key for an absolute control of pneumatic suspension stiffness. Such an apparatus must transform vehicle suspension in a stiff part capable of isolate passenger and sprung mass from road irregularities when it is required. It must be able to give smoother behaviour to ensure occupants comfort as well, and always maintaining the ratio stiffness - smoothness to ensure a good handling.Prototype, in addition, could be designed for a determined stiffness range which could be chosen as a function of vehicle type and/or conditions to be supported.

[pt] O duto estudado era composto por duas laterais arco cilíndricas convexas isotérmicas de mesmo raio por uma base plana adiabática. Obteve-se os coeficientes de transporte de calor para convecção forçada em regime laminar deste canal. Para tanto, optou-se pelo emprego do método da analogia de transparência de massa e calor. A técnica recorrida foi a de sublimação de naftaleno, cuja utilização exigiu instrumentos de precisão e condições ambientais controladas. A variação da massa, devido à sublimação, das laterais de naftaleno análogas às superfícies isotérmicas fornecia, juntamente com outros parâmetros, o conhecimento dos coeficientes médios de troca de massa. Estes eram adimensionados como número de sherwood. Apartir dos pontos experimentais encontrados determinou-se a equação do comportamento do número de Sherwood, para perfil não desenvolvido, em função do comprimento adimensional, definido como o inverso do número de Graetz. Aplicada à analogia, chegou-se aos coeficientes médios de transferência de calor, adimensionalizados como número de Nusselt. Em posse destes resultados, fez-se a análise teórico da performance de um coletor solar simulado utilizando o canal em estudo. / [en] The duct analyzed was made up of two cylindrical side walls and anadiabatic base plate. Heat transfer coefficients for forced convection in laminar flow were obtained. The heat and mass transfer analogy method was used by applying the naphtalene sublimation tecnique. The side walls mass change, due to sublimation, supplied the overall mass transfer coefficients. These were stated in dimensionless form as sherwood’s number. An equation giving Sh as a function of the dimensionless length was obtained from the experimental points. The profile was not fully developed. In accordance with the analogy the overall heat transfer coefficients were found. A theoretical study of a solar energy collector employing these duct was made.

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Problemas de transferência de calor e de massa em meios granulares são encontrados em inúmeras situações de interesse tecnológico. Particularmente, o processo de secagem de grãos envolve esses dois fenômenos. Nesta tese é desenvolvido um modelo matemático que descreve os balanços de energia e de massa para o ar e os grãos baseado nas equações de Navier-Stokes. O coeficiente convectivo de transferência de massa entre o grão e o ar é obtido a partir de dados experimentais para a secagem de grãos de soja. As equações governantes do modelo são resolvidas numericamente por um esquema em diferenças finitas. A análise de consistência, estabilidade e convergência também é realizada para o caso unidimensional. Uma solução analítica da equação diferencial parcial com a forma das equações de balanço da energia e da massa para o ar (caso unidimensional) é obtida, fazendo-se comparações entre dados numéricos e a solução analítica, para funções testes no termo fonte, com o objetivo de avaliar o esquema numérico utilizado. Resultados são apresentados fazendo comparações dos valores numéricos calculados através do modelo com dados experimentais encontrados na literatura. Avalia-se também a influência de parâmetros adimensionais envolvidos nos processos de transferência de calor e massa. Estes resultados contribuem para obter um melhor entendimento da transferência de calor e massa em meios granulares, cujas aplicações são encontradas em muitas situações de interesse prático. / Problems of heat and mass transfer in granular media are found in countless situations of technical interest. Particularly, the grain drying process involve those two phenomena. In the present work we develop a mathematical model that describes the energy and the mass balance for the air and the grain based on the Navier-Stokes equations. The convective mass transfer coefficient between the grain and the air is obtained from experimental data for the soy grain drying process. The governing equations of the model are approximated by means of a finite differences scheme. The analysis of consistency, stability and convergence is also made for the unidimensional case. An analytical solution for a partial differential equation with the form similar to the energy and mass balance equations for the air (in the unidimensional case) is obtained; comparisons are realized between the numerical data and the analytical solution for chosen test functions in the source term, with the objective of evaluating the numerical scheme used. Numerical results are presented and compared with the experimental data found in the literature. We evaluate the influence of dimensionless parameters involved in the heat and mass transfer processes as well. These results contribute to obtain a better understanding of the heat and mass transfer in a granular medium, whose applications are found in many situations of technical interest.