https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/74817 Sun, 18 Oct 2026 16:06:41 GMT 2026-10-18T16:06:41Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277152 Avaliação experimental do desempenho de compressores scroll sob condições de injeção de vapor Theisges, Augusto Broering Amplamente utilizados em aplicações de refrigeração e bombas de calor, compressores scroll são fundamentais no desempenho desses sistemas. Devido ao seu princípio de funcionamento, permitem a aplicação de técnicas avançadas, como a injeção de vapor, para o aumento da sua capacidade e da sua eficiência energética. Esta dissertação apresenta a caracterização experimental do desempenho de compressores scroll, com ênfase na análise termodinâmica e nos efeitos da injeção de vapor sobre parâmetros operacionais e de eficiência. Para a realização dos experimentos, um calorímetro de ciclo quente foi modificado a fim de permitir testes com injeção de vapor, incluindo o controle independente da pressão e do superaquecimento do vapor injetado. Adicionalmente, um compressor scroll comercial foi instrumentado com sensores de pressão posicionados ao longo da câmara de compressão, viabilizando a medição direta de seu diagrama pressão- volume (p-V). Inicialmente, ensaios de referência foram conduzidos para obtenção do diagrama p-V do compressor operando sem injeção de vapor, em diferentes condições de operação. A partir desses dados, determinaram-se parâmetros fundamentais de desempenho termodinâmico, como potência indicada e eficiência isentrópica, além das perdas associadas ao processo de descarga e dos fenômenos de sobrecompressão e subcompressão. Na sequência, testes com injeção de vapor foram realizados, variando-se a pressão de injeção e o superaquecimento do vapor injetado. Durante esses experimentos, mediram-se a potência consumida pelo motor do compressor, a vazão mássica de refrigerante injetada e a vazão mássica total do compressor, correspondente à soma das vazões admitidas pelos processos de sucção e injeção. Temperaturas também foram medidas em diferentes pontos do sistema, incluindo a sucção, a descarga, o ponto de injeção e a carcaça do compressor. A partir dos resultados, avaliaram-se parâmetros de interesse prático para sistemas de refrigeração, como a temperatura de descarga, que afeta a confiabilidade e a vida útil do compressor, a capacidade de refrigeração e o coeficiente de desempenho (COP). Os resultados demostram que a instrumentação empregada e o calorímetro modificado são adequados para a análise detalhada do desempenho do compressor scroll, sendo capazes de emular condições reais de injeção de vapor com elevado grau de controle e repetibilidade. Na condição de baixa pressão de evaporação (LBP) a injeção de vapor proporcionou ganhos de até 27% em capacidade e de até 13% em COP. Na condição de média pressão de evaporação (MBP) foram observados ganhos menores de capacidade, entre 12 e 18%, sem variação significativa do COP. A injeção de vapor também reduziu a temperatura de descarga em todas as condições avaliadas em relação à operação sem injeção, sendo esses efeitos mais significativo em condições de maior vazão de vapor injetado.; Abstract: Widely used in refrigeration and heat pump applications, scroll compressors are key components for the performance of these systems. Due to their operating principle, they enable the application of advanced techniques, such as vapor injection, to increase the energy efficiency of the equipment in which they are used. This dissertation presents an experimental characterization of scroll compressor performance, emphasizing thermodynamic analysis and the effects of vapor injection on operational and efficiency parameters. To conduct the experiments, a conventional hot-gas cycle calorimeter was modified to allow tests with vapor injection, including independent control of both pressure and superheat of the injected vapor. Additionally, a commercial scroll compressor was instrumented with pressure sensors positioned along the compression chamber, enabling direct measurement of its pressure-volume (p-V) diagram. Initially, baseline tests were conducted under various operating conditions to obtain the p-V diagram of the compressor operating without vapor injection. From these data, key thermodynamic performance parameters were determined, such as indicated power, isentropic efficiency, loss effects in the discharge process, and refrigerant overcompression and undercompression phenomena. Subsequently, tests with vapor injection were performed by varying the injection pressure and the superheat of the injected vapor. During these experiments, measurements were taken for compressor motor power consumption, injected refrigerant mass flow rate, and total compressor mass flow rate, corresponding to the sum of the mass flow rates admitted through the suction and injection processes, were measured. Temperatures were also measured at various points in the system, including the suction line, discharge line, injection port, and compressor shell. Based on the results, parameters of practical interest for refrigeration systems were evaluated, including the discharge temperature, which affects compressor reliability and service life, cooling capacity and coefficient of performance (COP). The results indicate that the instrumentation and the modified calorimeter are well-suited for detailed analysis of the scroll compressor performance and capable of emulating actual vapor-injection conditions with a high degree of control and repeatability. Under low- back-pressure (LBP) conditions, vapor injection provided increases of up to 27% in cooling capacity and up to 13% in COP. Under medium-back-pressure (MBP) conditions, smaller increases in cooling capacity, between 12% and 18%, were observed, with no significant change in COP. Vapor injection also reduced the discharge temperature under all evaluated conditions compared with operation without injection, with this effect becoming more pronounced at higher injected-vapor mass flow rates. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277152 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277147 Metodologia semi-analítica para simulações termo-fluidodinâmicas de radiadores aplicados em transformadores de potência isolados a óleo Machado, Guilherme Santos O presente trabalho apresenta uma metodologia para reduzir o tempo de simulação numérica fluidodinâmica de aletas de radiadores empregados em transformadores de potência. A simplicidade geométrica do canal de ar externo existente entre as aletas permite o desenvolvimento de um algoritmo semi-analítico capaz de calcular a transferência de calor e a vazão mássica que ocorrem neste canal, com o objetivo de substituir o domínio externo das simulações por este algoritmo. A interligação entre a metodologia semi-analítica e o domínio interno de simulação é realizada por meio de macros desenvolvidas na linguagem do software comercial de CFD adotado. Duas abordagens são testadas: um modelo semi-analítico global e um modelo semi-analítico distribuído, com contabilização discretizada ao longo do canal. Além disso, os modelos incorporam correlações com considerações físicas distintas: canal com convecção natural, canal com convecção forçada e duas placas paralelas com convecção natural. Os resultados obtidos em cada uma destas abordagens são apresentados, as limitações inerentes a cada escolha são discutidas e são definidas as faixas adequadas para a aplicação de cada metodologia. Os casos são comparados com a simulação conjugada bidimensional, que contempla os domínios interno e externo, e são apresentadas as diferenças na transferência de calor e de massa que a simulação com o algoritmo integrado apresenta em relação ao caso completo. Por fim, uma vez consolidado o modelo, sua aplicabilidade é avaliada em casos tridimensionais, com análise dos resultados obtidos e relato dos ganhos no tempo de simulação.; Abstract: This work presents a methodology to reduce the computational fluid dynamics simulation time of radiator fins used in power transformers. The geometric simplicity of the external air channel between the fins allows the development of a semi-analytical algorithm capable of calculating the heat transfer and mass flow rate that occur within this channel, with the objective of replacing the external domain of the simulations with this algorithm. The connection between the semi-analytical methodology and the internal simulation domain is established by means of macros developed in the programming language of the commercial CFD software adopted. Two approaches are tested: a global semi-analytical model and a distributed semi-analytical model, with discretized accounting along the channel. In addition, the models incorporate correlations with distinct physical considerations: a channel with natural convection, a channel with forced convection, and two parallel plates with natural convection. The results obtained for each of these approaches are presented, the limitations inherent to each choice are discussed, and the appropriate ranges for the application of each methodology are defined. The cases are compared against the two-dimensional conjugate simulation, which comprises both the internal and external domains, and the differences in heat and mass transfer that the simulation with the integrated algorithm presents relative to the complete case are shown. Finally, once the model has been consolidated, its applicability is evaluated in three-dimensional cases, with analysis of the results obtained and a report of the gains in simulation time. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277147 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277148 Análise do desempenho e da combustão de um motor a etanol com adição de hidrogênio em condições de mistura rica Sandoval, Miguel Humberto Barrientos A crescente necessidade de redução de emissões poluentes e de diversificação das fontes energéticas tem impulsionado o desenvolvimento de estratégias voltadas ao uso de combustíveis renováveis em motores de combustão interna. Entre as alternativas de interesse, o etanol destaca-se por sua elevada octanagem e origem renovável, enquanto o hidrogênio apresenta alta velocidade de chama laminar e ampla faixa de inflamabilidade, sendo sua combinação uma estratégia promissora para potencializar as vantagens individuais de cada combustível e melhorar a dinâmica da combustão e o desempenho do motor. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise numérica da combustão e do regime de chama de um motor Fiat Fire 1.4 Flex operando com etanol puro e misturas etanol?hidrogênio sob diferentes estratégias de avanço de ignição. O estudo fundamenta-se nos princípios de funcionamento de motores de ignição por centelha e na aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional à modelagem tridimensional (3D) de motores. Para representar adequadamente a cinética química das misturas, foi desenvolvido um mecanismo integrado a partir da combinação de mecanismos consolidados para etanol e hidrogênio, utilizando o programa CONVERGE CFD e validado com base em dados experimentais de atraso de ignição, velocidade de chama laminar e concentração de espécies químicas. O escoamento no interior do cilindro foi caracterizado por meio de simulações (1D) e (3D), sendo o modelo 1D empregado para estabelecer condições iniciais e de contorno para as simulações 3D. A análise da combustão foi conduzida a 3875 rpm, com razão ar?combustível relativa constante (? = 0,9), considerando duas estratégias de ignição: avanço fixo e avanço otimizado para a máxima pressão média efetiva indicada (IMEP). Sob avanço fixo, a adição de H2 elevou o pico de pressão e a taxa máxima de liberação de calor, antecipando os ângulos característicos da fração de massa queimada, embora a antecipação excessiva da liberação de calor tenha limitado os ganhos de desempenho quando o avanço não foi ajustado à nova cinética da mistura. Com avanço otimizado, a maior reatividade das misturas foi convertida de forma mais eficiente em trabalho indicado, resultando em incrementos da pressão média efetiva indicada (IMEP), destacando-se as misturas com 1,9% e 5,4% de fração energética de H2. A caracterização do regime de combustão por meio do diagrama de Borghi?Peters indicou que todas as condições permaneceram predominantemente no regime de zona de reação fina, sendo observada redução da razão u'/SL nos instantes próximos ao ponto morto superior devido ao aumento de SL, enquanto o ajuste do avanço atuou como mecanismo de regularização da interação entre turbulência e cinética química ao longo do ciclo. Os resultados demonstram que a adição controlada de hidrogênio ao etanol pode melhorar a dinâmica da combustão e o desempenho indicado quando acompanhada por adequado reposicionamento do avanço de ignição, evidenciando a importância do equilíbrio entre cinética química, regime turbulento e sincronização da liberação de calor com a dinâmica de expansão do cilindro.; Abstract: The growing need to reduce pollutant emissions and diversify energy sources has driven the development of strategies aimed at the use of renewable fuels in internal combustion engines. Among the available alternatives, ethanol stands out due to its high octane number and renewable origin, while hydrogen exhibits a high laminar flame speed and wide flammability limits. Their combination therefore represents a promising strategy to leverage the individual advantages of each fuel and improve combustion dynamics and engine performance. In this context, this work presents a numerical analysis of the combustion process and flame regime in a Fiat Fire 1.4 Flex engine operating with pure ethanol and ethanol?hydrogen blends under different spark timing strategies. The study is based on the operating principles of spark-ignition engines and on the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) to three-dimensional (3D) engine modeling. To adequately represent the chemical kinetics of the mixtures, an integrated mechanism was developed by combining well-established mechanisms for ethanol and hydrogen, implemented in the CONVERGE CFD software and validated against experimental data for ignition delay, laminar flame speed, and chemical species concentrations. The in-cylinder flow field was characterized through one-dimensional (1D) and three-dimensional (3D) simulations, with the 1D model used to establish consistent initial and boundary conditions for the 3D simulations. The combustion analysis was conducted at 3875 rpm with a constant relative air?fuel ratio (? = 0.9), considering two ignition strategies: fixed spark timing and spark timing optimized for maximum indicated mean effective pressure (IMEP). Under fixed timing, the addition of H2 increased the peak pressure and maximum heat release rate, advancing the characteristic crank angles of the burned mass fraction, although the excessive advancement of heat release limited performance gains when the spark timing was not adjusted to the modified mixture kinetics. With optimized timing, the higher reactivity of the blends was more effectively converted into indicated work, resulting in increases in indicated mean effective pressure (IMEP), particularly for blends with 1.9% and 5.4% hydrogen energy fraction. The combustion regime characterization using the Borghi?Peters diagram indicated that all conditions remained predominantly within the thin reaction zones regime. A reduction in the u'/SL ratio was observed near top dead center due to the increase in SL, while spark timing adjustment acted as a regulating mechanism for the interaction between turbulence and chemical kinetics throughout the cycle. The results demonstrate that the controlled addition of hydrogen to ethanol can enhance combustion dynamics and indicated performance when accompanied by appropriate spark timing repositioning, highlighting the importance of balancing chemical kinetics, turbulent regime, and heat release phasing with the cylinder expansion dynamics. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277148 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277139 Domain adaptation and generalization for bearing fault diagnosis: a leakage-free cross-dataset benchmark Bauler, Victor Afonso Rolamentos são componentes críticos para garantir a confiabilidade de máquinas rotativas; falhas nesses componentes podem levar a interrupções na produção, perdas financeiras e riscos de segurança. A manutenção baseada na condição, particularmente por meio do monitoramento de vibrações, tem se destacado como uma das principais estratégias para a detecção precoce de falhas. Entretanto, a aplicação efetiva de modelos de aprendizado de máquina nesse contexto é dificultada pela variabilidade das condições operacionais e pela restrita disponibilidade de dados rotulados. Para contornar essas limitações, este trabalho propõe avaliar duas estratégias: adaptação de domínio e generalização de domínio. Para validar essas abordagens, conduziu-se um extenso benchmark em quatro conjuntos de dados públicos, empregando uma metodologia rigorosa que evita o vazamento de dados e aborda lacunas identificadas na literatura a respeito do processo de otimização de hiperparâmetros. A avaliação engloba tanto modelos de aprendizado raso, quanto modelos de aprendizado profundo. Os resultados demonstram que a adaptação e a generalização de domínio tendem a beneficiar consistentemente os modelos de aprendizado raso, enquanto apresentam melhorias mais modestas e inconsistentes para as arquiteturas de aprendizado profundo.; Abstract: Bearings are critical components for ensuring the reliability of rotating machinery; failures in these components can lead to production interruptions, financial losses, and safety risks. Condition-based maintenance, particularly through vibration monitoring, has emerged as one of the leading strategies for the early detection of failures. However, the effective application of machine learning models in this context is hindered by the variability of operating conditions and the limited availability of labeled data. To overcome these limitations, this work proposes evaluating two strategies: domain adaptation and domain generalization. To validate these approaches, an extensive benchmark was conducted on four public datasets, employing a rigorous methodology that avoids data leakage and addresses gaps identified in the literature regarding the hyperparameter optimization process. The evaluation encompasses both shallow learning models and deep learning models. The results demonstrate that domain adaptation and generalization tend to consistently benefit shallow learning models, while offering more modest and inconsistent improvements for deep learning architectures. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277139 2025-01-01T00:00:00Z