Simulació numèrica de fenòmens de transferència de calor i dinàmics de fluids transitoris

The work carried out during the 4 year research activity can be barely classified in two main lines. On the one hand, a considerable effort is taken to address issues related with the verification of multi-dimensional and transient solutions that are obtained by numerical simulations. Within the studied cases, we can consider cases of piston-cylinder ows within geometries similar to those of hermetic reciprocating compressors.This issue is mentioned in Part I. On the other hand, numerical simulations of different phenomena have been performed. More emphasis has been given to the natural convection ow within enclosures. This is explained in Part II. The case extensively studied has been the natural convection ow. The natural convection ow within enclosures has attracted the attention of many researchers due to its potential to model numerous applications of engineering interest, such as cooling of electronic devices, air ow in buildings, heat transfer in solar collectors, among others. The natural convection studies corresponding to the parallelepipedic enclosures can be classified into two elementary classes: i) heating from a horizontal wall (heating from below); ii) heating from a vertical wall. The characteristic example of the former case is the Rayleigh-B_enard ow, however this research is on the cavities heated from the side. This configuration is referred commonly as the differentially heated cavity.

Sabbatical stay at CREVER, University Rovira i Virgili

A three-year research proposal of international impact and quality was developed between the author and CREVER researchers, taking into account the infrastructure and research lines already being carried out at CREVER. The project is related to the study of new mixtures in thermal activated systems, by the addition of a third component to help the heat transfer processes. The project proposes the use of water and lithium nitrate as absorbents in ternary ammonia mixtures, varying the concentration with the objective of optimising the mixture for solar air conditioning purposes. Also, the research proposal will promote an intensive collaboration in the following years between CREVER and The Centro de Investigación en Energía-UNAM, Mexico.

Numerical simulation of combined heat transfer phenomena (conduction, convection, and radiation). Application to he optimisation of thermal systems

Thermal systems interchanging heat and mass by conduction, convection, radiation (solar and thermal ) occur in many engineering applications like energy storage by solar collectors, window glazing in buildings, refrigeration of plastic moulds, air handling units etc. Often these thermal systems are composed of various elements for example a building with wall, windows, rooms, etc. It would be of particular interest to have a modular thermal system which is formed by connecting different modules for the elements, flexibility to use and change models for individual elements, add or remove elements without changing the entire code. A numerical approach to handle the heat transfer and fluid flow in such systems helps in saving the full scale experiment time, cost and also aids optimisation of parameters of the system. In subsequent sections are presented a short summary of the work done until now on the orientation of the thesis in the field of numerical methods for heat transfer and fluid flow applications, the work in process and the future work.

Improving the accuracy of heat balance integral methods applied to thermal problems with time dependent boundary conditions

In this paper the two main drawbacks of the heat balance integral methods are examined. Firstly we investigate the choice of approximating function. For a standard polynomial form it is shown that combining the Heat Balance and Refined Integral methods to determine the power of the highest order term will either lead to the same, or more often, greatly improved accuracy on standard methods. Secondly we examine thermal problems with a time-dependent boundary condition. In doing so we develop a logarithmic approximating function. This new function allows us to model moving peaks in the temperature profile, a feature that previous heat balance methods cannot capture. If the boundary temperature varies so that at some time t & 0 it equals the far-field temperature, then standard methods predict that the temperature is everywhere at this constant value. The new method predicts the correct behaviour. It is also shown that this function provides even more accurate results, when coupled with the new CIM, than the polynomial profile. Analysis primarily focuses on a specified constant boundary temperature and is then extended to constant flux, Newton cooling and time dependent boundary conditions.

Transmissió de calor. 'Transmisión de calor'.

Resumen del vídeo en catalán

Influência da temperatura do ar de secagem no calor latente de vaporização de água em feijão macassar (Vigna unguiculata (L.) Walp.), variedade sempre-verde

In order to determine the energy needed to artificially dry an agricultural product the latent heat of vaporization of moisture in the product, H, must be known. Generally, the expressions for H reported in the literature are of the form H = h(T)f(M), where h(T) is the latent heat of vaporization of free water, and f(M) is a function of the equilibrium moisture content, M, which is a simplification. In this article, a more general expression for the latent heat of vaporization, namely H = g(M,T), is used to determine H for cowpea, always-green variety. For this purpose, a computer program was developed which automatically fits about 500 functions, with one or two independent variables, imbedded in its library to experimental data. The program uses nonlinear regression, and classifies the best functions according to the least reduced chi-squared. A set of executed statistical tests shows that the generalized expression for H used in this work produces better results of H for cowpea than other equations found in literature.

Suplementação com zinco e selênio em frangos de corte submetidos a estresse cíclico de calor

Frangos criados sob estresse de calor (EC) podem ter padrão antioxidante reduzido, e, a suplementação de zinco e selênio podem amenizar este efeito. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da suplementação de zinco e de selênio, nas formas orgânica e inorgânica, sobre o desempenho, a peroxidação lipídica e o rendimento de carcaça em frangos submetidos a estresse cíclico de calor (EC). Para isso, foram utilizados 2.400 pintos machos de um dia de idade, criados em conforto térmico até o 14º dia, quando 1200 foram submetidos a EC. O delineamento foi o inteiramente casualizado em arranjo fatorial 2 x 5, sendo dois ambientes [conforto (C) e estresse de calor EC] e cinco níveis de suplementação: [S1) ração controle; S2) S1 + 40 mg/kg de Zn inorgânico; S3) S1 + 40 mg/kg de Zn orgânico; S4) de S1 + 40 mg/kg de Zn inorgânico e 0,2 mg/kg de selênio orgânico, e S5) S1 + 40 mg/kg de Zn orgânico e 0,2 mg/kg de selênio orgânico], totalizando dez tratamentos, com oito repetições de 30 aves cada. Foram avaliados os níveis sanguíneos de substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico, temperatura cloacal (TC), ganho de peso, consumo de ração, conversão alimentar, peso vivo e rendimento de carcaça e cortes. No 35° e no 42° dias, aves sob EC apresentaram elevação de TC. Ganho de peso, conversão alimentar e carcaça eviscerada foram influenciados negativamente pelo calor. O ambiente e os níveis de suplemento não alteraram o rendimento de peito com e sem osso, sobrecoxa e coxa, e asas. Nas condições ambientais e nutricionais, não se identificou a necessidade de adição suplementar de zinco orgânico e inorgânico e selênio orgânico.

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Transferência de calor em fluidos Não-Newtonianos

Foi realizado um estudo sobre o efeito do tipo de fluidos na transferência de calor. Pretende-se determinar a influência da concentração da solução de Goma de Xantano, do número de Reynolds, do número de Weissenberg, da temperatura e do tempo de escoamento no coeficiente de transferência de calor, jH. O estudo da transferência de calor foi feito num permutador de tubos duplos concêntricos. Já o estudo da reologia foi realizado num reómetro. Na caracterização reológica das soluções de XG, a viscosidade aumenta com a concentração das soluções, diminui para taxas de deformação crescentes e com o aumento da temperatura para ambas as soluções. Os dados mostram um aumento da intensidade da pseudoplasticidade com a concentração do polímero, sendo os valores representados pelo modelo de Sisco. A degradação da solução de 0,20% de goma de xantano a 25 ºC, com o escoamento, é muito acelerada. Os resultados dos ensaios apresentam uma diminuição da viscosidade de 9,4% a 22,9%, para tempos de escoamento de 12 a 47 horas, respectivamente. Num escoamento turbulento em conduta de secção circular constante os resultados mostram uma redução de arrasto total de 18 para 33%. Para a solução de 0,10 % de XG, verifica-se um aumento do calor transferido de 115% e de 130%, quando a temperatura aumenta de 25 ºC para 36 ºC, respectivamente. A água apresenta valores de calor transferido superiores, cerca de 170%, aos da solução de 0,1 %XG. O factor de correlação empírico de Colbourn (jH), utilizado neste trabalho apresenta valores de acordo com a relação de Cho and Hartnett (1985): jH<2/f. Quando o caudal do fluido quente aumenta verifica-se uma diminuição do factor jH. Em relação ao tempo de escoamento verifica-se uma diminuição de cerca de 70% do coeficiente de transferência de calor ao fim de 47 horas. Finalmente verificamos uma diminuição do factor de transferência de calor com o aumento da temperatura do fluido quente, para ambas as concentrações de goma de xantano. Para as soluções de 0,10 e 0,20% de XG essa diminuição variou entre 38 e 15% e entre 34 e 3%, respectivamente.

Recuperação de calor dos efluentes da tinturaria

Foram utilizados como elemento principal de estudo, os efluentes líquidos dos processos industriais da ENDUTEX, Tinturaria e Acabamento de Malhas, S. A. localizada no município de Caldas de Vizela, distrito de Braga. O estudo foi realizado na empresa devido ao interesse da mesma em poder reaproveitar o calor libertado nos efluentes para aquecimento de parte da água captada no rio de Vizela. O objectivo do trabalho consiste no dimensionamento de um permutador de calor que permita satisfazer o interesse da empresa, assim como, um estudo económico relativo aos custos envolventes. Com o intuito de concretizar os objectivos propostos foram realizadas visitas semanais à empresa para se proceder ao levantamento de dados e para a realização de amostragens do efluente para posterior caracterização. Depois de efectuado o dimensionamento do permutador de placas para diferentes caudais e temperaturas dos fluidos, frio (água do rio) e quente (efluentes), concluiu-se que as condições mais rentáveis correspondiam a um caudal de fluido frio de 17 m3/h em que a temperatura de entrada e de saída no permutador seria de 14 ºC e 48 ºC, respectivamente. O caudal de fluido quente seria de 20 m3/h, sendo a temperatura de entrada e de saída no permutador de 62 ºC e 33,1 ºC, respectivamente. Como resultado do dimensionamento obteve-se um permutador de placas com 167 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 726,9 W/m2ºC, a área projectada de 55,7 m2 e a queda de pressão de 0,904 KPa. Foi consultada a empresa ARSOPI-THERMAL para verificação das características dos permutadores existentes no mercado. No entanto, para as mesmas condições foi sugerido um permutador com 31 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 6267 W/m2ºC, a área projectada de 7,39 m2 e a queda de pressão de 76 KPa. A diferença verificada nos resultados apresentados pode ter origem na utilização de diferentes expressões no cálculo do coeficiente pelicular de transferência de calor (h) e pelo facto da ARSOPI desprezar o factor de sujamento no seu dimensionamento Na análise económica do projecto é de referir que para o arranque do projecto foi feito o levantamento das necessidades de investimento, situando-se este num valor total de 9640€, sendo o investimento financiado apenas por capitais próprios. O prazo de recuperação do investimento (Pay Back Period) é de cerca de 2 meses.

Análise das condições de utilização de permutadores de calor de modo a serem economicamente rentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Perfil Energia, Refrigeração e Climatização

Deteção automática de incêndios. Detetores lineares de calor e de fumos

Existem situações particulares de deteção de incêndio nas quais os tradicionais detetores pontuais de fumo e calor podem não ser a solução mais adequada. São exemplo destas situações, a proteção de grandes áreas e/ou grandes distâncias. Nestas situações, poder-se-á equacionar a utilização de detetores lineares de calor e de fumos.

Estudo de aplicação de coletores solares na produção de eletricidade e calor para uso doméstico

O trabalho apresentado explora o aproveitamento da energia solar para suprir as necessidades energéticas, tanto elétricas como térmicas, de uma habitação tipo 3, recorrendo ao uso de coletores solares, em que o fluido de trabalho é água. As necessidades elétricas serão supridas através da produção de energia com recurso a um ciclo de Rankine, em que fluido de trabalho é um frigorigénio aquecido através de um permutador cujo fluido quente será uma mistura, de água com anticongelante, aquecida pelo coletor solar. Por outro lado, as necessidades térmicas serão satisfeitas através do calor libertado no ciclo de Rankine. Na instalação solar estará integrado um acumulador térmico com apoio energético, caldeira elétrica, que funcionará nas situações em que coletor seja insuficiente para satisfazer as necessidades térmicas. No final será feita uma avaliação económica para que possa atestar a viabilidade económica do projeto, tendo em conta os seus custos totais versus as poupanças energéticas que este sistema origina.

Estudo técnico-económico para otimização do projeto e implementação de uma bomba de calor "heat machine"

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica