[pt] Problemas com incrustações em equipamentos são frequentes em equipamentos de resfriamento de mancais de turbinas hidráulicas e hidrogeradores, drasticamente comprometendo a sua eficiência de operação. Pesquisas aplicadas buscam a eficiência térmica dos trocadores de calor por meio da mitigação do fouling formado nesses equipamentos. Esta dissertação de mestrado tem por objetivo avaliar a eficácia de uma alternativa tecnológica de limpeza dos tubos do trocador de calor que faz uso de esferas abrasivas para mitigar indesejáveis incrustações em trocadores de calor utilizados no arrefecimento de hidrogeradores. A motivação da pesquisa deu-se no contexto do projeto de PeD Light-Aneel Ref.: 07/2011, Proposição de solução inovadora para o sistema de resfriamento dos hidrogeradores da Usina Fontes Nova, desenvolvido pelo Programa de Pós-graduação em Metrologia da PUC-Rio. Superando o desafio de oferecer um método de limpeza que evita a raspagem mecânica e o uso de produtos químicos, o trabalho construiu um equipamento e validou uma alternativa tecnológica de limpeza, que opera on-line, portanto sem a necessidade de parada técnica da usina para realizar a manutenção. A metodologia utilizada fundamenta-se na análise do desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando assistido pelo sistema proposto. Dentre os resultados, destacam-se (i) o caráter prático da alternativa de limpeza proposta, que realiza a limpeza sem a necessidade de interromper a geração e (ii) o estudo da velocidade ótima das esferas para assegurar eficácia do processo de desobstrução dos trocadores. Os resultados favoráveis dos testes de desempenho realizados em laboratório e no campo consubstanciam a conclusão do trabalho, permitindo validar a técnica e o protótipo de equipamento construído para ser utilizado nas condições reais de operação da usina. / [en] Formation and deposit of fouling is a common problem encountered in heat exchangers, bearings of hydraulic and hydro turbines, drastically reducing their operation efficiency. Applied research continuously seeks for gains in thermal efficiency by encouraging fouling mitigation in the internal passages of heat exchangers. This dissertation aims to evaluate the effectiveness of a technological alternative for cleaning heat exchanger tubes by the use of abrasive spheres to mitigate undesirable fouling in heat exchangers used in hydro generators cooling. The motivation of the research took place in the context of the ReD project Light- Aneel 07/2011, entitled Innovative solution for fouling mitigation of heat exchangers used in the cooling system of the Fontes Nova Power Plant, developed by the postgraduate Metrology Programme of Catholic University of Rio de Janeiro, financed under a Brazilian government regulated R&D Programme. Overcoming the challenge of providing a cleaning method that prevents the mechanical scraping and the use of chemicals, a prototype of an equipment was built and validated as a technological alternative cleaning tool, which operates online, therefore without the need to shutdown the power plant to perform the heat exchanger maintenance. The methodology is based on the analysis of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when assisted by the envisioned system. Among the results achieved, the work highlights (i) the practical character of the cleaning alternative proposed, which performs the cleaning without the need to interrupt the electrical energy generation and (ii) the study of the optimum speed that must be imposed to the abrasive spheres to ensure effectiveness of the unclogging process of the exchangers. The favourable results emerged from the performance tests carried out in the laboratory and in the field environments substantiate the conclusion of the work, validating the technical method and the prototype of the equipment to operate in the real conditions of the power plant.

[pt] A dissertação de mestrado tem por objetivo estudar a indesejável formação do fouling no sistema de arrefecimento dos hidrogeradores da usina hidrelétrica Fontes Nova com vistas a propor técnicas alternativas para a sua mitigação. Mais especificamente, avaliar o desempenho de uma técnica antifouling que expõe o escoamento à ação de um campo elétrico externo. A pesquisa foi motivada (i) pela perspectiva de contribuir para o entendimento do complexo fenômeno de formação e mitigação do fouling e (ii) pelo desafio de propor um método on-line, não invasivo, de simples operação, em contraposição aos métodos de limpeza mecânica e química normalmente ofensores do meio ambiente e que requerem a interrupção da geração. Desenvolvido no contexto do projeto de PeD Light/Aneel Ref. OKE 06-07 intitulado Tecnologia de tratamento de água de refrigeração da usina Fontes Nova, a pesquisa, de natureza experimental e quantitativa, desenvolveu-se com base numa metodologia que avalia o desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando submetido à ação do dispositivo antifouling estudado. Os resultados do trabalho permitiram concluir que a incrustação predominante é de natureza Bio (biofouling) e que embora o dispositivo não invasivo iniba a formação dos indesejáveis micro-organismos que obstruem o trocador e afetam a sua eficácia de operação ele não elimina o problema. A partir dessa constatação, uma técnica alternativa de limpeza on-line que faz uso de esferas abrasivas foi concebida e projetada para promover a limpeza do trocador de calor em operação. / [en] The objective of the master thesis is to study the undesirable formation of fouling in the cooling system of hydroeletric generators of Fontes Nova Power Plant with the view to propose an alternatives techniques for its mitigation. more specifically, to assess the performance of an antifouling device that exposes the flow to the action of an external electric field. The research was motivated by the perspective of contributing to the understanding of the complex phenomenon associated with the formation and mitigation of fouling and by the challenge of proposin an alternate on-line, non-invasive method, of simple operation, contrasting to conventional of mechanical and chemical cleaning methods that normally offender the environment and requires interruption of the generation. Developed in the context of the project R and D light/aneel Ref. OKE 06-07 entitled Technology for treatment of refrigeration water of the Fontes Nova Power Plant, the research, of quantitative and experimental nature, was developed based on a methodology that assess the of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when submitted to the action of the antifouling device studied. The results of the work support the conclusion that the fouling is of a biological nature (biofouling) and that although the non-invasive device inhibits the formation of the unwanted microorganisms that block the exchanger and affect its effectiveness of operation it does not eliminate the problem. An alternative on-line cleaning technique that makes use of abrasive spheres was designed and engineered to clean the heat exchanger in operation.

Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. / This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.

Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. / This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Coutinho Fernandes Junior.pdf: 1216021 bytes, checksum: 140e087a28751c7c2ea0079d79d89a2d (MD5) Previous issue date: 2009-10-13 / In the process of soy oil the consumption of energy is extremely high, which is always important to create new alternatives to energetic consumption reduction. This paper is carried on a case study of energetic integration in a soy oil factory operating with an average production of 15.000 tons/month. At first, the rate of flow, the input and output temperatures and the calorific capacity of all currents in the extraction phase were evaluated. After this assessment, based on the thermal potential change, four currents were selected, two denominated hot currents and two denominated cold currents. The first hot current (Q1) consists of a crude oil current from the post-separation phase of the solvent hexane with the input temperature of 110 ºC and output temperature of 80ºC. The second hot current (Q2) consists of a water current coming out of a boiler with an input temperature of 90 ºC and goes to the effluent treatment station having to be cooled to 55 ºC. These two currents have a thermal potential change of 262,8 kW/h. The third current denominated cold current F1, consists of a water current that comes from the decanter with a input temperature of 40 ºC and enters in the heater to reach an output temperature of 90 ºC, where the residual hexane is evaporated. The fourth current, denominated cold current F2, is a mixture of 70% of oil and 30% of hexane with an input temperature of 60 ºC and output temperature of 90 ºC. These two currents have a thermal necessity of 330 kW, for their heating. The synthesis methodology adopted for the heat exchangers network synthesis, due to the easiness in application and interaction with the user, was the Pinch Analysis. In the synthesis procedure, the Problem Table was developed and the Pinch Point was identified and the goals for the consumption of utilities were obtained for the maximum energy recovery. The problem was divided into two regions, below and above the