Orientador: Paulo de Barros Correia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T00:56:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Assuncao_ValdecinoFerreirade_M.pdf: 5948222 bytes, checksum: 1004c2f9409ac5ca5896ed6357048d70 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Neste trabalho procura-se desenvolver um modelo de otimização de rede de trocadores de calor que represente adequadamente o processo e permita avaliar a influência de algumas variáveis da integração energética do mesmo, objetivando a redução do uso das utilidades e da área de transferência de calor. Neste sentido, busca-se apresentar não apenas uma solução em que um dos objetivos é ótimo, mas um conjunto de soluções eficientes que permita ao analista escolher a situação mais conveniente. As funções objetivos são analisadas utilizando técnicas de otimização multi-objetivo, com as trocas térmicas realizadas de acordo com as restrições impostas pelas técnicas de otimização em grafo generalizado e por um algoritmo que avalia adequadamente os intervalos de temperatura das correntes envolvidas no processo. Além disso, o modelo permite que se inclua todas as restrições relativas às combinações entre correntes e também parte das perdas de calor inerentes a estas, gerando, portanto, resultados mais realísticos. No entanto, para atingir os objetivos propostos pelo modelo são necessárias diversas combinações entre correntes, acarretando geralmente no uso de vários equipamentos de transferência de calor / Abstract: This work develops an optimization model for heat exchanger network synthesis which adequately represents the actual process. The model allows the evaluation of the intluence of the minimum utility usage and of the minimum heat transfer area in the heat exchange process. Rather than presenting a single solution where one of the objectives has been optimized, a complete set of efficient solutions is generated. The most suitable solution can then be chosen. The objectives are analyzed based on multiple criteria optimization techniques. The heat transfer is modeled in accordance with constraints imposed by generalized graph theory. An algorithm is used to correctly evaluate the stream temperature intervals in the processo Moreover, the model allows the inclusion of alI restrictions regarding the combinations among the streams and part of the heat loss inherent to them. Since heat dissipation to environment is considered, the model generates results similar to those achieved in practice. Nevertheless, to reach the objectives it is necessary to utilize several combinations between streams, increasing the amount of heat exchange equipment required. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Em sistemas frigoríficos de compressão a vapor, o evaporador é o equipamento responsável direto pela retirada de calor de ambientes refrigerados. Por esta razão, este componente é a fonte de investigação do presente estudo, o qual teve por objetivo principal a busca por alternativas para a melhoria de desempenho térmico em sistema frigoríficos. Isto posto, o trabalho foi desenvolvido em três frentes de estudo, as quais encontram-se interligadas entre si: desenvolvimento de programa de simulação de serpentinas resfriadoras; realização de ensaios para determinação das capacidades de trocadores de calor; e revisão bibliográfica circunstanciada do coeficiente de transferência de calor do lado do ar. O programa de simulação desenvolvido, o qual tomou como base o modelo proposto por Rich, mostrou-se ser uma ótima ferramenta de trabalho, tanto no meio acadêmico como no industrial. Como conseqüência da elaboração do programa, fez-se uso de correlações já existentes para determinação dos coeficientes de transferência de calor do lado do refrigerante, Bo Pierre, e do lado do ar, McQuiston, sendo esta última escolhida a partir de um sumário de correlações levantadas quando no estudo dos coeficientes de transferência de calor descritos acima. Para que o programa fosse validado como ferramenta de trabalho, foram realizadas simulações dos ensaios das serpentinas testadas e seus resultados confrontados. Tais resultados apresentam uma adequada concordância,possibilitando validar o programa. Os ensaios foram realizados segundo recomendações da norma ASHRAE 25/1992. Dos dados obtidos nos testes, também foi proposto uma correlação para o fator j-Colburn para superfícies secas; no entanto, tratou-se apenas de especular acerca de seu comportamento com as demais correlações, as quais obtiveram boa concordância. / In refrigerating systems of compression to vapour, the evaporator is the direct responsible equipment for remove of heat of cooling environments. In this way, the component is the source of investigation of the present study, which had for main objective the search for alternatives to improvement the performance thermal in refrigeration systems. The research was developed in three studies fronts, that are connected each other: development of program of simulation of cooling coils; tests to find the performance of heat exchange; and revision bibliographical of the coefficient of heat transfer of air. The developed simulation program, based in the Rich\'s model, it showed to be a good work tool, as in the academic, as in the industrial behaviour. As consequence of the elaboration the program, it was used existents correlations to calculation the coefficients of refrigerant heat transfer, Bo Pierre, and to air, McQuiston, the last one was choose from a correlation\'s summary. Same simulations were made to validated the program of the tested serpentines and the results were confronted. Such results presented an appropriate agreement that contributed to validate the program. The tests were accomplished according to recommendations of the norm ASHRAE 25/1992. One correlation was proposed for the factor j-Colburn for dry surfaces in base of the testes results; however, the purpose was to speculated its behaviour with the other correlations, which obtained good agreement.

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.

Um novo método numérico, para o cálculo da performance térmica de trocadores de calor com fluxos cruzados é apresentado. Dados referentes a efetividade - número de unidades de transferência (\'épsilon\' - NUT) para vários arranjos de escoamento, padronizados e complexos, foram obtidos usando esta metodologia. Os resultados foram validados através da comparação dos resultados com soluções analíticas conhecidas, para trocadores de calor de fluxos cruzados com um ou múltiplos passes, possuindo de uma até várias fileiras de tubos, e com soluções aproximadas utilizando séries infinitas, para trocadores com ambos os fluidos não misturados. Todos os resultados obtidos apresentaram erros muito pequenos, em relação às soluções analíticas e aproximadas. Dados para efetividade, para arranjos complexos de escoamento são apresentados. / A new numerical methodology for thermal performance calculation in cross-flow heat exchangers is developed. Data related to effectiveness - number of transfer units (\'épsilon\' - NTU) for several standard and complex flow arrangements are obtained using this methodology. The results are validated through comparison with analytical solutions for one or more pass cross-flow heat exchangers with one to four rows and with approximate series solution for an unmixed-unmixed heat exchanger, obtaining in all cases very small errors. New effectiveness data for some complex configurations are provided.

O objetivo deste trabalho é realizar uma análise paramétrica do processo de desumidificação de ar comprimido em trocadores de calor compactos com superfícies intensificadoras do tipo aletas deslocadas. A umidade contida no ar comprimido precisa ser retirada do sistema para evitar a formação de condensado nas linhas de distribuição, nos atuadores ou nos dispositivos finais. Utiliza-se o processo de desumidificação por resfriamento onde a temperatura do ar é diminuída até alcançar o ponto de orvalho, resultando em formação de condensado. O desumidificador é constituído por dois trocadores de calor (recuperador e evaporador), sendo cada um deles dividido em duas regiões. Realizou-se a modelagem do processo de transferência de calor para cada um dos trocadores. Utilizou-se o método do potencial de entalpias para determinar os coeficientes globais de transferência de calor de cada trocador. Para a realização da simulação numérica, foi implementado um programa utilizando como ferramenta computacional o programa “Engineering Equation Solver” (EES). O estudo foi feito variando-se os parâmetros geométricos do trocador de calor e verificando sua influência nos coeficientes de transferência de calor, nos calores trocados e nas condições de saída do ar. Primeiramente, cada parâmetro foi analisado individualmente e depois com algumas combinações. Concluiu-se que as dimensões das aletas no recuperador e os comprimentos do recuperador e do evaporador são os parâmetros que mais influenciam nas propriedades do ar comprimido na saída do desumidificador. / The objective of this work is to conduct a parametric analysis of the dehumidification process of compressed air in compact heat exchangers with Offset Strip Fins. The humidity carried by the compressed air should be removed from the system to prevent the condensation in the distribution lines and in the actuators or the final devices. The dehumidification process by cooling occurs when the temperature of the air is diminished until reaching the dew point, resulting in condensation of water vapor. The dehumidifier is constituted by two heat exchangers (recuperator and evaporator), each one of them being divided in two regions. A modeling of the heat and mass transfer process for each heat exchangers, was performed. The enthalpy driving potential method was used to determine the overall heat transfer coefficients of each heat exchanger. The numerical simulation was implemented by using the computational software "Engineering Equation Solver"(EES). The study was made varying the geometric parameters of the heat exchanger and verifying its influences on the heat transfer coefficients, the heat transfer and pressure drop, and the air exit conditions. First, each parameter was analyzed individually and then with some combinations. Its was concluded that the fins dimensions in both regions of the lengths of the recuperator and the evaporator are the parameters that have larger influence on the exit compressed air properties.

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.

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.