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento computacional para síntese de redes de trocadores de calor que sejam flexíveis (capazes de operar sujeito a incerteza) e controláveis. A síntese foi baseada em uma superestrutura proposta na literatura que tem como objetivo minimizar simultaneamente o custo operacional e de investimento do projeto. Considerações gerais baseadas nessa formulação foram discutidas neste trabalho. Assumiu-se incerteza nas temperaturas de entrada e vazões de cada corrente. Inicialmente foi implementado um procedimento para geração de projetos flexíveis baseado numa estratégia em dois estágios. O primeiro estágio precede a operação (fase de projeto) onde as variáveis de projeto são escolhidas, i.e. a existência e a dimensão dos equipamentos. Num segundo estágio (fase de operação) as variáveis de controle, i.e. os graus de liberdade adicionais, são ajustados de acordo com a realização dos parâmetros incertos. O estágio de projeto é realizado através de um problema de otimização multiperíodo, onde cada período corresponde a um cenário operacional, resultando em um problema do tipo MINLP. Com o objetivo de explorar a estrutura bloco-diagonal de problemas dessa natureza, uma técnica de decomposição baseada no conceito de relaxação Lagrangeana foi desenvolvida como uma alternativa para resolução de problemas de larga escala. A etapa de operação consiste numa análise de Flexibilidade tendo como objetivo checar se o projeto obtido no estágio anterior é capaz de operar na região de incerteza especificada. Esta análise é realizada através da avaliação do Índice de Flexibilidade, através da estratégia do conjunto ativo resultando em um problema MI(N)LP. Caso o projeto seja suficientemente flexível, passa-se para a etapa seguinte, caso contrário, o ponto crítico que define a solução desse problema é adicionado ao conjunto inicial de cenários operacionais e o problema multiperíodo é resolvido novamente. Este procedimento é resolvido iterativamente até que se tenha um projeto flexível. Neste caso, um problema MILP é resolvido com o intuito de selecionar a estrutura de controle, baseado na minimização de métricas de controlabilidade, que garantem manter as temperaturas de saída em suas respectivas referências usando controladores do tipo PI (Proporcional Integral). A flexibilidade efetiva, obtida após a implementação da estrutura de controle é avaliada, e possíveis pontos críticos são adicionados e o projeto é refeito. Por fim, através da geração de modelos dinâmicos e projeto dos controladores, o desempenho do projeto pode ser checado. / In this work it was developed a computational framework for synthesis of flexible and controllable Heat Exchanger Network. The synthesis was accomplished based on the superstructure proposed in the literature for minimizing simultaneously the operating cost and the investment cost. The general assumptions used by this formulation were discussed. It was assumed uncertainty in the inlet temperatures and flowrates. The framework for flexible design is based on the termed two stage strategy. The first stage is prior to the operation (design phase) where the design variables are chosen, i.e. the existence and dimension of the equipments. At the second stage (operation phase) the control variables are adjusted during operation on the realizations of the uncertain parameters. The design stage was accomplished with a multiperiod optimization problem resulting in a MINLP formulation. In order to exploit the block diagonal structure of multiperiod problems, a decomposition technique based on the concept of Lagrangean Relaxation was developed as an alternative in order to solve the formulation for large scale problems. The operation stage checks whether the design selected in the previous step is able to operate over the space of uncertain parameters. This step was assessed by the Flexibility Index evaluation through a MI(N)LP formulation using the Active set strategy. If the design is sufficient flexible the procedure terminates; otherwise, the critical point obtained from the flexibility evaluation is included in the current set of periods, and a new multiperiod problem is solved in order to obtain a new design. Once the flexible design is achieved a MILP model is solved in order to define the control structure selection according to controllability metrics, i.e. the set of manipulated inputs (taken from the general set of potential manipulations) that can ensure the outlet temperatures target using standard feedback controllers, e.g. PID controllers. The effective flexibility is evaluated in order to check if the design is feasible for the given control structure selection, otherwise a new critical point is identified and the multiperiod design is performed again. Later on, the dynamic model and closed loop performance can be checked.