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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41111| Título: | Projeto termohidráulico de um trocador de calor de bancada para avaliação do rendimento térmico de nanofluidos |
| Título(s) alternativo(s): | Thermohydraulic design of a bench-scale heat exchanger for assessing the thermal performance of nanofluids |
| Autor(es): | Magnini, Henzo Eduardo Moreira Malafronte, João Rafael Garcia |
| Orientador(es): | Behainne, Jhon Jairo Ramirez |
| Palavras-chave: | Tubos - Dinâmica dos fluidos Permutadores térmicos Calor - Transmissão Análise térmica Tubes - Fluid dynamics Heat exchangers Heat - Transmission Thermal analysis |
| Data do documento: | 2-Jul-2026 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Ponta Grossa |
| Citação: | MAGNINI, Henzo Eduardo Moreira; MALAFRONTE, João Rafael Garcia. Projeto termohidráulico de um trocador de calor de bancada para avaliação do rendimento térmico de nanofluidos. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2026. |
| Resumo: | Nanofluidos são formados pela dispersão de partículas em escala nanométrica em um fluido base, o que pode alterar propriedades como condutividade térmica, viscosidade, densidade e calor específico. Estudos indicam que o uso de nanofluidos pode aprimorar o desempenho de trocadores de calor, principalmente na intensificação da transferência de calor por condução e convecção, possibilitando o desenvolvimento de equipamentos mais compactos. No entanto, ainda existem lacunas de conhecimento nesse campo. Por exemplo, a seleção adequada dos nanofluidos, a estabilidade das nanopartículas no fluido base, a influência da fração volumétrica, o impacto da viscosidade no escoamento, a otimização do projeto dos trocadores de calor e a compreensão dos mecanismos envolvidos na transferência de calor. Diante desse contexto, este estudo teve como objetivo principal, projetar um trocador de calor de bancada para avaliar o desempenho do processo de transferência de energia térmica utilizando nanofluidos de diversas características sob diferentes condições operacionais. O projeto termohidráulico desenvolvido considerou as possibilidades de configuração dos escoamentos, a geometria, os materiais de construção e as condições operacionais. Assim, a proposta resultou na definição de um trocador de tubos concêntricos com desenhos elaborados em CAD, com detalhes dos componentes hidráulicos, dos reservatórios, das bombas, do sistema de controle térmico, da instrumentação e dos elementos estruturais necessários à montagem da bancada. Também foram considerados aspectos relacionados à compatibilidade dos materiais com os nanofluidos, bem como à flexibilidade do sistema para mudar a configuração dos escoamentos. A avaliação termohidráulica foi conduzida para diferentes números de Reynolds, definindo assim valores específicos de números de Nusselt, coeficientes convectivos, coeficientes globais de transferência de calor, números de unidades de transferência, efetividades térmicas e taxas de transferência de calor. Adicionalmente, foram realizadas simulações numéricas para avaliar o comportamento térmico do trocador em condições operacionais definidas, permitindo observar a distribuição de temperaturas, a evolução do regime transiente durante a partida do equipamento e a interação térmica entre as correntes quente e fria. Dessa forma, o trabalho desenvolveu uma base teórica e metodológica para a construção e futura utilização de uma bancada experimental destinada ao estudo do desempenho térmico e hidráulico de nanofluidos em trocadores de calor. |
| Abstract: | Nanofluids are produced by dispersing nanoscale particles in a base fluid, which can alter properties such as thermal conductivity, viscosity, density, and specific heat. Studies have indicated that the addition of nanofluids can improve the performance of heat exchangers, mainly by intensifying heat transfer through conduction and convection. In addition, depending on the composition, nanoparticle concentration, and operating conditions, nanofluids may offer advantages related to improved thermal efficiency and the possibility of developing more compact equipment. However, knowledge gaps still remain in this field, such as the proper selection of nanofluids, the stability of nanoparticles in the base fluid, the influence of volume fraction, the impact of viscosity on flow, the optimization of heat exchanger design, and the understanding of the mechanisms involved in the heat transfer. In this context, the main objective of this study was to design a flexible operating bench-scale heat exchanger for assessing the thermal performance of nanofluids. To achieve this objective, several steps were carried out, beginning with a comprehensive literature review on nanofluids and heat exchangers. In the sequence, the detailed thermohydraulic design of a bench-scale heat exchanger was developed, taking into account the selection of the equipment type, its dimensions, geometry, construction materials, and operating conditions. The project included the definition of a concentric tube heat exchanger, the development of the CAD model, and the selection of hydraulic components, reservoirs, pumps, the thermal control system, instrumentation, and structural elements required for assembling the bench. Aspects related to material compatibility with nanofluids, operational flexibility of the system, and the possibility of operation under different flow configurations were also considered. The thermohydraulic evaluation was conducted under several operating parameters such as the Reynolds number, Nusselt number, convective coefficient, overall heat transfer coefficient, number of transfer units, thermal effectiveness, and heat transfer rate. Additionally, numerical simulations were performed to evaluate the thermal behavior of the heat exchanger under defined operating conditions, making it possible to observe the temperature distribution, the evolution of the transient regime, and the thermal interaction between the hot and cold streams. Thus, this work developed a theoretical and methodological basis for the construction and future use of an experimental bench intended for the study of the thermal and hydraulic performance of nanofluids in heat exchangers. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41111 |
| Aparece nas coleções: | PG - Engenharia Mecânica |
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