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T21:05:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_KarlosRobertodaSilvaBraga_D.pdf: 3767166 bytes, checksum: 84dbe1fdd47e51f85b0bb9c1fdf09a4e (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho foi adaptado um programa computacional para o projeto e simulação numérica de diferentes configurações de ciclos de refrigeração por absorção utilizando a mistura água ¿ amônia como fluido de trabalho, visando aplicações em condicionamento de ar para setores residencial e comercial. Foram estudados os ciclos de simples efeito e duas configurações de modelos com Troca de Calor Gerador-Absorvedor (GAX ¿ Generator-Absorber heat eXchange), uma com absorvedor de dois estágios e gerador de dois estágios e outra com absorvedor de três estágios e gerador de dois. Foram utilizadas equações de conservação da massa total da matéria, do número de moles de amônia e de energia para cada componente relevante da máquina, relações de estado termodinâmico para cada ponto do sistema, bem como, equações de transferência de calor em termos de parâmetro globais, para relacionar a transferência de calor às diferenças efetivas de temperatura, empregando os métodos da Diferença de Temperaturas Média Logarítmica e da Efetividade. As relações de estado termodinâmico da mistura água-amônia são derivadas analiticamente de duas equações representando a energia livre de Gibbs em termos de pressão, temperatura e concentração para as fases de líquido e de vapor. O sistema resultante de equações não lineares foi resolvido pelo método de Substituição-Newton-Raphson. Os resultados de desempenho, de temperaturas e de transferência de calor nos equipamentos que compõem o ciclo foram obtidos a partir da variação de parâmetros operacionais tais como, temperatura do ambiente a ser resfriado, temperatura do ar externo e temperatura do fluido quente na entrada do gerador. Após isso, foi realizado um estudo de otimização do coeficiente de desempenho e efeito frigorífico do ciclo GAX a partir da variação dos parâmetros globais dos trocadores / Abstract: In this work a computer program was adapted for design and numerical simulation of different configurations of absorption refrigeration cycles using the mixture water - ammonia as the working fluid, aiming at applications in air conditioning for residential and commercial sectors. Cycles of single effect, Generator-Absorber Heat eXchange (GAX ¿ Generator-Absorber heat eXchange) with two-stages absorber and two-stages generator and the other with three-stage absorber and two-stages generator were studied. Mass conservation equations of mass and energy of ammonia for each relevant component ratios thermodynamic state for each point in the system were used, as well as heat transfer equations in terms of global heat transfer parameter, relating to heat transfer to the actual temperature difference, using the methods of the logarithmic average temperature difference and effectiveness. The relations of thermodynamic state of the mixture water - ammonia are derived analytically for two equations for the Gibbs free energy in terms of pressure, temperature and concentration for phases of liquid and vapor. The resulting system of nonlinear equations was solved by the substitution method-Newton-Raphson. The results of performance, temperature and heat transfer equipment comprising in the cycle were obtained from the variation of operating parameters such as temperature of the environment to be cooled, the external air temperature and the hot fluid inlet temperature generator. After that, an optimization study of the coefficient of performance and fridge effect was performed for GAX cycle from the variation of the global parameters of the exchangers / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T20:19:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CordovaLobaton_ObedAlexander_M.pdf: 3664265 bytes, checksum: 7d0e4dd270c0e374e1759964ae336178 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O trabalho apresenta metodologias computacionais de otimização e simulação para o desenvolvimento do projeto de um sistema de bomba de calor para aquecimento de água em prédios residenciais, especialmente para uso em banho na região de Campinas. O sistema bomba de calor foi simulado focando o estudo nos trocadores de calor (evaporador e condensador). Cada componente foi otimizado mediante uma análise térmica e econômica que permitiu reduzir custos de investimento e de operação através do desenho e dimensionamento de cada trocador; todo foi feito através de um algoritmo de otimização usando o método de SQP (Programação Quadrática Sequencial) e auxiliado pela função fmincon do ambiente MatLab® Uma vez selecionado o melhor conjunto de elementos de cada trocador de calor, o projeto ótimo foi simulado a diferentes condições de operação através do Método de Substituição-Newton- Raphson. Os resultados obtidos reafirmam que as bombas de calor permitem uma grande economia de energia quando comparados com outros tipos de aquecimento de água, especialmente, o chuveiro elétrico / Abstract: This work presents computational methodologies, of optimization and simulation for design of a heat pump system, for heating water in residential buildings, especially for domestic shower use, in the region of Campinas. The heat pump system was simulated focusing the study on the heat exchangers (evaporator and condenser). Each component was optimized by thermal and economic analysis, by which the design and size of each exchanger where sought so as to reduce investment and operating costs, through an optimization algorithm, using the SQP method (Sequential Quadratic Programming) and assisted by the function fmincon from MatLab. Then, after the best set of elements selection of each heat exchanger, the resulting design was simulated under different operating conditions by the Substitution-Newton-Raphson method. The results confirm that the heat pumps provide significant energy savings when compared with other types of water heating, especially the electric shower / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica