Esse estudo procura integrar as áreas de termodinâmica, transferência de calor e aerodinâmica no desenvolvimento de veículos de alto desempenho. É proposta uma ferramenta computacional que auxilie a análise de alternativas de trocadores de calor compactos, parte integrante do sistema de arrefecimento veicular. O aplicativo desenvolvido, denominado TROCALC, tem dois modos de uso: para colaborar no projeto de um trocador de calor ou para avaliar o desempenho de um trocador existente. Estruturado por um conjunto de equações e parâmetros com base na metodologia de Kays e London (1984), no primeiro modo esse aplicativo fornece alternativas de trocadores a partir dos dados de rejeição de calor por parte do motor e dos valores de vazão e temperatura dos fluidos envolvidos. Para o modo de avaliação de desempenho, além dos dados de entrada já mencionados, é necessário o detalhamento da geometria de superfície do trocador para calcular a quantidade de calor que o radiador é capaz de remover do sistema e comparar com o valor de fluxo de calor rejeitado pelo motor. É adotado um estudo de caso que considerou um veículo de competição da Fórmula SAE para investigar a eficácia do aplicativo TROCALC na análise de desempenho e na definição de novas alternativas para o trocador de calor dedicado àquele automóvel. Foram realizados ensaios em laboratório com a medição de valores para a rejeição de calor, vazão em massa de ar e perda de pressão no trocador existente. Os resultados validaram a ferramenta computacional e oferecem uma redução de 37% nas dimensões do trocador. Por fim é feita uma análise aerodinâmica para o conjunto duto-trocador de calor, que é uma solução típica utilizada em veículos de competição, integrando este conjunto à geometria da carenagem do veículo. Quatro alternativas, incluindo nova geometria para a carenagem do duto-trocador são investigadas do ponto de vista aerodinâmico com o auxílio de programa de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Nesta investigação, o objetivo é melhorar o comportamento de parâmetros relacionados ao escoamento de ar junto do sistema duto-trocador de calor, mantendo um bom comportamento para o arrasto total do veículo. / This study looks for the integration of thermodynamics, heat transfer and aerodynamics in the high-performance vehicles development. A computational tool that facilitates the compact heat exchanges analysis, part of the vehicle cooling system, is proposed. The application denominated TROCALC has two different modes of use: one for compact heat exchanger design and another one to evaluate existent heat exchangers performance. This program, which is structured by a set of equations and parameters based on the Kays and London (1984) methodology, provides heat exchangers alternatives through the input of the engine heat rejection, fluids temperature and mass flow (air and coolant). The tool is also capable of providing a performance analysis of an existent compact heat exchanger. In this case, besides of the inputs already mentioned, it is necessary to inform the surface geometry data of the actual heat exchanger to calculate the heat rejection capacity and compare to the established value of the engine. The case study of the Formula SAE is proposed in order to investigate the efficiency of TROCALC in performance analysis and definition of new alternatives for the Formula SAEs dedicated heat exchanger. Laboratory tests were performed in order to achieve experimentally the heat rejection, mass flow (air side) and pressure drop values in the current heat exchanger. The results validated the computational tool and offered a reduction of 37% in the heat exchangers dimensions. At last, aerodynamic analyses are performed for the duct-compact heat exchanger system, a typical solution adopted in race cars that is the integration of this set to the vehicles bodywork. Four alternatives are researched from the aerodynamic perspective with the computational fluid dynamics program support (CFD), including a new geometry for the duct. In this research, the aim is the improvement of parameters behavior related to the air flow around the duct-compact heat exchanger system, keeping a good behavior to the total drag of the vehicle.

[pt] Nesta dissertação foi feita uma simulação do desempenho de um sistema de cogeração, a partir de dados experimentais obtidos com uma microturbina a gás natural com 30 kW de potência nominal, operada no horário de ponta, e acoplada com uma unidade recuperadora de calor e um reservatório térmico para fornecimento de água quente de consumo nos chuveiros do Ginásio da PUC-Rio. Inicialmente, o desempenho do sistema de cogeração foi medido para várias condições de operação, mostrando que a eficiência de geração de energia elétrica é inferior à que o fabricante declara (16,6%). O aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustão é de 29,1% para plena carga e 46,3% para 25% de carga. Nesta dissertação foi desenvolvida uma metodologia para calcular a efetividade da unidade recuperadora de calor. A simulação realizada teve como objetivos o melhor conhecimento do comportamento do sistema de cogeração para diferentes vazões de água de consumo e da sua temperatura de armazenamento determinando-se o maior valor da vazão para que uma temperatura de 40ºC nos chuveiros fosse mantida. A equação da energia em relação ao tempo foi resolvida numericamente, modelando-se o desempenho de cada componente, para estimar a temperatura da água do reservatório de armazenamento em função do tempo, para diferentes cargas elétrica e térmica. Os resultados indicaram as condições para o melhor aproveitamento de energia térmica e sua viabilidade econômica, inclusive quanto à relação entre o horário de geração e o consumo da energia térmica armazenada. / [en] In this dissertation the performance of a cogeneration system was simulated using data obtained in tests of a natural gas fired 30 kW microturbine, operated during peak hours, and coupled to a heat recovery unit to generate hot water to be consumed in the showers of the PUC-Rio Gymnasium, together with a thermal reservoir to match the demand. Initially, the performance of the cogeneration system was measured at different operating conditions, showing that the electric energy generation efficiency is smaller than what is declared by the manufacturer (16,6%). The heat recovery from the exhaust gases was measured as 29,1% for full load operation and 46,3% for 25% load operation. In this dissertation a methodology was developed for calculating the effectiveness of the heat recovery unit. The performance simulation was aimed to better understand the behaviour of the cogeneration system for different water consumption rates and its storage temperature, determining the maximum allowed value so that the shower water temperature be at least 40ºC. The timewise energy equation was numerically solved, using the modelled performance of each component, to estimate the storage reservoir water temperature as a function of time, for different electric and thermal energy loads. The results indicated the conditions for better thermal energy usage and its economic feasibility, including the relationship between generation hours and the stored thermal energy consumption.

O objetivo do trabalho é apresentar o desenvolvimento, simulação e resultados práticos de um Sistema de controle de temperatura, para Experimentos Biomédicos que utilizam soluções aquecidas com vazão variável. O Sistema utiliza um Trocador de Calor projetado para aquecer uma solução que entra no dispositivo a uma temperatura inferior ou igual à do ambiente e sai com o valor programado. A solução é aquecida a partir da água de um reservatório com temperatura controlada. O Controlador de temperatura é do tipo proporcional-integral-derivativo digital e utiliza um microcontrolador para implementação do algoritmo de controle, da aquisição do sinal dos sensores de temperatura, do comando de atuadores e da interface com o usuário / The objective of the work is to present the development, simulation and practical results of a temperature control System for Biomedical Experiments that utilize heated solutions with variable outflow. The System uses a Heat Exchanger designed to heat the solution that enters into device with a lower or the same temperature as the environment and leaves with the programmed value. The Biomedical solution is heated using the Heat Exchanger and water of the reservoir where the temperature is controlled. The digital proportional-integral-derivative temperature Controller takes use of a microcontroller for implementation of the control algorithm, data acquisition of the temperature sensors, command of actuators and user interface

É apresentado um estudo de distribuição do tempo de residência nas etapas de um processo de pasteurização contínuo por trocador de calor a placas (aquecimento, resfriamento, regeneração e retenção). Para o estudo experimental, foi adotada a técnica condutimétrica usando cloreto de sódio em solução aquosa como traçador. Foram verificadas as influências da vazão, da configuração do trocador de calor a placas (número de passes para o arranjo em série) e do tipo de tubo de retenção (tubo em \"S\" e tubo helicoidal). Modelos de distribuição foram usados para representar o comportamento experimental (dispersão axial, tanques em série, laminar modificado, combinado PFR+CSTR). Este estudo foi aplicado para as condições de pasteurização HTST de leite, visando a futura implementação de uma modelagem matemática rigorosa do processo, para otimização do projeto e operação do processo. / It is presented a study of residence time distribution in the steps of a process of continuous pasteurization by plate heat exchanger (heating, cooling, regeneration and holding). For the experimental study, it was adopted a conductimetric technique using sodium chloride in aqueous solution as a tracer. It was also studied the influence of the flow rate, the configuration of the plate heat exchanger (number of passes in series arrangement) and the type of holding tube (\"S\"- shaped tube and helicoidal tube). Distribution models were used for representing the experimental behavior (axial dispersion, tank in series, modified laminar, combined PFR+CSTR). This study was applied for the conditions of HTST pasteurization of milk, targeting the future implementation of a rigorous mathematical modeling of the process, which can be applied for the process operation and optimization of the project design.

O principal objetivo do trabalho foi desenvolver uma ferramenta de simulação, para servir de base para o projeto e dimensionamento de processos contínuos de pasteurização de alimentos líquidos em trocadores de calor a placas, possibilitando minimizar perdas de qualidade sensorial e nutricional, bem como gastos desnecessários com aquecimento e resfriamento, decorrentes do sobreprocessamento, tendo o controle sobre o histórico de temperatura. Foi desenvolvida uma modelagem matemática para o processo contínuo de pasteurização HTST (High Temperature Short Time) de leite em trocador de calor a placas com três seções, para determinação da distribuição de temperatura ao longo do processo e avaliação do impacto sobre o leite. Foram desenvolvidos três modelos e seus resultados confrontados com os dados experimentais, realizados com água e leite. Os três modelos forneceram resultados similares e próximos ao comportamento experimental. O cálculo de letalidade permitiu detectar sobreprocessamento no processo estudado. Ensaios com indicador enzimático (fosfatase alcalina em tampão fosfato) foram realizados para quantificar o impacto do processo sobre o produto e comparar com a letalidade calculada pelos modelos. / The aim of this work was to develop a simulation tool to be used in the design of continuous pasteurization of liquid foods using plate heat exchangers, enabling to minimize the nutritional and sensorial losses as well as unnecessary costs during heating and cooling, caused by the overprocessing. The control is made by the temperature profile. A mathematical model was developed for continuous milk HTST (High Temperature Short Time) pasteurization with a three section plate heat exchanger to determine the temperature profile and to evaluate the process impact on the product. Three models were tested and the simulation results compared with the experimental data using water and milk. The results of the three models were similar among them and close to the experimental behavior. Calculating the lethality of the process showed it was overprocessing the product. Tests using enzymatic indicator (alkaline phosphatase in phosphate buffer) were held to quantify the impact of the process on the product and compare to the lethality calculated using the models.

Este trabalho visa a utilização de técnicas de otimização para a determinação da melhor configuração para trocadores de calor a placas. A configuração de um trocador a placas define a distribuição das correntes quente e fria ao longo dos seus canais e ela é definida pelo seu número de canais, pelos números de passes em cada lado e pelas localizações dos fluidos e das conexões de alimentação. É utilizado um conjunto de seis parâmetros para a caracterização da configuração. A modelagem estacionária do trocador é desenvolvida na forma de um algoritmo, já que não é possível representá-la como uma função explícita dos seis parâmetros de configuração. O sistema resultante é composto por equações diferenciais ordinárias de valor de contorno e por equações algébricas não-lineares, o qual é resolvido numericamente pelo método de diferenças finitas. Através do estudo de exemplos de simulação, verifica-se que a hipótese de constância do coeficiente global de troca térmica não é limitante para a avaliação global do trocador. A validação experimental da modelagem estacionária é realizada através da estimação de parâmetros de troca térmica para um conjunto de ensaios com diferentes configurações. É ainda apresentada a modelagem dinâmica do trocador a placas para configurações genéricas, visando a análise do seu estado transiente e a simulação de malhas de controle. É proposto um procedimento de screening para a resolução do problema de otimização da configuração do trocador. Neste procedimento, as restrições são aplicadas sucessivamente para a eliminação de elementos inviáveis ou não-ótimos. Através da identificação de configurações equivalentes e da realização de uma busca estruturada, todos os trocadores com a menor área de troca térmica podem ser obtidos com esforço computacional bastante reduzido. O funcionamento e a eficiência do método são analisados em detalhes através de dois casos de otimização. Para o caso dos processos de pasteurização, que usam trocadores com múltiplas seções, é proposto o método de branching para otimização da configuração das seções de aquecimento, resfriamento e regeneração. Este método consiste em um algoritmo de busca muito eficiente, capaz de localizar as configurações que apresentam mínimos custos fixos e operacionais realizando um número extremamente reduzido de avaliações das seções do trocador, em relação às grandes dimensões do problema e sua complexidade. / The aim of this work is to develop optimization techniques for determining the best configuration of gasketed plate heat exchangers. The configuration of a plate heat exchanger defines the distribution of the hot and cold streams inside the plate-pack and it is defined by the number of channels, by the number of passes in each side and by the locations of the fluids and feed connections. A set of six parameters is used for the configuration characterization. The steady-state model of the plate heat exchanger is formulated in an algorithmic form, since it is not possible to represent it explicitly as a function of the six configuration parameters. The resulting system is composed of ordinary differential equations of the boundary value type and non-linear algebraic equations, which is numerically solved with the method of finite differences. The analysis of several simulation examples showed that the assumption of constant overall heat transfer coefficient is not limiting for the overall rating of the heat exchanger. The experimental validation of the steady-state model was accomplished through the estimation of heat transfer parameters for a set of experiments with different configurations. Moreover, the dynamic modeling of the plate heat exchanger is presented intending the simulation of unsteady-state operation and the use of controllers. A screening procedure is proposed for determining the best configuration of the exchanger. In this procedure, the constraints are successively used to eliminate unfeasible and non-optimal cases. Using a structured search method and identifying the equivalent configurations, all the exchangers with the smallest heat exchange area can be obtained employing the proposed method with very reduced computational effort. The performance of the method is studied thoroughly through two optimization example problems. For the case of the pasteurization processes, where the plate heat exchangers have multiple sections, it is proposed a branching method for selecting the best configuration for the heating, cooling and regeneration sections. This method consists of a very efficient search algorithm, able to locate the configurations with minimum fixed and operational costs requiring an extremely reduced number of exchanger evaluations, considering the large dimensions of the problem and its complexity.

Este trabalho trata de um modelo computacional para análise de dispositivos trocadores de calor com acoplamento da condução, convecção e radiação tendo a energia solar como fonte de calor. O modelo permite analisar três situações básicas: Coletor Aquecedor de Fluidos (coleta a energia solar e aquece um determinado fluido por convecção forçada), Coletor Espacial (coleta a energia solar e aquece um determinado equipamento, em uso espacial, por condução), Radiador Espacial (resfria um equipamento em uso espacial por condução, dissipando o calor para o espaço por radiação). O dispositivo básico é composto por uma placa com aletas retangulares. Sobre o conjunto placa-aletas é colocado um vidro ou plástico seletivo formando assim dutos retangulares. No estudo do Coletor Aquecedor de Fluidos, tem-se o escoamento laminar nos dutos com perfis térmico e hidrodinâmico desenvolvidos. Os coeficientes de convecção são calculados localmente em toda a parede. A radiação é estudada usando o modelo de duas bandas com análise no espectro solar e infravermelho. O vidro seletor é semitransparente na banda infravermelha e transparente na banda solar. Desta forma obtêm-se um filtro e o "efeito estufa" com o aprisionamento de energia térmica. A condução de calor é considerada unidimensional com temperaturas variáveis em toda a parede do duto. A placa é externamente adiabática no Coletor Aquecedor de Fluidos. No Coletor e Radiador Espacial, a placa troca calor externamente com um equipamento e a análise é feita sob vácuo, isto é, sem convecção. O vidro troca calor com o meio externo. Para o Radiador Espacial não é usado o vidro evitando o "efeito estufa", pois neste o objetivo não é aprisionar mas sim, liberar energia. A formulação do acoplamento condução-convecção-radiação gera um sistema integro-diferencial não linear que é resolvido numericamente.

Neste trabalho simula-se numericamente o escoamento entre tubos concêntricos aletados, com o tubo interno sujeito à condição de contorno de temperatura constante ou fluxo de calor prescrito. Utiliza-se uma abordagem de transferência de calor conjugada onde a condução no sólido e a convecção no fluído são estudadas de forma acoplada, em um único domínio. O sistem original de equações diferenciais parciais (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência) é discretizado através da técnica de elementos finitos (método de Petrov-Galerkin). O sistema de equações algébricas resultante é resolvido por meio de algoritmos interativos, utilizando uma formulação agregada e seqüencial ( onde cada grandeza é resolvida separadamente ao invés de uma solução simultânea para todas as variáveis). Os resultados mostram que a relação altura/espaçamento das aletas e a razão entre as condutividades térmicas do sólido/fluido influenciam significativamente nas trocas de calor com o fluido.Verifica-se também a ocorrência de bolhas de recirculação secundáriano escoamento e regiões com fluxo de calor local reverso. Os resultados obtidos para o número de Nusselt mostram que a variação da condição de contorno na superfície interna do tubo (valores prescritos para fluxo de calor e temperatura) é mais relevante no caso do escoamento laminar do que em regime turbulento. Além disso, através da comparação entre a abordagem conjugada bidimensional e a formulação desacoplada unidimensional (coeficiente de convecção constante e uniforme na interface sólido-fluido) confirma-se a validade da abordagem convencional para analisar a performance do trocador de calor. Contudo, os dados obtidos via formulação desacoplada para prever a distribuição de temperaura nas aletas apresentam grandes divergências quando comparados com os resultados da abordagem conjugada.

Métodos passivos para aumentar a taxa de transferência de calor em trocadores de calor, tais como o uso de concavidades de figura arredondada, estampadas nas paredes dos tubos, em trocadores de calor chamadas de dimples, vêm sendo extensivamente usados. Com o seu uso, há um aumento da turbulência no escoamento do fluido interno aos tubos com consequente incremento da troca de calor, sem que adição de material ou qualquer modificação relevante do processo de fabricação do trocador venham a ser necessários. A maioria dos estudos disponíveis na literatura, referentes a este método foram conduzidos em tubos ou feixe de tubos com dimples circulares. Dimples de perfil retangular, aplicado em trocadores de calor compactos para uso veicular, ou radiadores, foram menos estudados, sendo que os radiadores automotivos são um dos grandes beneficiários do uso de tais dimples. Isto porque, normalmente, tem em suas aplicações sérias limitações de espaço para sua instalação, exigindo assim que tenham grande capacidade de transferência de calor. Neste trabalho, uma amostra de radiador com tubos de seções retangulares com vértices arredondados, também chamados de tubos de perfil plano, com dimples retangulares e uma amostra de radiador com tubos de mesmo perfil sem dimples, ou lisos, tiveram suas taxas de dissipação de calor obtidas através de experimentos realizados em bancada de teste denominada calorímetro. Esses resultados foram correlacionados com os preditos por métodos encontrados em literatura recente. Essas correlações se situaram entre 97% e 107% para o fluido interno aos tubos, para o número de Reynolds (ReDht) com valores compreendidos entre 2100 e 9200. Para o fluido externo (escoamento externo pelas aletas), a correlação entre os resultados teóricos e experimentais se situou entre 90% e 100%, com Reynolds (ReLp) compreendidos entre 196 e 953, validando deste modo, os resultados encontrados nos experimentos, cuja estimativa de incerteza de medição foi de 2.6% a 10.7% com nível de confiança de 95%. Foi encontrado então que o uso de tubos com dimples promoveu um incremento no fator de ganho de taxa de transferência de calor ?, entre 1,37 e 2,28 quando comparados aos tubos sem dimples, o que significa que a relação entre o coeficiente de transferência de calor adimensional de Colburn dos tubos com dimples e sem dimples, jid /jis, foi maior que a relação entre o fator de atrito do fluido interno nos tubos com dimples e sem dimples, fid/ fis no radiador com dimples, a uma dada condição de potência fixa de bombeamento do fluido interno e de potência ideal de ventilador. Houve, portanto, um ganho em rejeição de calor com o uso de dimples de perfil retangular em tubos de perfil plano em trocadores de calor compactos. Este trabalho apresenta o estudo experimental e teórico, comparação e validação de tais resultados.

Mecanismos de aprimoramentos passivos elevam a taxa transferência de calor em trocadores de calor por meio de modificações na superfície de troca térmica. Estas modificações geram turbulência no escoamento sem a necessidade de utilizar dispositivos que consomem energia externa. Este efeito limita o crescimento da camada limite térmica perto da superfície de transferência de calor. Neste trabalho a melhoria da superfície de troca térmica é exercida utilizando as aletas triangulares com venezianas. Este tipo de aleta promove incremento na troca térmica sem a necessidade de adição de material extra na sua fabricação ou qualquer modificação extrema no projeto do trocador de calor. Em virtude disso, o uso de aletas com venezianas em trocadores de calor utilizados no setor automotivo tem se mostrado eficiente para projetos onde há limitações de espaço e demanda por maior troca térmica. O trocador de calor compacto estudado é um intercooler utilizado para arrefecer o ar de admissão em veículos turboalimentados. Para efeito comparativo, foram então construídos dois modelos de intercoolers com dimensões geométricas idênticas, e com a mesma quantidade de tubo e aletas. Assim, um modelo foi fabricado com aleta triangular e o outro com aleta triangular com venezianas. A avaliação dos dois modelos de intercoolers, foram realizadas através de análise teórica e experimental. Os ensaios foram conduzidos em um banco de ensaio denominado calorímetro. Por meio dele os intercoolers com aletas triangulares e com aletas triangulares com venezianas tiveram suas taxas de dissipação de calor obtidas assim como as suas vazões e quedas de pressões em ambos os escoamentos. Os resultados experimentais foram comparados com os resultados obtidos por meio de correlações analíticas provenientes do método da Efetividade-NUT. As diferenças entre os resultados experimental e o teórico calculado pelo método ? - NUT variou entre 0,22% e 5,42% no escoamento interno e 0,06% e 9,92% no escoamento externo. Portanto, as comparações entre os resultados experimental e o calculado pelo método ? - NUT para ambos os modelos de intercooler apresentaram-se satisfatórios cuja a estimativa de incerteza de medição situou-se entre 1,43% e 4,06% para um nível de confiança de 95%. Os resultados obtidos foram apresentados em fator j de Colburn de modo a fornecer uma representação da transferência de calor em termos de parâmetro adimensional em função do número de Reynolds. Foi constatado que o fator j de Colburn na superfície com aleta triangular com venezianas é 2 vezes maior que o da superfície com aleta triangular. Contudo, o fator de atrito da superfície com aleta triangular com venezianas é 5 vezes maior que a superfície com a aleta triangular. Portanto houve um ganho na dissipação do calor com um aumento significativo no fator de atrito. Com o objetivo de avaliar a viabilidade da aleta com venezianas foram feitas análises simultâneas entre o fator j de Colburn e o fator de átrio de Fanning por meio do critério de avaliação de desempenho. Com tais ganhos obtidos e análises realizadas pode-se afirmar que a técnica desenvolvida por este trabalho de tese apresenta-se muito adequada para o desenvolvimento de trocadores de calor automotivos.