Pinch Point. After the synthesis and optimization, the total cost for the network was calculated and all thermal exchange occurs above the Pinch Point . The proposed network consists of two heat exchangers and two boilers, so that a exchanger performs the thermal change between the Q1 (crude oil) and Q2 (miscela) currents. The second exchanger performs the change between Q2 (the water in the boiler exit) and F1 (water in the decanter exit) currents. The additional heating for the cold currents to reach final temperatures is provided by the boilers that are already being used in the factory. The economy generated by the reduction in the consumption of utilities was of R$ 91,000.00/year, meaning a reduction of steam consumption of 79,6% and a reduction of 5,3% in the global consumption of the plant steam. The investment needed for the two proposed heat exchangers in the network, is R$ 16.540,00. Evaluating the year total cost, that includes the annual capital cost of the exchangers, an annual reduction of R$ 114.445,00 for R$ 25.800,00 is verified corresponding to 77.5% reduction in the annual total cost after the network synthesis. The return rate for the investment proposed is only 3 months. Therefore, Pinch Analysis is confirmed to be efficient in the energetic integration of processes reaching meaningful economy results in thermal energy, contributing for the industrial processes that are more and more competitive. / No processo de fabricação de óleo de soja, o consumo de energia é extremamente alto, sendo sempre um tema de foco para criar alternativas de redução do consumo energético. Neste trabalho, realizou-se um estudo de caso de integração energética na etapa da extração de uma fábrica de óleo de soja operando com produção média de 15.000 toneladas/mês. Inicialmente avaliou-se as vazões, as temperaturas de entrada e saída e as capacidades caloríficas de todas as correntes da etapa de extração. Após esta avaliação, baseando-se no potencial de troca térmica, foram selecionadas quatro correntes, sendo duas delas denominadas de correntes quentes e outras duas denominadas de correntes frias. A primeira corrente quente (Q1), consiste em uma corrente de óleo bruto oriunda da etapa pós-separação do solvente hexano, com temperatura de entrada de 110 ºC e temperatura de saída de 80ºC. A segunda corrente quente (Q2), consiste em uma corrente de água que sai de um aquecedor com temperatura de entrada de 90ºC e vai para a estação de tratamento de efluentes, necessitando ser resfriada até 55 ºC. Essas duas correntes quentes têm um potencial de troca térmica de 262,8 kW/h. A terceira corrente, denominada de corrente fria F1, consiste em uma corrente de água que sai do decantador a 40 ºC, e entra no aquecedor para atingir a temperatura de saída de 90 ºC, onde hexano residual é evaporado. A quarta corrente, denominada de corrente fria F2, consiste em uma mistura de 70% óleo e 30% hexano com temperaturas de entrada de 60 ºC e de saída de 90 ºC. Essas duas correntes (F1 e F2) tem uma necessidade térmica para seu aquecimento de 330 kW. A metodologia de síntese adotada para a síntese da rede de trocadores de calor, devido à facilidade de aplicação e interação com o usuário, foi a Análise Pinch. No procedimento de síntese, inicialmente é construída a tabela do problema onde identificou-se o ponto de estrangulamento energético, ou ponto Pinch, obtendo-se assim as metas de consumo de utilidades para a máxima recuperação de energia. Após esta etapa, o problema foi dividido em duas regiões: abaixo e acima do Pinch, sendo realizada a síntese da rede. No caso estudado, toda a troca térmica ocorre na região acima do Pinch. Assim, após a síntese e otimização da rede, calculou-se o custo total anual. A rede proposta consiste em 2 trocadores de calor e dois aquecedores, sendo que um trocador realiza troca térmica entre a corrente Q1 (óleo bruto) e a corrente F2 (a miscela), e o segundo trocador realiza troca entre a corrente Q2 (água na saída do aquecedor) e a corrente F1 (água na saída do decantador). O aquecimento complementar para as correntes frias atingirem suas temperaturas finais, é provido pelos aquecedores já existentes na linha. A economia gerada pela redução de consumo de utilidades foi de R$ 91.000,00/ano, o que representa uma economia de consumo de vapor de 79,6%, acarretando uma redução de 5,3% do consumo global de vapor da planta. O investimento necessário para os dois trocadores de calor propostos na rede é de R$ 16.540,00, e avaliando-se o custo total anual, verifica-se uma redução de R$ 114.445,00 para R$ 25.800,00, correspondendo a uma redução de 77,5% no custo total anual, após a síntese da rede. A taxa de retorno para o investimento proposto é de apenas 3 meses. Desta forma, confirma-se a eficiência da Análise Pinch na integração energética de processos, atingindo resultados significativos de economia de energia térmica,contribuindo para processos industriais cada vez mais competitivos.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente. / This doctoral thesis focuses on screening analysis of five input parameters and heat transfer and pressure drop optimization of flat-tube multi-louvered fin heat exchangers combined with delta-winglet vortex generators. The thermal-hydraulic performance of two distinct geometries, GEO1 and GEO2, were evaluated. Smoothing Spline ANOVA was used to evaluate the contribution of the input parameters such as louver angle, angle of attack of the delta-winglet and streamwise position of the delta-winglet on heat transfer and pressure drop. Taking the automotive application into account, Reynolds numbers of 120 and 240, based on hydraulic diameter, were investigated. The results indicated that the louver angle is the main contributor to increase the Friction factor for GEO1 and GEO2 for both Reynolds numbers. For the lower Reynolds number, the most important heat transfer parameter was the louver angle for both geometries, while at the higher Reynolds number, the angles of attack of the first row of delta-winglets mostly contributed to GEO1, and the angle of attack of the first row of delta-winglets was as important as the louver angle for GEO2. Although those specific geometries can be considered a kind of compound enhancement technique, relevant interactions were not verified between louvers and delta-winglet vortex generators parameters. The surrogatebased optimization procedure uses NSGA-II method (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combined with artificial neural networks. The results showed that the addition of DWLs on GEO1 increased the heat transfer of 21.27% and 23.52% with associated pressure loss increasing of 24.66% and 36.67% for the lower and the higher Reynolds numbers, respectively. For GEO2, the heat transfer was increased 13.48% and 15.67% with an increase of the pressure drop of 20.33% and 23.70%, for the lower and the higher Reynolds numbers, respectively. The optimized solutions for the Colburn factor showed that heat transfer behind the second row of deltawinglets has the same order of magnitude of that behind the first row, for both Reynolds numbers. The flow patterns and heat transfer characteristics from optimized solutions presented some particular behavior, differently from the findings when those two heat transfer enhancement techniques are applied separately.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente. / This doctoral thesis focuses on screening analysis of five input parameters and heat transfer and pressure drop optimization of flat-tube multi-louvered fin heat exchangers combined with delta-winglet vortex generators. The thermal-hydraulic performance of two distinct geometries, GEO1 and GEO2, were evaluated. Smoothing Spline ANOVA was used to evaluate the contribution of the input parameters such as louver angle, angle of attack of the delta-winglet and streamwise position of the delta-winglet on heat transfer and pressure drop. Taking the automotive application into account, Reynolds numbers of 120 and 240, based on hydraulic diameter, were investigated. The results indicated that the louver angle is the main contributor to increase the Friction factor for GEO1 and GEO2 for both Reynolds numbers. For the lower Reynolds number, the most important heat transfer parameter was the louver angle for both geometries, while at the higher Reynolds number, the angles of attack of the first row of delta-winglets mostly contributed to GEO1, and the angle of attack of the first row of delta-winglets was as important as the louver angle for GEO2. Although those specific geometries can be considered a kind of compound enhancement technique, relevant interactions were not verified between louvers and delta-winglet vortex generators parameters. The surrogatebased optimization procedure uses NSGA-II method (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combined with artificial neural networks. The results showed that the addition of DWLs on GEO1 increased the heat transfer of 21.27% and 23.52% with associated pressure loss increasing of 24.66% and 36.67% for the lower and the higher Reynolds numbers, respectively. For GEO2, the heat transfer was increased 13.48% and 15.67% with an increase of the pressure drop of 20.33% and 23.70%, for the lower and the higher Reynolds numbers, respectively. The optimized solutions for the Colburn factor showed that heat transfer behind the second row of deltawinglets has the same order of magnitude of that behind the first row, for both Reynolds numbers. The flow patterns and heat transfer characteristics from optimized solutions presented some particular behavior, differently from the findings when those two heat transfer enhancement techniques are applied separately.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5317.pdf: 4354756 bytes, checksum: c3428f42cdc8f5cda6298342a6938dab (MD5) Previous issue date: 2013-06-19 / In light of the scientific evidence for global warming, the United Nations established the Framework Convention on Climate Change and defined the Kyoto Protocol that provided opportunities for sustainable social and economic development. The Clean Development Mechanism (CDM) is one of the protocols applicable to developing countries such as Brazil. Opportunities for industries to reduce greenhouse gas (GHG) emissions can be led by thermal energy integration studies. In addition, sustainable processes can result in energy savings as well as help to mitigate GHG emissions. This work presents a study of heat exchanger network (HEN) synthesis in order to reduce energy consumption and GHG emissions, and the benefits are evaluated in terms of energy savings and carbon credits for CDM projects. It was proposed to two case studies using HEN data from literature, one concerns burning fossil fuels, and other one was evaluated the bagasse combustion. Both studies were applied the Aspen Energy Analyzer® software and its performance of the design of the HEN employed the Automatic Retrofit and Automatic Recommend Designs features were evaluated too. GHG emissions were mitigated; the first case confirmed that the carbon credits improve Capital Expenditure Index, returning 13% less in payback depending on fossil fuel price. The second case presents a maximum value of reduction of 26.2% burning bagasse, 7.7% GHG emissions, 30% increase power generation, together with 19,411 carbon credits per year. / Em virtude da constatação inequívoca do aquecimento global, foi estabelecida pela Organização das Nações Unidas (ONU) a Convenção-Quadro sobre Mudança do Clima. No seu âmbito, foi criado o Protocolo de Quioto, que define mecanismos que enquadram responsabilidades e obrigações, abrindo oportunidades de desenvolvimento social e econômico sustentável. Um dos mecanismos estabelecido é o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), o único aplicável a países em desenvolvimento como o Brasil. Assim, no âmbito industrial existem várias oportunidades de redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) aliados a trabalhos de integração energética. Além do comprometimento sustentável, é possível obter cenários economicamente viáveis devido à redução de energia associada à mitigação das emissões de GEE. O objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de rede de trocadores de calor (RTC) na redução do consumo de utilidades e de emissões de GEE, além de contabilizar os benefícios gerados na economia de combustíveis e a obtenção de créditos de carbono ligados a projetos que promovem o desenvolvimento limpo. Foram realizados dois estudos de casos com os dados da RTC obtidos da literatura, um referente à queima de combustíveis fósseis e outro referente à combustão do bagaço. Em ambos os estudos foi utilizado o software Aspen Energy Analyzer®, tendo como opções as ferramentas Automatic Retrofit e Automatic Recommend Designs, sendo estas avaliadas quanto ao seu desempenho na otimização da RTC. Foram mitigadas as emissões dos GEE, sendo que o primeiro caso foi comprovado que os créditos de carbono promovem um retorno financeiro mais rápido de até 13% dependendo do combustível fóssil e no segundo foi obtida uma redução de até 26,2% da queima do bagaço, 7,7% das emissões de GEE, geração extra de energia elétrica de até 30% e crédito de carbono de até 19.411 t CO2 ao ano.

[pt] Em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, o projeto adequado dos circuitos para o refrigerante nos trocadores de calor pode ter um impacto significativo no seu coeficiente de performance (COP). O projeto otimizado dos circuitos de refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor do tipo tubo-aletado não é trivial, devido à complexidade de sua representação assim como o elevado número de possíveis combinações, mesmo quando metodologias inteligentes de otimização são empregadas. No presente trabalho propõe-se uma nova metodologia para a otimização simultânea (condensador e evaporador) dos circuitos do refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor de tipo tubo-aletado. Esta metodologia, aqui denominada como GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), mostra-se mais eficiente que as metodologias até então descritas na literatura. Foi aplicado o método GAFIS, em conjunto com um simulador completo para o sistema de refrigeração, Genesym, na otimização de unidades comerciais de condicionamento de ar de alto desempenho. Estudaram-se casos onde o sistema atingiu aumentos de até 15,3 por cento no coeficiente de performance. Em outros estudos, obtiveram-se casos onde o custo de produção foi reduzido em 3,85 por cento (do custo total da unidade), mantendo-se um similar desempenho (capacidade e COP). Testes de otimização, considerando-se diferentes diâmetros dos tubos, na construção dos trocadores de calor, e sistemas com distribuição não uniforme de velocidade de ar, também foram realizados com o GAFIS. Igualmente foram estudados condensadores de microcanais, devido ao interesse atual da indústria com estes trocadores de calor. A otimização do circuito para o refrigerante, neste caso, é relativamente simples, devido ao baixo custo computacional das simulações. Entretanto, modelos de simulação adequados para estes tipos de trocadores de calor só recentemente começaram a surgir, e não têm sido explorados de maneira adequada até a presente data. Explorou-se no presente trabalho, a influência, no desempenho térmico do condensador, dos parâmetros que definem o circuito do refrigerante. Para tal efeito, desenvolveu-se um modelo de simulação baseado em análise local, validado com dados experimentais disponíveis, de condensadores de microcanais de uso automotivo com diâmetro hidráulico (lado do refrigerante) de 0,9 e 1,0mm, para refrigerantes R-134a, Fluid-H e R-1234yf. Foram encontradas relações diretas entre os parâmetros geométricos que definem os circuitos de refrigerante no condensador e seu desempenho térmico. Tal fato pode ser utilizado como orientação expedita para o projeto do circuito ótimo do condensador. / [en] Refrigerant circuiting in condensers and evaporators has a significant effect in the performance of refrigeration systems. The optimized project of the refrigerant circuits in refrigeration systems with plate-fin heat exchangers is not trivial, due to the complexity of their representation as well as the high number of possible combinations, even when methodologies of intelligent optimization are used. The present work proposes a new methodology for the simultaneous optimization of refrigerant circuiting in air-air refrigeration systems with plate-fin heat exchangers. This new methodology, here defined as GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), has proven to be more efficient than traditional methods. The GAFIS method was applied, in conjunction with a full refrigeration system simulator, Genesym, for the optimization of high performance commercial air-conditioning units. Typical cases were studied and a coefficient of performance improvement of up to 15.3 percent has been observed. In other studies, there were cases where the manufacturer s predicted cost was reduced in 3,85 percent (of total cost of the unit), while a similar thermal performance (capacity and COP) was maintained. Optimization tests, considering different diameters of tube, for the construction of heat exchangers, as well as systems with non-uniform air velocity distribution, were also performed with the GAFIS method. Microchannel condensers were also studied, given the current interest of industry on this kind of heat exchanger. The optimization of the refrigerant circuiting, in this case, would not be a major problem, due to the low computational cost of its simulation. However, simulation models appropriate for these types of heat exchangers have only been recently in use, and, to date, have not been adequately explored. In the present work, the influence on condenser performance of parameters that define the refrigerant circuiting has been investigated. For this purpose, a simulation model, based on local analysis, was developed. It was validated against experimental data, available from automotive microchannel condenser tests, with hydraulic diameters (refrigerantside) of 0.9 and 1.0mm for refrigerants R-134a, Fluid-H and R-1234yf. A direct relation was found between the geometric parameters that define the condenser refrigerant circuiting and its thermal performance. This fact can be appropriately used as guidance for expeditious design practices of the optimal refrigerant circuit of the condenser.

[pt] Trocadores de calor são equipamentos essenciais do sistema de resfriamento de equipamentos de processo, visando assegurar a sua eficácia e eficiência operacional. O objetivo do trabalho é a simulação computacional do escoamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza de uma alternativa tecnológica de trocadores de calor que dispensa a interrupção do processo industrial. A motivação resultou do potencial da ferramenta computacional CFD em gerar resultados numéricos de interesse, complementando a base de dados experimentais em locais críticos do escoamento difíceis de serem instrumentados. A simulação foi realizada pelo Fluent/Ansys 2023 R2, utilizando-se o modelo de turbulência κ-ômega SST (Transporte da tensão de cisalhamento), baseado na abordagem média de Reynolds (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Os resultados da simulação (campos de velocidade, pressão e estruturas da turbulência) orientaram ajustes e melhorias localizadas no projeto construtivo da alternativa tecnológica de limpeza online proposta, permitindo eliminar zonas de recirculação e uma redução de 62,2 por cento nas perdas de carga localizadas, que tão drasticamente impactam nos custos de bombeamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza. A pressão simulada reproduziu o resultado da medição com 2,5 por cento de concordância. Como conclusão, a ferramenta computacional provou ser estratégica para orientar a melhoria do projeto construtivo do dispositivo inovador de limpeza online. Se por um lado os dados experimentais provêm uma referência confiável fundamentada em medições rastreáveis a padrões de referência, por outro, a simulação numérica provê relevantes informações em todo o domínio do escoamento. / [en] Heat exchangers are essential equipment in the cooling system of various process equipment, aiming to ensure its effectiveness and operational efficiency. The objective of the work is the computational simulation of the fluid flow transporting cleaning artifacts from a technological alternative for heat exchangers that does not require interruption of the industrial process. The motivation resulted from the potential of the CFD computational tool to generate numerical results of interest, complementing the experimental database in critical flow locations that are difficult to instrument. The simulation was carried out by Fluent/Ansys 2023 R2, using the κ-omega SST (Shear Stress Transport) turbulence model based on the Reynolds average approach (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). The simulation results (velocity, pressure fields, and turbulence structures) guided adjustments and localized improvements in the constructive design of the proposed online cleaning technological alternative, allowing the elimination of recirculation zones and a 62.2 percent reduction in localized pressure losses that so drastically impact the costs of pumping the fluid to transport cleaning artifacts. The simulated pressure reproduced the measurement results with 2.5 percent agreement. In conclusion, the computational tool proved to be strategic in guiding the improvement of the constructive design of the innovative online cleaning device. If, on the one hand, experimental data provides a reliable reference based on measurements traceable to reference standards, numerical simulation provides relevant information across the entire flow domain.