La presente Tesis centra la atención en la simulación numérica y validación experimental del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos (líquido-vapor), así como su aplicación en sistemas y equipos térmicos, propios del campo de la refrigeración y del aire acondicionado. Consecuencia del estudio realizado ha sido la elaboración de códigos informáticos para la simulación numérica de condensadores, evaporadores y dispositivos de expansión del tipo capilar, en base a la formulación de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos. La Tesis también aborda la simulación de sistemas frigoríficos completos en base a algoritmos que acoplan la resolución de los elementos que lo integran.El flujo bifásico se ha modelizado en base a la resolución de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos, escritas en forma unidimensional y estado permanente o transitorio. Las ecuaciones gobernantes se resuelven mediante esquemas numéricos del tipo implícito que avanzan tramo a tramo en la dirección del flujo o bien esquemas numéricos basados en corrección de presiones. La formulación implementada requiere de información empírica para evaluar la interacción entre el fluido y los contornos sólidos limitantes, así como la estructura del flujo bifásico. Las formulaciones matemáticas implementadas han sido suficientemente contrastadas experimentalmente en base a resultados presentados en la literatura científica. El modelo implementado para la simulación del flujo a través de tubos capilares, utiliza la modelización del flujo bifásico, resolviéndose en base a un algoritmo de tipo tramo a tramo. El caudal másico que circula por el capilar, o alternativamente la presión de entrada, se evalúan en base a un algoritmo Newton-Raphson, tanto para las condiciones de flujo crítico (estrangulado) como de flujo no crítico. La comparación realizada entre resultados numéricos y experimentales de diferentes autores muestra un notable grado de correlación. El modelo implementado para la simulación de condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntricos, se ha estructurado en base a un algoritmo que en forma segregada e iterativa resuelve cada una de las partes del dominio: flujo en el interior del tubo, flujo en el ánulo, y los sólidos (tubo interior, tubo exterior, aislante). Para las zonas de flujo de fluido se utiliza el modelo desarrollado para flujo bifásico. Para los sólidos, la ecuación de conducción de calor se ha discretizado en base a un esquema numérico implícito del tipo central difference, resolviéndose el sistema de ecuaciones algebraicas en base a un algoritmo Gauss-Seidel apoyado en un TDMA en las direcciones radiales y axiales alternativamente. El tubo aislado ha recibido un tratamiento tridimensional axialsimétrico, mientras que el tubo interior recibe un tratamiento unidimensional.El estudio de evaporadores y condensadores de tipo compacto (tubos y aletas). La simulación desarrollada del flujo bifásico se ha implementado en un algoritmo numérico detallado de resolución del flujo del aire exterior y de los sólidos. Así de forma acoplada se resuelve el flujo en el interior de los conductos, el flujo de aire exterior y la transferencia de calor por conducción a través de los elementos sólidos (tubos y aletas). Se presentan distintos resultados experimentales con fines a la contrastación y validación de las subrutinas desarrolladas. La integración de los diferentes equipos anteriores mencionados en sistemas de refrigeración por compresión de vapor se realiza mediante un modelo numérico para la resolución tanto de sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, como de sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido. Ambos algoritmos numéricos se basan en un programa principal el cual llama de manera secuencial a diferentes subrutinas que evalúan los diferentes equipos y partes del sistema hasta que se alcanza la convergencia deseada. Se detalla la infraestructura experimental desarrollada con el objeto de validar las simulaciones numéricas para cada uno de los elementos integrantes del sistema y del sistema en su conjunto. Se presenta la contrastación entre resultados experimentales y numéricos para los sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, así como resultados numéricos obtenidos por la simulación para el caso del sistema con sobrealimentación de líquido.

Este trabalho apresenta os resultados da pesquisa "Análise do Escoamento de Fluidos Refrigerantes Alternativos ao HCFC 22 em Tubos Capilares Adiabáticos", desenvolvida para obtenção do título de Doutor em Engenharia no Departamento de Engenharia Mecânica da EPUSP. Essa pesquisa foi motivada pelas resoluções do Protocolo de Montreal, que prevêem a eliminação gradativa do HCFC 22 e, conseqüentemente, impõem a necessidade da realização de estudos sobre o comportamento de fluidos alternativos ecologicamente aceitáveis nos sistemas de refrigeração e seus componentes. Até o momento, as pesquisas e as referências bibliográficas indicam a utilização de misturas zeotrópicas e quase-azeotrópicas como a melhor alternativa para substituição do HCFC 22. Desta forma, foi realizado um extenso levantamento experimental do escoamento do R-407C (uma mistura zeotrópica) e do R-410A (uma mistura quase-azeotrópica) através de tubos capilares, em uma unidade laboratorial construída para essa finalidade. Esse levantamento, realizado para condições de entrada subresfriada e saturada, caracterizou a influência destes fluidos refrigerantes e dos diversos parâmetros operacionais e geométricos no comportamento do tubo capilar em sistemas de refrigeração. Foram desenvolvidos dois modelos (fases separadas e homogêneo) para a modelagem matemática do escoamento de fluidos refrigerantes através de tubos capilares, a fim de verificar o efeito do tipo de escoamento adotado nessa modelagem. A validação dos programas de simulação desenvolvidos, tanto para os dados experimentais obtidos no presente trabalho quanto para dados de literatura, mostra que os dois modelos podem ser utilizados para essa modelagem, apresentando desvios semelhantes em relação aos dados experimentais. A fim de aprimorar os modelos, é necessária a realização de estudos mais aprofundados sobre o atraso de vaporização e a ocorrência de blocagem na saída do tubo capilar. Por fim, foi realizado um estudo numérico comparativo do desempenho do HCFC 22 e dos alternativos R-407C e R-410A, que indicou que o primeiro é adequado tanto para o "retrofit" de equipamentos existentes quanto para utilização em novos equipamentos, enquanto que o segundo deve ser utilizado apenas em novos equipamentos. / This work presents the results of the research activities on the "Analysis of HCFC 22 Alternatives Flow Through Adiabatic Capillary Tubes", developed at the Mechanical Engineering Department of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Such research was motivated by the resolutions of Montreal Protocol, which imposes gradational elimination of several refrigerants, among them HCFC 22. This leads to the necessity of carrying out studies on the behaviour of ecologically acceptable refrigerants in refrigeration systems and components. So far, researches and literature indicate the usage of zeotropic and near azeotropic refrigerant mixtures as the best alternative to HCFC 22. Therefore, it was performed an extensive experimental survey on R-407C (a zeotropic mixture) and R-410A (a near azeotropic mixture) flow through capillary tubes. Such survey, which was carried out for both subcooled and two-phase inlet conditions, characterised the influence of these refrigerants, as well as the several operating and geometric parameters on the behaviour of capillary tubes used in refrigeration systems. In order to analyse the effect of different approaches for two-phase flow, it was developed two models (separated flow model and homogeneous model) for mathematical simulation of refrigerant flow through adiabatic capillary tubes. Models validation using both experimental and literature data shows that the two models are suitable for such simulation, with the same error level in relation to experimental data. It was also noticed that it is necessary to perform more comprehensive studies on the delay of vaporisation and capillary tube outlet shocking flow phenomena. Finally, it was performed a comparative study on the performance of HCFC 22, R-407C and R-410A, which indicates that R-407C is suitable both for retrofitting actual equipment and for new ones, while R-410A is suitable only for new equipment.

Este trabalho apresenta os resultados da pesquisa "Análise do Escoamento de Fluidos Refrigerantes Alternativos ao HCFC 22 em Tubos Capilares Adiabáticos", desenvolvida para obtenção do título de Doutor em Engenharia no Departamento de Engenharia Mecânica da EPUSP. Essa pesquisa foi motivada pelas resoluções do Protocolo de Montreal, que prevêem a eliminação gradativa do HCFC 22 e, conseqüentemente, impõem a necessidade da realização de estudos sobre o comportamento de fluidos alternativos ecologicamente aceitáveis nos sistemas de refrigeração e seus componentes. Até o momento, as pesquisas e as referências bibliográficas indicam a utilização de misturas zeotrópicas e quase-azeotrópicas como a melhor alternativa para substituição do HCFC 22. Desta forma, foi realizado um extenso levantamento experimental do escoamento do R-407C (uma mistura zeotrópica) e do R-410A (uma mistura quase-azeotrópica) através de tubos capilares, em uma unidade laboratorial construída para essa finalidade. Esse levantamento, realizado para condições de entrada subresfriada e saturada, caracterizou a influência destes fluidos refrigerantes e dos diversos parâmetros operacionais e geométricos no comportamento do tubo capilar em sistemas de refrigeração. Foram desenvolvidos dois modelos (fases separadas e homogêneo) para a modelagem matemática do escoamento de fluidos refrigerantes através de tubos capilares, a fim de verificar o efeito do tipo de escoamento adotado nessa modelagem. A validação dos programas de simulação desenvolvidos, tanto para os dados experimentais obtidos no presente trabalho quanto para dados de literatura, mostra que os dois modelos podem ser utilizados para essa modelagem, apresentando desvios semelhantes em relação aos dados experimentais. A fim de aprimorar os modelos, é necessária a realização de estudos mais aprofundados sobre o atraso de vaporização e a ocorrência de blocagem na saída do tubo capilar. Por fim, foi realizado um estudo numérico comparativo do desempenho do HCFC 22 e dos alternativos R-407C e R-410A, que indicou que o primeiro é adequado tanto para o "retrofit" de equipamentos existentes quanto para utilização em novos equipamentos, enquanto que o segundo deve ser utilizado apenas em novos equipamentos. / This work presents the results of the research activities on the "Analysis of HCFC 22 Alternatives Flow Through Adiabatic Capillary Tubes", developed at the Mechanical Engineering Department of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Such research was motivated by the resolutions of Montreal Protocol, which imposes gradational elimination of several refrigerants, among them HCFC 22. This leads to the necessity of carrying out studies on the behaviour of ecologically acceptable refrigerants in refrigeration systems and components. So far, researches and literature indicate the usage of zeotropic and near azeotropic refrigerant mixtures as the best alternative to HCFC 22. Therefore, it was performed an extensive experimental survey on R-407C (a zeotropic mixture) and R-410A (a near azeotropic mixture) flow through capillary tubes. Such survey, which was carried out for both subcooled and two-phase inlet conditions, characterised the influence of these refrigerants, as well as the several operating and geometric parameters on the behaviour of capillary tubes used in refrigeration systems. In order to analyse the effect of different approaches for two-phase flow, it was developed two models (separated flow model and homogeneous model) for mathematical simulation of refrigerant flow through adiabatic capillary tubes. Models validation using both experimental and literature data shows that the two models are suitable for such simulation, with the same error level in relation to experimental data. It was also noticed that it is necessary to perform more comprehensive studies on the delay of vaporisation and capillary tube outlet shocking flow phenomena. Finally, it was performed a comparative study on the performance of HCFC 22, R-407C and R-410A, which indicates that R-407C is suitable both for retrofitting actual equipment and for new ones, while R-410A is suitable only for new equipment.

Submitted by Sandra Pereira (srpereira@ufrrj.br) on 2018-05-11T13:46:52Z No. of bitstreams: 1 2010 - Renata Kazuko Sakai.pdf: 1267056 bytes, checksum: 688ad78c0490ec2ff8c2c641467143d0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-11T13:46:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010 - Renata Kazuko Sakai.pdf: 1267056 bytes, checksum: 688ad78c0490ec2ff8c2c641467143d0 (MD5) Previous issue date: 2010-02-22 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior, CAPES, Brasil. / Artificial feeding of ticks can be used to study the relationship between vectors and pathogens, biological aspects, to test acaricides and to minimize the use of animals in scientific studies. The objectives of this study were artificially feeding through capillary tubes, females partially engorged of Rhipicephalus sanguineus previously fed on rabbits and dogs. In addition, the gain in weight of females and the influence of the technique in the biological aspects of non-parasitic phase of this species were also analyzed. Partially engorged females of R. sanguineus were obtained from infestation in rabbits and dogs in different intervals of initial weights and fed artificially for 24 hours to assess the best weight gains for the next stage. Female ticks with the best gains in weight were obtained on rabbits and dogs were separated into five groups of homogeneous weight, between 35 and 80mg and 21 to 50mg, respectively. The females were fixed in polystyrene tray with double-sided tape and fed artificially through capillary tubes for 6, 12, 24, 36 and 42 hours with citrated canine blood. After artificial feeding, ticks were again weighed to analyze the weight gain. Subsequently, they were fixed in Petri dishes and incubated at 27?1?C and humidity above 80%, in order to analyze the biological aspects. Control groups were obtained from natural fall of rabbits and dogs and the ticks were kept under the same conditions of temperature and humidity. For the statistical analysis, ANOVA and Tukey test were used for quantitative variables. In addition, the nonparametric Kruskal-Wallis was applied for qualitative variables, both with 5% of significance level. After 36 hours of artificial feeding there were difference statistically significant between groups, in relation to weight gain, for both females obtained from rabbits and dogs. Although the females of R. sanguineus had not been submitted to complete engorgement, the technique of artificial feeding of females derived from rabbits and dogs, no deleterious effects on the biological aspects of non-parasitic stage were observed. / A alimenta??o artificial de carrapatos pode ser utilizada para estudar a rela??o entre vetores e agentes patog?nicos, aspectos biol?gicos, para testar acaricidas e para minimizar a utiliza??o de animais em estudos cient?ficos. Os objetivos deste estudo foram alimentar artificialmente, por meio de tubos capilares, f?meas parcialmente ingurgitadas do carrapato Rhipicephalus sanguineus previamente alimentadas em coelhos e c?es. Al?m disso, foram analisados tamb?m o ganho de peso das f?meas e a influ?ncia da t?cnica nos aspectos biol?gicos da fase n?o parasit?ria desta esp?cie. F?meas parcialmente ingurgitadas de R. sanguineus foram obtidas de infesta??o em coelhos e c?es, em diferentes faixas de pesos iniciais e alimentadas artificialmente por 24 horas, para avaliar os melhores ganhos de peso para a pr?xima etapa. F?meas de carrapatos com os melhores ganhos de peso obtidas de infesta??o em coelhos e c?es, foram separadas em cinco grupos de peso homog?neo, pesando entre 35 a 80 mg e 21 a 50 mg, respectivamente. As f?meas foram fixadas em bandeja de isopor com fita adesiva dupla face e alimentadas artificialmente por meio de tubos capilares por 6, 12, 24, 36 e 42 horas, com sangue canino citratado. Ap?s alimenta??o artificial, os carrapatos foram pesados para avaliar o ganho de peso. Posteriormente, foram fixados em Placas de Petri e mantidos em estufa a 27?1?C e umidade superior a 80%, para avaliar os aspectos biol?gicos. Os grupos controles foram obtidos de queda natural de coelhos e c?es e mantidos nas mesmas condi??es de temperatura e umidade. Para an?lise estat?stica das vari?veis quantitativas foram utilizada an?lise de vari?ncia e teste de Tukey e para as vari?veis qualitativas foram utilizados o teste n?o param?trico Kruskal-Wallis, ambas com n?vel de signific?ncia de 5%. A partir de 36 horas de alimenta??o artificial foi observada diferen?a estat?stica significativa entre os grupos, em rela??o ao ganho de peso, tanto para f?meas obtidas de coelhos e de c?es. Embora as f?meas de R. sanguineus n?o tenham apresentado ingurgitamento total, a t?cnica de alimenta??o artificial de f?meas oriundas de coelhos e de c?es, n?o apresentou efeitos delet?rios sobre os aspectos biol?gicos da fase n?o parasit?ria.