Heat exchangers for cardioplegia systems: In vitro study of four different concepts

The aim of this work is the evaluation of four different heat exchangers used for myocardium during cardioplegic system in cardiac surgeries. Four types of shell and tube heat exchangers made of different exchange elements were constructed, as follows: stainless steel tubes, aluminium tubes, polypropylene hollow fiber, and bellows type. The evaluation was performed by in vitro tests of parameters such as heat transfer, pressure drop, and hemolysis tendency. The result has shown that all four systems tested were able to achieve the heat performance, and to offer low resistance to flow, and safety, as well as have low tendency to hemolysis. However, we can emphasize that the bellows type heat exchanger has a significant difference with regard to the other three types.

Numerical and experimental analysis of natural convection in a cavity with flush mounted heat sources on a side wall

This work considers a problem of interest in several technological applications such as the thermal control of electronic equipment. It is also important to study the heat transfer performance of these components under off-normal conditions, such as during failure of cooling fans. The effect of natural convection on the flow and heat transfer in a cavity with two flush mounted heat sources on the left vertical wall, simulating electronic components, is studied numerically and experimentally. The influence of the power distribution, spacing between the heat sources and cavity aspect ratio have been investigated. An analysis of the average Nusselt number of the two heat sources was performed to investigate the behavior of the heat transfer coefficients. The results obtained numerically and experimentally, after an error analysis, showed a good agreement.

Simulação numérica de trocadores de calor multitubulares equipados com fitas helicoidais externamente aos tubos

Classical shell-and-tube heat exchangers are usually equipped with segmental baffles. These baffles serve two basic functions: (a) they provide tube supports, thereby preventing or reducing mechanical problems, such as sagging or vibration; (b) they direct the fluid flow over the tubes so as to introduce a cross-flow component, thereby increasing the heat transfer. Segmented baffles have several sources of performance loss, some due to various leakage flows and others caused by stagnation zones. A new concept of longitudinal flow heat exchanger - based on placing twisted tapes along the tube bundle subchannels - was developed to mitigate drawbacks of other types of tubular heat exchangers. In this paper, a numerical model has been implemented in order to simulate the thermal-hydraulic feature of tubular heat exchangers equipped either with segmental baffles or with subchannel twisted tapes. The tube bundle has been described by means of an equivalent porous medium type model, allowing a macroscopic description of the shell-side flow. The basic equations - continuity, momentum and energy - have been solved by using the finite volume method. Typical numerical results have been compared with experimental data, reaching a very good agreement. A comparative analysis of different types of heat exchangers has been carried out, revealing the satisfactory thermal-hydraulic efficiency level of the twisted tapes heat exchangers.

A two phase flow nonlinear parameter estimation for capillary tube-suction line heat exchanger

Here we present two-phase flow nonlinear parameter estimation for HFC's flow through capillary tube-suction line heat exchangers, commonly used as expansion devices in small refrigeration systems. The simplifying assumptions adopted are: steady state, pure refrigerant, one-dimensional flow, negligible axial heat conduction in the fluid, capillary tube and suction line walls. Additionally, it is considered that the refrigerant is free from oil and both phases are assumed to be at the same pressure, that is, surface tension effects are neglected. Metastable flow effects are also disregarded, and the vapor is assumed to be saturated at the local pressure. The so-called homogeneous model, involving three, first order, ordinary differential equations is applied to analyze the two-phase flow region. Comparison is done with experimental measurements of the mass flow rate and temperature distribution along capillary tubes working with refrigerant HFC-134a in different operating conditions.

Análise experimental e numérica de convecção forçada em arranjo de obstáculos dentro de canal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Análise numérica de um coletor solar de tubo evacuado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Modelagem térmica para avaliação da temperatura no fresamento de aços para moldes e matrizes

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Análise computacional dos campos de velocidade e temperatura do ambiente interno da usina termelétrica Santana - Amapá

A simulação numérica do escoamento de ar em ambientes internos é na atualidade o método mais apropriado para análise de conforto térmico em ambientes internos. O escoamento de ar nesses ambientes configura-se como um escoamento complexo, pois, em regra geral, é uma combinação de escoamentos cisalhantes livres (jatos) e cisalhantes de parede, além disso, esses escoamentos são governados por forças de inércia e forças de empuxo, caracterizando-o como de convecção mista. A combinação desses mecanismos cria um escoamento com características complexas, como zonas de recirculação, vórtices, descolamento e recolamento de camada-limite dentre outras. Portanto, a precisão da solução estará diretamente ligada, principalmente, na habilidade do modelo de turbulência adotado de reproduzir as características turbulentas do escoamento de ar e da transferência térmica. O objetivo principal do presente trabalho foi a simulação computacional do ambiente térmico interno do galpão que abriga os geradores e motores Wärtzilä da Usina Termelétrica Santana no estado do Amapá. A formulação matemática baseada na solução das equações gerais de conservação inclui uma análise dos principais modelos de turbulência aplicados ao escoamento de ar em ambientes internos, assim como os processos de transferência de calor associados. Na modelagem numérica o método de volumes finitos é usado na discretização das equações de conservação, através do código comercial Fluent-Airpak, que foi usado nas simulações computacionais para a análise dos campos de velocidade e temperatura do ar. A utilização correta do programa computacional foi testada e validada para o problema através da simulação precisa de casos retirados da literatura. Os resultados numéricos foram comparados a dados obtidos de medições experimentais realizados no galpão e apresentou boa concordância, considerando a complexidade do problema simulado, o objetivo da simulação em face da diminuição da temperatura no interior do galpão e, também, em função das limitações encontradas quando da tomada das medições experimentais. Além disso, foram feitas simulações de estratégias de melhoria do ambiente térmico da Usina, baseadas na realidade levantada e nos resultados da simulação numérica. Finalmente, foram realizadas simulações do protótipo de solução proposto para a diminuição da temperatura interna do galpão o que possibilitará um aumento, na faixa de 20 a 30%, do tempo de permanência no interior do galpão.

Investigation of the Effect of Sealer Use on the Heat Generated at the External Root Surface during Root Canal Obturation Using Warm Vertical Compaction Technique with System B Heat Source

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spurious transients of projection methods in microflow simulations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Graded meshes in bio-thermal problems with transmission-line modeling method

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise computacional do fenômeno de transferência de calor em paredes divisórias do tipo dry wall

O presente trabalho visa a fornecer uma contribuição ao estudo dos perfis formados a frio sob altas temperaturas, em conseqüência da deflagração de um incêndio. Especificamente, abordam–se assuntos inerentes ao fenômeno da transferência de calor em paredes do tipo steel frame – dry wall com ou sem isolamento térmico na cavidade. Para tanto, propõem–se modelos computacionais capazes de fornecer, com certa precisão, o valor de temperatura em qualquer ponto do sistema estudado. Dessa forma, é possível, então, traçar configurações de distribuição de temperatura (uniforme ou não–uniforme) na seção transversal dos montantes que constituem o painel, fornecendo subsídios para análise de estabilidade e pós–flambagem dos elementos estruturais em questão. As simulações numéricas de transferência de calor são efetuadas com auxílio dos programas computacionais ABAQUS e SAFIR, ambos baseados no método dos elementos finitos.

Modeling of continuous thermal processing of a non-Newtonian liquid food under diffusive laminar flow in a tubular system

The classic conservative approach for thermal process design can lead to over-processing, especially for laminar flow, when a significant distribution of temperature and of residence time occurs. In order to optimize quality retention, a more comprehensive model is required. A model comprising differential equations for mass and heat transfer is proposed for the simulation of the continuous thermal processing of a non-Newtonian food in a tubular system. The model takes into account the contribution from heating and cooling sections, the heat exchange with the ambient air and effective diffusion associated with non-ideal laminar flow. The study case of soursop juice processing was used to test the model. Various simulations were performed to evaluate the effect of the model assumptions. An expressive difference in the predicted lethality was observed between the classic approach and the proposed model. The main advantage of the model is its flexibility to represent different aspects with a small computational time, making it suitable for process evaluation and design. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

CFD modeling of two-phase boiling flows in the slug flow regime with an interface capturing technique

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value.