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Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A transferência de calor conjugada por convecção forçada-condução de dois aquecedores protuberantes montados na parede inferior (substrato) de um duto retangular foi investigada através de medidas experimentais em laboratório. Potência elétrica era dissipada em resistências embutidas nos aquecedores feitos de alumínio, que eram resfriados em regime permanente por um escoamento forçado de ar no duto. Cada aquecedor transferia calor por convecção diretamente das suas superfícies em contato com o escoamento e por condução para a placa do substrato através da interface comum. Esta condução de calor espalhava na placa do substrato e era transferida por convecção da placa para o escoamento de ar no duto. O resfriamento conjugado dos aquecedores na placa de substrato foi descrito por uma matriz de coeficientes conjugados obtidos por meio de testes experimentais realizados com um aquecedor ativo por vez, em uma faixa do número de Reynolds do escoamento entre 1600 e 6400. Foram utilizadas duas montagens experimentais praticamente idênticas, uma com a placa do substrato de acrílico e a outra, de alumínio. O número de Nusselt adiabático, que é um descritor invariante do processo convectivo de troca de calor, também foi avaliado nos testes com o substrato de acrílico. Os coeficientes conjugados obtidos nestes testes foram então utilizados para prever as temperaturas dos aquecedores em testes adicionais com os dois simultaneamente ativos, sob condições variadas de escoamento e aquecimento. A concordância dessas temperaturas indicou que esses coeficientes são descritores invariantes do resfriamento conjugado dos aquecedores discretos no duto. Simulações numéricas do escoamento e da transferência de calor no duto considerado foram efetuadas com o pacote computacional PHOENICS em um domínio tridimensional semelhante ao duto experimental. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com as medidas experimentais Abstract: Conjugate heat transfer by forced convection-conduction of two protruding heaters mounted on the lower wall (substrate) of a rectangular duct was investigated through experiments in laboratory. Electric power dissipation in the Aluminum heaters¿ embedded resistances was transferred under steady state conditions to forced airflow in the duct. Heat losses from each heater included direct convection from its surfaces in contact with the airflow and conduction to the substrate plate through their common interface. This heat conduction was spread in the substrate plate and eventually transferred by convection from the plate to the airflow in the duct. The heaters¿ conjugate cooling was described by a conjugate matrix with coefficients obtained from experimental tests with a single active heater at a time, in the range of the airflow Reynolds number from 1,600 to 6,400. Two almost identical assemblies were used, one with a Plexiglas plate and the other with Aluminum. The adiabatic Nusselt number, an invariant descriptor of the convective heat transfer, was also evaluated in the tests with the Plexiglas plate. The conjugate coefficients were used to predict the heaters¿ temperatures from additional tests with both active heaters, for arbitrary airflow rates and heaters¿ power dissipation. An agreement of these temperatures indicated that the conjugate coefficients are invariant descriptors of their conjugate cooling. Numerical CFD simulations were performed using the PHOENICS software in a three dimensional domain similar to the experimental assembly. The numerical results were compared to those of the experiments Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A transferência de calor conjugada por convecção forçada e condução de três aquecedores 2D montados rentes ou protuberantes na placa inferior (substrato) de um canal de placas paralelas foi investigada numericamente em regime permanente. Uma taxa uniforme de geração de calor foi assumida em cada aquecedor e seu resfriamento ocorreu por meio de um escoamento forçado de ar com propriedades constantes em regime laminar. Na entrada do canal, os perfis de velocidade e de temperatura do escoamento eram uniformes. Este problema está relacionado ao resfriamento de componentes eletrônicos montados numa placa de circuito impresso. Para um substrato adiabático, o resfriamento dos aquecedores ocorre apenas por convecção forçada. Para um substrato condutivo, dois mecanismos para a transferência de calor dos aquecedores para o escoamento fluido foram considerados. Um, por convecção forçada, diretamente das superfícies dos aquecedores em contato com o escoamento e outro, por condução através das interfaces substrato-aquecedor. As equações de conservação foram resolvidas dentro de um domínio único, que englobou as regiões sólidas e de fluido, através de um procedimento acoplado. Nesta Tese foi proposto um descritor invariante do processo conjugado de transferência de calor por convecção forçada e condução, por meio de coeficientes de influência conjugados g+, agrupados numa matriz quadrada G+. Com este descritor, a temperatura de cada aquecedor foi determinada a partir de taxas arbitrárias de geração de calor nos aquecedores. Os resultados foram obtidos para números de Reynolds na faixa de 600 a 1900, correspondendo a velocidades médias de entrada do ar no canal na faixa de 0,5 m/s a 1,5 m/s. Os efeitos da razão entre a condutividade térmica do substrato e a do ar foram estudados na faixa de 0 (substrato adiabático) a 80, uma faixa típica de materiais de circuito impresso. A altura dos aquecedores variou entre 0 (aquecedores rentes) e 35% em relação à altura do canal, sendo que em todos os casos o aquecedor possuía uma condutividade térmica 500 vezes maior do que a do ar. Abstract: The conjugate heat transfer by forced convection and conduction from three 2D heaters either flush mounted or protruding from the lower plate (substrate) of a parallel plates channel was investigated numerically under steady state conditions. A uniform heat generation rate was assumed in each heater and the cooling was performed by means of a forced air flow with constant properties in the laminar regime. At the channel entrance the flow velocity and temperature profiles were assumed uniform. This problem is related to the cooling of electronic components mounted on a circuit board. For an adiabatic substrate, the heaters are cooled only by forced convection. For a conductive substrate, two mechanisms were considered for the heat transfer from the heaters to the fluid flow. One, by forced convection, directly from the heaters surfaces in contact with the flow, and the other, by conduction through the heaters-substrate interfaces. The conservation equations were solved through a coupled procedure within a single calculation domain comprising the solid and fluid regions. In this Thesis an invariant descriptor of the conjugate forced convection and conduction heat transfer was proposed by means of conjugate influence coefficients g+ which were grouped in a square matrix G+. With this descriptor, the temperature of each heater was obtained from an arbitrary distribution of the heat generation rate in the heaters. The results were obtained for Reynolds numbers Re in the range from 600 to 1900, corresponding to average air velocities in the channel entrance from 0.5 m/s to 1.5 m/s. The ratio of the substrate plate thermal conductivity relative to that of the air was considered in the range from 0 (adiabatic substrate) to 80, typical of printed circuit boards. The heaters' height in the channel ranged from 0 (flush mounted) to 35 % of the channel height, while their thermal conductivity was always assumed equal to 500 that of the air. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Caio Glauco Sanchez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As estufas de convecção forçada de ar quente são componentes vitais no processo de manufatura de fitas adesivas. Elas servem para promover a evaporação do solvente presente nos adesivos ou fornecer a energia necessária para reações químicas. Esta dissertação tem como objetivo a avaliação térmica de estufa de secagem de fitas adesivas através do estudo de balanço de massa, balanço de energia e a eficiência térmica. A eficiência térmica calculada foi de 13,1%. Neste trabalho será apresentada uma metodologia e resultados experimentais para medição da perda de energia pelas paredes da estufa de secagem de fitas adesivas. A perda medida foi de 0,247 kW, concluindo-se que a estufa em geral é bastante eficiente quanto ao isolamento térmico. Devido à importância do coeficiente de transferência de calor na determinação do comprimento final de uma estufa e por estar intimamente relacionado com o tipo de escoamento de ar, este trabalho apresenta uma metodologia para a sua medição e também resultados experimentais que são comparados a modelos desenvolvidos por outros autores. Altos valores de coeficiente de transferência de calor são desejáveis para o aumento da velocidade de secagem. A diferença do coeficiente de transferência de calor medido por esta metodologia e comparado com outros autores mostrou-se muito pequena, com uma variabilidade de 1,19% Abstract: Hot air forced convection ovens are vital components in the manufacturing process of adhesive tapes. They serve to promote evaporation of the solvent present in the adhesives or provide the energy required for chemical reactions. This dissertation aims at the thermal evaluation of drying oven of adhesive tapes through the study of mass balance, energy balance and thermal efficiency. The calculated thermal efficiency was 13.1 %. In this work, a methodology and experimental results will be presented for the measurement of energy loss through the walls of the drying oven of adhesive tapes. The loss measured was 0,247 kW, concluding that the greenhouse in general is very efficient in terms of thermal insulation. Due to the importance of the heat transfer coefficient in determining the final length of a greenhouse and because it is closely related to the type of air flow, this work presents a Methodology for their measurement and also experimental results that are compared to models developed by other authors. High heat transfer coefficient values are desirable for increasing the drying velocity. The difference of the heat transfer coefficient measured by this methodology and compared with other authors was very small, with a variability of 1.19 % Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho foi efetuada uma investigação experimental e numérica da transferência conjugada de calor de aquecedores discretos montados na parede de um duto retangular para um escoamento interno forçado de ar. A perda de calor dos aquecedores ocorria principalmente por convecção das suas superfícies expostas ao escoamento e por condução para a placa de substrato onde eles eram montados. A placa de substrato era a parede de separação de dois dutos retangulares simétricos com pares de aquecedores montados de cada lado da placa. Duas configurações foram investigadas para o escoamento de ar nos dutos, uma com entradas frontais e outra com entradas de topo. Os testes experimentais para cada configuração foram realizados com duas placas de substrato dos aquecedores, uma de acrílico e outra de alumínio. O processo convectivo foi descrito pelo número de Nusselt adiabático e o processo conjugado de transferência de calor, por uma matriz de coeficientes conjugados. Ambos são adimensionais e invariantes com as respectivas taxas de troca de calor. Os efeitos das duas configurações de escoamento e dos dois substratos no resfriamento dos aquecedores foram comparados por meio destes descritores. Testes experimentais específicos foram efetuados posteriormente para verificar a característica invariante dos coeficientes conjugados. Resultados similares também foram obtidos de simulações numéricas tridimensionais em regime permanente através de um pacote computacional, utilizando modelos do duto e dos escoamentos. O duto foi modelado com aquecedores rentes no lugar dos protuberantes utilizados em laboratório e com perfis uniformes de velocidade e temperatura nas entradas de ar. O escoamento foi simulado no regime laminar ou no regime turbulento, utilizando um modelo de turbulência contido no pacote computacional. Testes adicionais foram efetuados com os dois pares de aquecedores ativos, dissipando potências arbitrárias. Os resultados obtidos indicaram que os coeficientes conjugados são descritores invariantes do resfriamento de aquecedores discretos por convecção forçada e condução em um duto. As simulações numéricas apresentaram concordância razoável com os resultados experimentais para valores de Reynolds até 2500. Acima deste valor, os resultados numéricos e experimentais apresentaram comportamentos distintos Abstract: This work presents an experimental and numerical investigation of the conjugate heat transfer from discrete heaters mounted on the wall of a rectangular duct to a forced internal airflow. The heat loss from the heaters occurred mainly by forced convection from the heaters exposed surfaces to the flow and by conduction to the substrate plate in which they were mounted. The substrate plate was the separating wall of two symmetric rectangular ducts with pairs of heaters mounted on each side of the plate. Two configurations were investigated for the airflow in the ducts, one with side inlets and the other with top inlets. The experimental tests for each configuration were performed with two distinct substrate plates, one made of Plexiglas and the other of aluminum. The convective process was described by the adiabatic Nusselt number and the conjugate heat transfer process, by a matrix of conjugate coefficients. They are both dimensionless and invariants to their respective heat transfer rates. The effects of the two flow configurations and of the two substrate materials on the heaters cooling were compared by means of these descriptors. Specific experimental tests were performed to verify the invariance of the conjugate coefficients. Similar results were also obtained from steady state three dimensional numerical simulations performed in a commercial software package, using a model for the duct and for the airflow. The duct was modeled with flush mounted heaters instead of the protruding heaters of the experiments and with uniform velocity and temperature at the airflow inlets. The airflow simulations were performed either in the laminar or turbulent regime, using a turbulence model contained in the software package. Additional experimental tests were performed with both pairs of heaters active, dissipating distinct power. The experimental results obtained showed that the conjugate coefficients are invariant descriptors of the discrete heaters cooling by forced convection-conduction in a duct. The numerical simulations showed reasonable agreement with the experimental results for Reynolds numbers up to 2500. Beyond this value, the numerical and the experimental results presented distinct behavior Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: José Roberto Nunhez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Na atualidade, os processos químicos estão sendo reinventados para aprimorar as técnicas de processamento, aumentar a eficiência e miniaturização das operações unitárias, esta corrente revolucionaria de processos é conhecida como Processos Intensificados (PI). Na Intensificação de Processos os equipamentos tradicionais são reformulados na performance tornando-o flexível considerando a união de operações em um equipamento, na diminuição do tamanho e custo em relação com os processos convencionais. Estas tecnologias resultam de grande potencial para processos de separação e de reações químicas. Nos últimos anos, conceitos de integração interna de calor estão sendo aplicados a operações de separação como proposta de processo intensificado com o intuito de resolver necessidades de consumo energético e necessidades do equilibro. Em consequência, este projeto contempla o estudo do sistema de destilação reativa, tendo como foco a avaliação e inclusão de conceitos de intensificação, visando a diminuição do consumo energético do sistema por meio do aproveitamento do calor gerado através de arranjos internos no sistema. Por tanto, foram desenvolvidas diferentes estudos termoquímicos e configurações de colunas reativas com incorporação de arranjos internos que permitam entender a possibilidade de transferência de calor em sistemas reativos endotérmicos e exotérmicos usando o simulador Aspen Plus V9® na síntese de TAME e Biodiesel. O trabalho apresenta uma inovação no desenvolvimento de uma nova configuração de coluna de destilação reativa modificada com integração interna de calor rM-HIDiC suportada em conceitos do sistema de destilação reativa com integração interna de calor r-HIDiC. O desenvolvimento do sistema intensificado foi atingido usando técnicas de simulação computacional e projeto hidráulico do processo. A disponibilidade de energia no processo foi calculada mantendo o grau de pureza de 98% para o TAME e 95 % para o Biodiesel, atingindo uma redução no consumo energético do 28% e 18% respectivamente da rM-HIDiC em relação com a destilação reativa ¿ RD Abstract: Nowadays, chemical processes are being reinvented to improve processing techniques, increase efficiency and miniaturization of unit operations, this revolutionary process stream is known as Intensified Processes (PI). In Process Intensification, the traditional equipment is reformulated in the performance making it flexible and considering the union of operations in an equipment, in the reduction of size and cost in relation to the conventional processes. These technologies result in great potential for separation processes and chemical reactions. In recent years, concepts of internal heat integration are being applied to separation operations as an intensified process proposal in order to solve energy consumption and balance needs. Consequently, this project contemplates the study of the reactive distillation system, focusing on the evaluation and inclusion of intensification concepts, aiming at reducing the energy consumption of the system by using the heat generated through internal arrangements in the system. Therefore, different thermochemical studies and configurations of reactive columns were developed with the incorporation of internal arrangements to understand the possibility of heat transfer in reactive endothermic and exothermic systems using Aspen Plus V9® simulator in the TAME and Biodiesel synthesis. The work presents an innovation in the development of a new configuration of reactive distillation column modified with internal integration of heat rM-HIDiC supported in concepts of the reactive distillation system with internal heat integration r-HIDiC. The development of the intensified system was achieved using computational simulation techniques and hydraulic process design. The energy availability in the process was calculated maintaining 98% pure for TAME and 95% for Biodiesel, 28% and 18% of reduction in energy consumption for rM-HIDiC relative to reactive distillation - RD Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os sistemas de energia renovável são, geralmente, intermitentes e precisam de alguma maneira acumular e manter a energia disponível para ser usada quando necessária com o mínimo de perdas e em taxa adequada para o processo. O sistema de armazenamento de energia térmica por calor latente é um dos métodos mais usados devido a: sua alta capacidade térmica; pequena massa; e ao fato de que os processos de carga e descarga podem ser realizados em condições isotérmicas. Estas características tornam esse conceito adequado para acoplamento em sistemas de refrigeração e ar condicionados (domésticos e comerciais), por serem eficiente e de volume reduzido. O presente estudo tem como objetivo principal investigar, numericamente e experimentalmente, o processo de formação de gelo em torno de tubos aletados verticalmente para aplicação em sistemas de armazenamento de calor latente, assim como para fusão do gelo formado. A água foi utilizada como Material de Mudança de Fase (MMF) por motivos de custo, disponibilidade e segurança. Foi desenvolvido um modelo matemático de armazenador de calor latente, com formulação unidimensional e bidimensional de problema de condução de calor pura com mudança de fase, considerando a temperatura constante ao longo do tubo. A solução numérica foi baseada no método de volumes finitos e a abordagem de entalpia foi usada para o tratamento numérico do modelo matemático. Investigou-se experimentalmente o número de aletas, largura da aleta, temperatura da parede do tubo e a vazão mássica do fluido de trabalho, e seus efeitos nos parâmetros de mudança de fase foram discutidos. Verificou-se que a diminuição da temperatura da parede do tubo, o aumento do número de aletas e a largura das aletas aumentam a posição e a velocidade de interface, a massa solidificada e reduzem o tempo de solidificação completa. A variação do fluxo de massa do fluido de trabalho mostrou efeitos relativamente pequenos. O estudo destaca os méritos relativos dos tubos aletados e aponta como novas contribuições o número ideal de aletas e a largura ótima da aleta Abstract: Renewable energy systems are often intermittent and need to accumulate and maintain available energy to be used with minimal loss and at the appropriate rate for the process. The latent heat thermal energy storage system is one of the most used methods due to: its high thermal capacity; small mass; and that loading and unloading processes can be performed under isothermal conditions. These features make this concept suitable for coupling in domestic and commercial refrigeration and air conditioning systems, due to their efficiency and small volume. This research has as main objective investigate, numerically and experimentally, the process of ice formation around vertically finned tubes for application in latent heat storage systems, just as for melting the formed ice. Water was used as Phase Change Material (PCM) because of its cost, availability and safety reasons. A mathematical model of latent heat storage was developed, with one- and two-dimensional formulation of pure heat conduction problem with phase change, considering the constant temperature along the tube. The numerical solution was based on the finite volume method and the enthalpy approach was used for the numerical treatment. The number of fins, fin width, tube wall temperature and working fluid mass flow were investigated experimentally, and their effects on the phase change parameters were discussed. It was found that decreasing tube wall temperature, increasing fin number and fin width increase the position and interface velocity, the solidified mass and reduce the complete solidification time. Variation in working fluid mass flow showed relatively small effects. It was also highlighted the relative merits of finned tubes and pointed out as new contributions the optimal number of fins and optimal fin width Doutorado Térmica e Fluídos Doutora em Engenharia Mecânica

Orientador: Guilherme José de Castilho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Um dos maiores desafios relacionados aos tanques de mistura é a troca de calor. Diversos estudos têm sido desenvolvidos para obter correlações do número de Nusselt que represente o coeficiente de transferência de calor por convecção nestes equipamentos. Esta correlação é geralmente obtida por métodos experimentais e é válida apenas para um conjunto de condições específicas. Os estudos experimentais permitem a análise de diferentes aspectos e parâmetros gerando um cenário exato e de fácil compreensão do fenômeno. No entanto, são demorados, caros e demandam uma grande variedade de equipamentos para obter os resultados. A fluidodinâmica computacional (CFD) é uma alternativa que proporciona resultados mais rápidos, mais claros e de baixo custo e, também, permite obter um amplo conhecimento de todos os fenômenos que ocorrem dentro do tanque como os padrões de fluxo e de transferência de calor. Nesta pesquisa, a fluidodinâmica computacional (CFD) foi aplicada para a determinação de uma correlação de número de Nusselt em um tanque de mistura jaquetado equipado com um impelidor tipo Rushton. Para a simulação dos fenômenos envolvidos no processo de agitação, a geometria do tanque foi construída utilizando malha hexaédrica e abordagem Multiple Reference Frame (MRF). O modelo de turbulência Shear Stress Trasport (SST) e o esquema de discretização Upwind foram empregados para solucionar as equações de conservação e obter resultados precisos. Como a validação é essencial para a modelagem CFD, os resultados simulados foram comparados com medidas experimentais reportadas por Strek (1963). A correlação do número de Nusselt obtida a partir do modelo simulado concorda com os dados experimentais fornecendo uma representação precisa da transferência de calor no tanque Abstract: One of the biggest challenges related to mixing tanks is the heat exchange. Several studies have been developed to obtain Nusselt number correlations that represent the heat transfer coefficient by convection. This correlation is usually obtained by experimental methods and is valid only for a set of specific conditions. The experimental studies allow the analysis of different aspects and parameters giving an accurate scenario and easy understanding of the phenomenon. However, it is time consuming, expensive and demands a wide variety of equipment to get the results. Computational Fluid Dynamics (CFD) is an alternative that delivers faster, clearer, lower-cost results, and provides broad understanding of all phenomena occurring inside the tank such as flow and heat transfer patterns. In this research, Computational Fluid Dynamics (CFD) was applied for the determination a Nusselt number correlation in a jacketed stirred tank equipped with Rushton turbine impeller. For the simulation of the phenomena involved in the stirring process, the tank geometry was constructed using hexahedral mesh and Multiple Reference Frame approach (MRF). The Shear Stress Transport k- turbulence model and the Upwind discretization scheme were employed to solve conservation equations and to obtain accurate results. Since a model validation is essential for CFD modeling, the simulated results were compared with experimental measures reported by Strek (1963). The Nusselt number correlation obtained from the simulated model satisfactorily agrees with the experimental data providing an accurate representation of the heat transfer in the tank Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química CNPQ

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital. Abstract: The abstract is available with the full electronic document. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Luiz Fernando Milanez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A transferência de calor em cilindros horizontais isolados é de grande importância na indústria tanto no caso em que se pretende minimizar a dissipação térmica (quando dutos isolados são usados no transporte de fluidos), como quando se pretende maximizá-la (no caso de cabos de eletricidade revestidos, por exemplo). Em ambas as situações, convecção natural e radiação térmica estão presentes, podendo ser consideradas como os principais mecanismos envolvidos de dissipação térmica. Normalmente o isolamento térmico é circular e concêntrico ao cilindro. No entanto, o coeficiente convectivo e a temperatura da superfície não são constantes ao redor do cilindro, levando a crer que a adoção de isolantes concêntricos pode não ser o melhor método de se distribuir o isolante. Assim, se um isolamento excêntrico for adotado, a temperatura superficial deve apresentar variação ainda maior, alterando o escoamento ao redor do cilindro e, portanto, as perdas térmicas. No presente trabalho é apresentada uma análise numérica da dissipação térmica em cilindros horizontais isotérmicos isolados excentricamente expostos a convecção natural (Pr= 0,715) e a radiação. A condução na camada de isolante foi resolvida analiticamente (através do uso do sistema de coordenadas bicilíndricas) e integrada numericamente. A partir da temperatura obtida para a superfície externa do isolante, o software PHOENICS foi utilizado para resolver o problema de convecção natural, fornecendo um novo perfil para o coeficiente convectivo. Para cada caso, algumas iterações foram necessárias para se alcançar a convergência. Os parâmetros analisados são a emissividade da superfície externa, a razão entre os raios externo e interno do isolante, a razão entre as condutividades térmicas do isolante e do ar, o número de Rayleigh (definido de forma a ser independente dos outros parâmetros) e a excentricidade do isolante. A dissipação e a temperatura superficial local são mostradas graficamente, assim como os campos de temperatura e velocidade do escoamento. Uma equação é sugerida para a determinação da influência da excentricidade sobre o calor total dissipado em função da razão entre as resistências térmicas de convecção natural-radiação e a resistência térmica de condução, para determinada razão de raios e excentricidade Abstract: Heat transfer in horizontal insulated cylinders is of importance in industry as when one wants to reduce the heat dissipation (when insulated ducts are used to transport fluids), as when one wants to enhance it (in the case of covered electric cables, for example). In both cases, free convection and thermal radiation are present and can be considered as the main mechanisms of heat dissipation. Generally, the insulating layer is round and is arranged concentrically in the cylinder. However, the heat transfer coefficient and the surface temperature are not constant around the cylinder, raising the point that the use of concentric insulation may not be the best way to arrange the insulating layer. Thus, if an eccentric layer is used, the surface temperature should have a larger variation, changing the flow around the cylinder and, therefore, the heat dissipation. A numerical analysis of the heat dissipation in horizontal isothermal eccentrically insulated cylinders exposed to free convection (Pr= 0,715) and radiation is presented. The conduction through the insulating layer was solved analytically (using the bicylindrical coordinate system) and integrated numerically. From the solution for the surface temperature, the PHOENICS software was used to solve the problem of free convection, giving a new profile for the heat transfer coefficient. For each case, some iterations were necessary to reach convergence. The parameters analyzed were the emissivity of the external surface, the ratio between the outer and the inner radius of the insulating layer, the ratio between the insulation and the air thermal conductivities, the Rayleigh number (defined in such a way to be independent of the other parameters) and the eccentricity of the insulation. The heat dissipation and the surface temperature are shown graphically, as well as the temperature and velocity flow fields. An equation is suggested to define the importance of the eccentricity over the total heat as a function of the ratio between the free convection-radiation thermal resistance and the conduction thermal resistance, for a given ratio of radius and eccentricity Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Amauri Garcia, Noé Cheung Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A análise do comportamento térmico em um sistema metal/molde cilíndrico durante a solidificação é de interesse tanto teórico quanto industrial. A determinação precisa da velocidade a que o metal se solidifica e a distribuição do campo de temperaturas dentro do metal é de suma importância para a otimização e o controle de processos de fundição. Modelos numéricos são amplamente utilizados, tendo em vista a simulação do processo de solidificação em inúmeras áreas, incluindo o vazamento, a soldagem, o crescimento de cristais e o processamento a laser. A simulação numérica de peças cilíndricas fundidas só pode produzir informações corretas se as condições de térmicas de fronteira, tais como o coeficiente transitório de transferência de calor metal/molde (h), e outros parâmetros térmicos como velocidade de solidificação e taxa de resfriamento forem conhecidos com precisão. Apesar da importância do parâmetro h para a fundição de peças cilíndricas, as informações disponíveis na literatura são escassas. No presente trabalho foram desenvolvidos um modelo numérico para análise da solidificação radial em geometrias cilíndricas e um extenso estudo experimental abrangendo a solidificação de ligas binárias em sistemas de extração de calor radial, nas posições horizontal e vertical, no formato de cilindros maciços solidificados de fora para dentro e cilindros ocos solidificados de dentro para fora. Ligas com propriedades térmicas e com intervalos de solidificação bastante distintos foram escolhidas para o estudo experimental. O modelo numérico desenvolvido foi aferido frente a resultados experimentais da cinética de solidificação de ligas binárias dos dois diferentes sistemas metálicos adotados (Al-Fe e Pb-Sb) e também confrontado com as previsões de um modelo analítico. Para determinação do coeficiente transitório (h), utilizou-se o método inverso de análise de condução de calor. Como resultado, os perfis transitórios em função do tempo, h (t), foram obtidos por uma expressão da forma h = a.t± m, em que (-) refere-se à solidificação de fora para dentro e (+) refere-se a solidificação de dentro para fora com um molde interno. A análise das resistências térmicas mostrou que em alguns sistemas de solidificação, a resistência térmica à transferência de calor imposta pela camada de sólido formada durante o processo de solidificação é determinante a partir de um determinado instante da solidificação. Os altos valores de taxas de resfriamento e velocidades de deslocamento da frente de solidificação, impostos pelo sistema de extração de calor radial geraram, para o caso das ligas do sistema Pb-Sb, microestruturas de solidificação dendríticas, mesmo com baixos teores de soluto na concentração nominal das ligas. Os resultados da evolução microestrutural mostraram que os espaçamentos dendríticos na solidificação radial de fora para dentro acompanham a tendência de reversão observada para a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus da superfície ao centro do cilindro Abstract: The analysis of the thermal behavior in a cylindrical metal/mold system during solidification is of both theoretical and industrial interest. The determination of the rate at which a metal solidifies and of temperature distribution is significant for optimization and control of casting processes. Numerical models are widely used in order to simulate the solidification process in a number of fields including casting, welding, crystal growing and laser processing. The numerical simulation of cylindrical castings can only produce reliable information if the thermal boundary conditions, such as the metal/mold heat transfer coefficient (h), and thermal parameters, such as growth and cooling rates, are known accurately. Despite the importance of h for cylindrical shaped castings, information available in the literature is meager. In the present study, a numerical model for the analysis of radial solidification of cylindrical shaped castings has been developed followed by an extensive experimental study encompassing horizontal and vertical cylindrical shaped castings involving radial heat transfer and including combination of situations of hollow and massive cylindrical castings inwardly and outwardly solidified. Alloys having quite different thermal properties and freezing ranges have been selected for the experimental study. The numerical model has been validated against experimental results of the kinetics of solidification of binary alloys from the adopted metallic systems (Al-Fe and Pb-Sb), as well as by comparison with theoretical predictions provided by an analytical model. An inverse heat conduction method has been used to derive time-varying heat transfer coefficients. It is shown that the h (t) profiles are given by an expression of the form h =a.t±m , where (-) refers to the inward solidification and (+) to the outward solidification against an inner mold. The analysis of the thermal resistance revealed that in some solidification systems, the resistance to heat transfer imposed by the solid layer formed during the solidification process prevailed from a certain moment of solidification. The high values of cooling rates and solidification rates imposed by heat extraction in radial cylindrical geometries induced, for Pb-Sb alloys, a dendritic solidification pattern even for low alloying contents. The evolution of dendritic spacings during the inward solidification followed a reversion, which is similar to that shown to occur for the rate of displacement of the liquidus isotherm from the casting surface to the center of the cylinder Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia de Materiais

Infrared thermography is more convenient and faster than other temperature measurement devices such as thermocouples to measure more points or surfaces at the same time. In order to capture infrared thermograph of these surfaces, an infrared thermal camera which has a spectral range between 7.5 and 13 mu m was used. Using this technique will lead us to determine the instant and transient temperature distributions of all surfaces inside an automobile and investigate the thermal discomfort that was caused by those surfaces. FIAT - TOFAS