Добірка наукової літератури з теми "536.24:532.55"

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України на кафедрі фізики енергетичних систем і в Інституті технічної теплофізики НАН України у відділі високотемпературної термогазодинаміки. Захищена в Інституті технічної теплофізики НАН України.
Дисертація присвячена експериментальному та теоретичному дослідженню теплообміну та гідродинаміки при поперечному обтіканні одиночної труби та пучку труб із поверхневими заглибленнями. Теоретично досліджено теплообмін та гідродинаміку при поперечному обтіканні одиночної труби із поверхневими заглибленнями у формі усіченого конусу за допомогою комп’ютерного пакету ANSYS CFX. Проведено верифікацію моделей турбулентності. Наведено результати досліджень вихрової структури потоку, точки відриву потоку, зони зворотних течій, коефіцієнту лобового опору, коефіцієнту теплообміну. Проведено експериментальні та теоретичні дослідження теплообміну та гідродинаміки при поперечному обтіканні п’ятирядного пучку труб із поверхневими заглибленнями. Отримані дані щодо коефіцієнтів гідравлічного опору пучка та коефіцієнтів теплообміну по рядах та для пучка в цілому. Проведено верифікацію комп’ютерної моделі по експериментальним даним. Розроблено інженерну методику розрахунку рекуператора газотурбінної установки та проведено оцінку зниження його маси за рахунок нанесення заглиблень.
The dissertation is devoted to the experimental and theoretical study of heat transfer and hydrodynamics at the cross-flow of a single tube and a tube bundle with surface indentations. Heat transfer and hydrodynamics were studied theoretically at the cross-flow of a single tube with surface indentations in the form of a truncated cone using the ANSYS CFX computer package. Verification of turbulence models is carried out. The results of studies of the vortex structure of the flow, the point of separation of the flow, the zone of reverse flows, the coefficient of the frontal resistance, and the heat transfer coefficient are given. Experimental and theoretical investigations of heat transfer and hydrodynamics are carried out at the cross-flow of a five-row tube bundle with surface indentations. The data on the coefficients of the hydraulic resistance of the bundle and of the heat transfer coefficients for rows and for the whole bundle are obtained. Verification of the computer model by experimental data is carried out. An engineering method for calculation of the gas turbine plant recuperator was developed and an estimation of the decrease in its mass due to the application of depressions was made.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню теплогідравлічних процесів навколо циліндричних поверхонь теплообміну в залежності від зміни режимних параметрів процесу та конструктивних характеристик оточення. В роботі представлено результати візуалізації динамічного поля та поля температури теплоносія, що дозволило значно поглибити знання про механізми тепло- та масопереносу та більш обґрунтовано описати результати дослідження. Отримані результати дослідження дозволили, в діапазоні зміни режимних та конструктивних характеристик, описати вплив цих факторів на коефіцієнти тепловіддачі та характеристики омивання циліндрів, і вивести залежності для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі з врахуванням виявленого впливу.
In the investigation are developed heat and mass transfer theory around horizontal cylinders which depends on heat flux and several constructive characteristics: presents or absence of vertical walls, other horizontal cylinders placed close to each other. Results of dynamic and temperature field visualization are also presented. These results made our knowledge significantly deeper in a part of heat and mass transfer mechanism during natural convection around cylinder systems. Cylinder, placed inside a vertical channel, has variable heat transfer coefficient, which depend on channel geometrical characteristic. If a cylinder will be placed inside the channel with optimal characteristic, its heat transfer coefficient will be increased around 20%. These optimal width is 2,2-2,3 cylinder diameter. Heat transfer coefficient of cylinder bundl is deeply depends on its constructive characteristic. Based on obtained results, formulas and calculation algoritm of heat transfer coefficient was developed, take into consideration several variables.
Диссертационная работа посвящена исследованию теплогидравлических процессов вокруг цилиндрических поверхностей теплообмена в зависимости от изменения режимных параметров процесса и конструктивных характеристик окружения: наличия адиабатных стенок канала, соседних цилиндров в горизонтальном и/или вертикальном направлениях. В работе представлены результаты визуализации динамического поля и поля температуры теплоносителя, которые позволили значительно углубить знания о механизмах тепло- и массопереноса, более точно и обосновано описать изучаемые процессы и результаты исследования. Кроме этого, проведення работа по визуализации исследуемых процессов разрешила проявить коренные изменения в динамическом поле вокруг горизонтального цилиндра (в частности, при его размещении в вертикальном канале), развитию теплового следа над цилиндром в большом объеме, в и над системой цилиндров. Полученные результаты исследования позволили, в изученном диапазоне изменения режимных и конструктивных характеристик, описать влияние этих факторов на коэффициенты теплоотдачи и характеристики движения теплоносителя вокруг системы цилиндров, вывести зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи с учетом такого влияния. В частности показано, что при размещении горизонтального цилиндра в вертикальном щелевидном канале возможно значительное изменение условий течения теплоносителя, что, в свою очередь, может приводить как к повышению, так и понижению интенсивности теплоотдачи на поверхности такого цилиндра. Впервые предложена диаграмма теплогидравлических режимов, которая позволяет уже на этапе конструирования теплообменной поверхности и её окружения ответить на вопрос об оптимальности выбранной конструкции. Кроме инженерных методик расчета интенсивности теплоотдачи от цилиндров в различных условиях, в работе представленные рекомендации по проектированию цилиндрических теплообменных поверхностей, которые рассчитаны на работу в условиях свободной конвекции и учитывают вскрытые изменения динамического и температурного полей при изменении конструктивного окружения цилиндров. В частности, среди таких рекомендацый не обходимо выделить следующие: интенсивность теплоотдачи значительно снижается при формировании пучка цилиндров с малими вертикальным и горизонтальным шагом установки элементов системы; при этом, большее значение имеет вертикальный шаг установки цилиндров; интенсивность теплоотдачи от цилиндров пучка равная такой для одиночного горизонтального цилиндра в большом объеме достигается при относительном вертикальном шаге их установки равном 5,0; впервые предложена и обоснована методика разделения системы цилиндров на отдельные группы при расчете локального и среднего коэффициента теплоотдачи, что позволяет учитывать особенности теплогидравлических процессов внутри системы; показано, что интенсивность теплоотдачи от глубинных цилиндров в системе до 11 элементов, устанавливается равной, примерно, среднему значению между интенсивностями теплоотдачи второго и третього цилиндров; интенсивность теплоотдачи вдоль течения теплоносителя сильно зависит от геометрических характеристик системы и может как уменшаться (при малых вертикальних шагах установи цилиндров), так и увеличиваться (при наибольших из исследованных).

Дисертація присвячена дослідженню двох типів металевих пористих матеріалів, що можуть застосовуватися у якості капілярних структур теплових труб, – моноволокнистих та композиційних волокнисто-порошкових структур. У результаті досліджень процесів теплопровідності металевих пористих матеріалів отримано залежності для інженерних розрахунків теплопровідності каркасу моноволокнистих і композиційних матеріалів. На основі експериментальних досліджень впливу характеристик металевих волокнистих матеріалів на процеси кипіння в умовах вільного руху води запропоновано формулу для інженерних розрахунків температурних напорів початку кипіння води на металопористих поверхнях. Експериментальні дані дозволили порівняти реальні значення коефіцієнтів тепловіддачі α з даними, отриманими за уточненою в даній роботі моделлю кипіння на пористих поверхнях. У результаті уточнення вдалося значно наблизити розраховані за моделлю величини α до експериментально отриманих даних і підтвердити адекватність моделі. Із застосуванням моделі було уточнено методику визначення внутрішнього термічного опору теплових труб з металевими пористими структурами. Виконаний цикл експериментальних досліджень теплових труб з металоволокнистими і теплових труб з композиційними капілярними структурами показав, що при роботі в горизонтальному положенні останні не поступаються за основними характеристиками тепловим трубам з волокнистими капілярними структурами, до того ж перевершують їх за максимальною теплопередавальною здатністю при роботі проти сил гравітації.
The dissertation is devoted to the investigation of two types of metal porous materials, which can be used as capillary structures of heat pipes – monofibrous and composite fibrous-powder structures. The dependences for engineering calculations of frame thermal conductivity for monofibrous and composite materials were obtained after the experiments of heat conduction processes in metallic porous materials. Multi-factor dependence for calculations of temperature difference of the water boiling beginning on metallic porous surfaces was proposed on the basis of the experimental studies of boiling in free water flow. The obtained experimental data allowed to compare the real values of heat transfer coefficients α with the data obtained by the model of boiling on porous surfaces (the KPI model) specified in the dissertation. As a result of model elaboration, It became possible to bring the calculated  values obtained by the experiments to the model calculated α values and to confirm the adequacy of the model. It was refined the method of internal thermal resistance determining in heat pipes with metal porous structures by the application of the KPI model. The cycle of experimental studies of heat pipes with monofibrous and composite capillary structures showed, that in horizontal position heat pipes with composite structures do not concede with the main characteristics (maximum heat transfer capacity and thermal resistance) to the heat pipes with monofibrous capillary structures. In addition, maximum heat transfer capacity of composite heat pipes has higher values, than the same one of mono-fibrous pipes, when working against the forces of gravity.
Диссертация посвящена исследованию двух типов металлических пористых материалов, которые могут быть использованы в качестве капиллярных структур тепловых труб – моноволокнистых и композиционных волокнисто-порошковых структур. В результате исследований процессов теплопроводности металлических пористых материалов получены зависимости для инженерных расчетов теплопроводности каркаса моноволокнистих и композиционных материлов. Многофакторные зависимости характеризуют взаимосвязь между теплопроводностью каркаса материалов и их структурными характеристиками. Однофакторные функции вида λ кс = f(П) позволили сравнить теплопроводность композиционных и моноволокнистих структур, в результате чего было установлено, что коэффициенты теплопроводности λ кс композиционных капиллярных структур несколько ниже, чем у моноволокнистых структур, для одинаковых диапазонов пористости. Однако это различие в значениях λ кс является незначительным. На основе экспериментальных исследований влияния характеристик металлических волокнистых материалов на процессы кипения в условиях свободного движения воды предложено формулу для инженерных расчетов температурных напоров начала кипения воды на металловолокнистых пористых поверхностях. Полученные в работе результаты удовлетворительно коррелируются с известными данными, однако существуют и определенные различия, которые влияют на уменьшение температурных напоров закипания при одинаковых значениях пористости капиллярных структур. Исследование температурного напора начала кипения на пористых поверхностях позволило определить, что для пористых медных образцов данный температурный напор составляет 0,5-2,0 ⁰С, в то время как температурный напор начала кипения на относительно «гладких» технических поверхностях – от 7 до 12 ⁰С. Экспериментальные данные позволили сравнить реальные значения коэффициентов теплоотдачи α с данными, полученными по уточненной в данной работе модели кипения на пористых поверхностях (модель КПИ). В результате уточнения удалось значительно приблизить рассчитаные по модели величины α к экспериментальным значениям и подтвердить адекватнисть модели. Анализ полученных экспериментальных данных кипения на металлических пористых поверхностях свидетельствует о том, что медные волокнистые структуры средней пористости (40-50 %) в диапазоне толщин от 0,5 до 1,0 мм позволяют обеспечить наибольшие значения коэффициентов теплоотдачи α, по сравнению с металлическими волокнистыми структурами других диапазонов пористостей и толщин, исследованными в данной работе. Также с применением модели кипения КПИ была уточнена методика определения внутреннего термического сопротивления тепловых труб с металлическими пористыми структурами. Выполненный цикл экспериментальных исследований тепловых труб с металло-волокнистыми и композиционными капиллярными структурами с использованием этанола в качестве теплоносителя показал, что в горизонтальном положении и в положении «режим термосифона» тепловые трубы с капиллярными структурами обоих типов обеспечивают стабильное функционирование в диапазоне тепловых потоков до 70 Вт. При этом термические сопротивления тепловых труб с «новым» типом капиллярных структур не превышают термические сопротивления труб, изготовленных на основе моноволокнистых структур. В положениях, когда зона нагрева трубы находится выше, чем зона охлаждения, композиционные капиллярные структуры нового типа обеспечивают стабильное функционирование для тепловых потоков до 25 Вт, что является более высоким показателем, чем у тепловых труб с моноволокнистыми структурами (10-15 Вт). Последний факт нужно учитывать при конструировании аппаратов и приборов с тепловыми трубами.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України, Київ, 2018. Робота присвячена підвищенню енергетичної ефективності та спрощенню інтеграції сонячних систем на основі комбінованих сонячних колекторів у фасади і дахи будівель за рахунок використання як елемента теплопоглинальної поверхні алюмінієвих канавчатих теплових труб. Встановлено, що на ефективність роботи комбінованого сонячного колектора з алюмінієвими канавчатими тепловими трубами у режимі термосифона істотно впливають теплотехнічні характеристики теплових труб, які своєю чергою залежать від таких параметрів: діаметр парового простору, теплофізичні властивості робочої рідини, довжини зон нагріву і конденсації, а також загальна довжина алюмінієвих канавчатих теплових труб. Підвищення теплопередавальної здатності алюмінієвих канавчатих теплових труб можна досягти завдяки забезпеченню подачі гарантованої кількості теплоносія в зону нагріву та вибору оптимальних конструктивних параметрів теплових труб при відповідних режимах роботи. Аналіз розрахунків та експериментальних даних показав, що комбінований сонячний колектор з алюмінієвими канавчатими тепловими трубами дає змогу підвищити ефективність отримання електричної енергії до 18 % за рахунок охолодження фотоелектричних перетворювачів, при цьому максимальна електрична потужність комбінованого сонячного колектора становила 135 Вт/м2. Крім електроенергії, одночасно можна отримати до 457 Вт тепла з 1 м2 теплопоглинальної поверхні за температури вихідного теплоносія 25 ºС і густини сонячного потоку 900 Вт/м2. На основі теоретичного аналізу виявлено найбільш оптимальні режими експлуатації комбінованого сонячного колектора – режим функціонування за значень 30–50 ºС температурного перепаду між теплопоглинальною поверхнею та навколишнім середовищем. Нова конструкція комбінованого сонячного колектора має більш ефективну роботу порівняно з роздільними тепловими сонячними колекторами та фотоелектричними батареями за низьких температур на теплопоглинальній поверхні (нижче 50 ºС) і зазвичай за більш високих значень сонячного потоку (більше 600 Вт/м2).
Thesis for the Candidate degree in Technical Science on the specialty 05.14.06 «Technical thermophysics and industrial thermal power engineering». – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2018. The work is devoted to increasing energy efficiency and simplification of integration of solar systems on the basis of the photovoltaic thermal (PV/T) collector in the facades and roofs of buildings due to use as an element of the absorbing surface of aluminum grooved heat pipes (AGHP). It is established that the efficiency of the operation of the PV/T collector with AGHP in the thermosyphon mode is significantly influenced by the thermal characteristics of the HP, which in turn depends on the following parameters: the diameter of the steam space, the thermophysical properties of the working fluid, the lengths of the heating and condensation zones, and the total length of the AGHP. Increasing the thermal conductivity of AGHP can be achieved by providing a guaranteed amount of coolant to the heating zone and selecting the optimal design parameters of the HP at the appropriate operating modes. A new approach to the implementation of PVT collectors on the basis of AGHPs is proposed. In this case, AGHPs perform a complex role – at the same time it is a highly efficient thermal conductor and a system of cooling solar cells. The design of an aluminum heat pipe with a grooved capillary structure for PVT collectors has been developed. An n-pentane is chosen as the optimum coolant for a two-phase system. The developed samples of heat pipes can provide the operation of the PVT collector in the thermal mode from 0 oC to 120 oC. In this case, the temperature range of its operation is from −40 °C to +230 °C. The analysis of calculations and experimental data showed that the PV/T collector with AGHP allows to increase the efficiency of obtaining electric energy up to 18 % due to the cooling of the PV, while the maximum electric power PV/T collector was 135 W/m2. In addition to electricity, simultaneously, it is possible to get up to 457 W of heat from 1 m2 of heat-absorbing surface, at a temperature of the output coolant 25 oС and a density of solar flux of 900 W/m2. On the basis of theoretical analysis, the most optimal modes of operation of the PV/T collector were identified – the most optimal one is the mode of PV/T collector functioning at values of 30–50 oC of the temperature difference between the absorbent surface and the environment. The new PV/T collector design has a more efficient performance compared to separate thermal solar collectors and photoelectric batteries at low temperatures on an absorbent surface (below 50 oC), and usually at higher solar flux values (over 600 W/m2). The first developed programs and methods of research of PVT collectors in artificial and natural light developed an engineering methodology for calculating the thermal characteristics of PVT collector with AGHPs during their operation in a thermosyphon mode. The recommendations for the production of PVT collectors and their use in solar power systems are given. The results of the work in the future can be used at the enterprises of LLC «Effectprof» (Kyiv), PC Sumy SPO M.V. Frunze (Sumy), PE Scientific-Implementation Firm "Thermal Technologies" (Kiev), which are engaged in the development, manufacture and implementation of heat-exchange equipment and energy-efficient systems. For further implementation, it is necessary to carry out works on designing and manufacturing an industrial design of PVT collector or facade PVT collector and to conduct tests in the field.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика». – Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», Министерство образования и науки Украины, Киев, 2018. Работа посвящена повышению энергетической эффективности и упрощению интеграции солнечных систем на основе комбинированных солнечных коллекторов в фасады и крыши зданий за счет использования в качестве элемента теплопоглощающей поверхности алюминиевых канавчатых тепловых труб. Установлено, что на эффективность работы комбинированного солнечного коллектора с алюминиевыми канавчатыми тепловыми трубами в режиме термосифона существенно влияют теплотехнические характеристики тепловых труб, в свою очередь зависят от следующих параметров: диаметр парового пространства, теплофизические свойства рабочей жидкости, длины зон нагрева и конденсации, а также общая длина алюминиевых канавчатых тепловых труб. Повышение теплопередающих способности алюминиевых канавчатых тепловых труб можно достичь благодаря обеспечению подачи гарантированного количества теплоносителя в зону нагрева и выбора оптимальных конструктивных параметров тепловых труб при соответствующих режимах работы. Анализ расчетов и экспериментальных данных показал, что комбинированный солнечный коллектор с алюминиевыми канавчатыми тепловыми трубами позволяет повысить эффективность получения электрической энергии до 18% за счет охлаждения фотоэлектрических преобразователей, при этом максимальная электрическая мощность комбинированного солнечного коллектора составляла 135 Вт/м2. Кроме электроэнергии, одновременно можно получить до 457 Вт тепла с 1 м2 теплопоглощающей поверхности при температуре исходного теплоносителя 25 °С и плотности солнечного потока 900 Вт/м2. На основе теоретического анализа выявлены наиболее оптимальные режимы эксплуатации комбинированного солнечного коллектора – режим функционирования при значениях 30–50 °С температурного перепада между теплопоглощающей поверхностью и окружающей средой. Новая конструкция комбинированного солнечного коллектора имеет более эффективную работу по сравнению с раздельными тепловыми солнечными коллекторами и фотоэлектрическими батареями при низких температурах на теплопоглощающей поверхности (ниже 50 °С) и обычно при более высоких значениях солнечного потока (более 600 Вт/м2).

Tese mestrado
As propriedades térmicas dos polímeros constituem talvez o mais importante grupo de propriedades dos materiais poliméricos. Elas fazem parte de muitos estudos de aracterização e avaliação do comportamento destes materiais. Aos resultados obtidos por qualquer técnica de análise térmica estão associados erros que podem ser inerentes ao equipamento utilizado ou resultarem da metodologia experimental seguida. Em alguns casos estes erros são irrelevantes, mas eles podem ser consideráveis e importantes quando se estudam propriedades cuja variação é pouco evidente em função das condições de ensaio. Para a sua avaliação é necessária a realização de um conjunto de ensaios que permitam identificar e distinguir entre erros inerentes ao equipamento e ao procedimento experimental, e avaliar a sua variação em função das condições de ensaio. É também importante a avaliação dos erros resultantes do tratamento dos resultados experimentais. Neste trabalho estudaram-se os erros associados às calibrações em aquecimento e arrefecimento de um calorímetro diferencial de varrimento. Utilizaram-se setups experimentais pouco convencionais com o objectivo de avaliar o gradiente térmico nos fornos, a sua variação com a velocidade de varrimento e o efeito convectivo do gás de purga. Estes últimos estudos foram efectuados em amostras com condutividade térmica elevada (padrões de calibração) e baixa (polímeros). Para estes materiais estudou-se ainda o efeito da espessura da amostra e da camada de gás armazenada entre o topo da amostra e a tampa da cápsula na definição do perfil de temperatura. Foi demonstrado que a calibração em arrefecimento pode ser efectuada a partir da calibração em aquecimento usando qualquer par de metais padrão, e que os erros com que aquela calibração é realizada podem ser avaliados com transições líquido cristalinas de cristais líquidos de elevada pureza. Verificou-se um efeito conjugado da velocidade de varrimento e do gás de purga na definição do perfil de temperatura de uma amostra. Demonstrou-se que o gradiente térmico aumenta com a velocidade de varrimento em ensaios em aquecimento e arrefecimento e que, em arrefecimento, o perfil de temperatura na amostra se inverte com o aumento da velocidade de varrimento. Por último verificou-se que o gradiente térmico e a resistência térmica aumentam com a espessura da amostra até um valor limite, a partir do qual o gradiente térmico diminui e a resistência térmica desce para valores muito baixos. Mostrou-se que estas últimas variações não têm significado físico. O atraso térmico entre a base e o topo aumenta com a velocidade de varrimento e a resistência térmica da amostra é independente da velocidade de varrimento. Foram efectuadas simulações do perfil de temperatura na amostra, com diferentes condições fronteira, que permitem reproduzir qualitativamente o comportamento descrito.
Many characterization methods are used for evaluating the thermal properties of polymers and they are also important in many working conditions of these materials. The results obtained with thermal analysis techniques are prone to errors resulting from the equipment itself, or from the experimental methodology followed in their acquisition. These errors may be meaningful in some situations, but they may be relevant when properties, whose dependence on the working conditions is not clear, are analyzed. For their accurate evaluation, it is required to carry on a set of experiments for separating the experimental errors originating from the equipment and from the experimental conditions (experimental methods, the sample preparation and data analysis). In this work the errors resulting from the temperature calibrations, on heating and cooling, of a differential scanning calorimeter are analysed with detail. A set of unusual setups is used for evaluating the temperature gradient in the DSC ovens, its variation with the scanning rate, and the analysis of the convective effect of the purge gas. These last studies were carried out with standard metals and low conductivity polymer samples. For these last materials, the effect of the sample thickness was also evaluated, together with the effect of the gas layer trapped between the top of the sample and the aluminium cover. The temperature gradient in polymer samples, under different working conditions, similar to those existing in the above setups, was also measured. It was shown that the calibration on cooling may be performed from the calibration on heating, with any pair of standard metals. The calibration errors were evaluated. Specifically, for the calibration on cooling, liquid crystalline transitions of high-purity liquid-crystals were used, and it was found out that for cooling rates up to -32 ºC/min these errors are small (≈0.5 ºC). The temperature profile in the DSC oven was evaluated quantitatively, and it was shown that both the scanning rate and the purge gas played an important role in their definition. The thermal gradient between the sample’s bottom and top, for heating and cooling scans, increases with the scanning rate. For cooling scans an inversion of the temperature profile occurs for a specific cooling rate were there is a balance, at the sample’s top surface, between the heat released by the sample, by convection to the purge gas, and the heat received from the oven by conduction. For the low thermal conductivity samples, the thermal gradient and the sample’s thermal resistance increases with the sample’s thickness up to a limiting value. For thicker samples the temperature gradient decreases, and the sample’s thermal resistance also decreases, but to low and unacceptable values. This last behaviour is due to the sample’s heating, both from bottom and top by thermal conduction. Also, for these samples, the temperature difference between the sample’s bottom and top increases with the scanning rate, while the thermal resistance is constant, as it should be. Simulations of the temperature profile across the sample, with different boundary conditions, were also performed and they reproduce qualitatively the behaviour observed.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
Este trabalho tem como principal objectivo testar as espumas metálicas como um potencial substituto à utilização de alhetas nos permutadores de calor. Sendo este material recente, os estudos efectuados sobre estas ainda são escassos e na área da transferência de calor estes apenas têm sido testados em dissipadores electrónicos. Assim é relevante estudar este material em permutadores de calor de diferentes configurações. O interesse destes materiais deve-se à sua elevada área superficial em dimensões compactas e à sua estrutura, o que permite obter maiores turbulências no fluido quando comparadas com as alhetas o que contribui para o aumento do coeficiente transferência de calor, porém a queda de pressão é maior e é necessário uma maior potencia para movimentar o fluido. Assim, este trabalho surge com o objectivo de fazer uma profunda pesquisa a fim de caracterizar a estrutura e compreender o comportamento das espumas metálicas em termos térmicos e a sua interacção com o fluido. Para tal é construído um permutador de calor que é dimensionado com base nos resultados obtidos por outros investigadores e no final é feita uma comparação dos resultados experimentais com a teoria. O permutador de calor construído é adaptado de uma instalação de secagem de biomassa disponível no laboratório de mecânica dos fluidos na Universidade do Minho onde é possível acoplar espumas metálicas com diversas propriedades. No trabalho experimental verifica-se que a espuma metálica aumenta o coeficiente de transferência de calor. No entanto estes valores apresentam diferenças relativamente aos valores obtidos por outros autores, que se podem justificar devido à diferença da configuração do permutador de calor e erros experimentais. Além disto a queda de pressão obtida é inferior à anunciada pelo fabricante o que indicia a existência de fugas.
This work has as substantial objective the testing metal foams with a major substitute for the heat exchanger fins. Since this article recent studies conducted on these are still scarce and the area of heat transfer they have only been tested in electronic heat sinks. So it is relevant to study this material in heat exchangers of different configurations. The interest of these materials due to its high area in compact dimensions and structure that allows for more turbulence in the fluid when compared with the fins which contributes to the increase of the coefficient of heat transfer, but the pressure drop is larger and greater power is required to move the fluid. So this work appears in order to do a thorough research in order to characterize the structure and understand the thermal behavior of metal foams and their interaction with the fluid. For this is built a heat exchanger that is constructed by the adaptation of correlations derived by other researchers, and end a comparison of experimental results with theory. The heat exchanger is constructed and adapted of a drying plant biomass available in the laboratory of fluid mechanics at the University of Minho and consists of a row of tubes where can engage with various properties of metal foams. In experimental work it is verified that the metal foam increases the coefficient of heat transfer. However, these values differ from the values obtained by other authors, this can be justified due to the difference of the heat exchanger configuration and experimental errors. Besides the pressure drop obtained is less than advertised by the manufacturer indicating the leaks.