[pt] Apresenta-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo teórico-numérico baseado na Teoria da Viscoelasticidade Linear capaz de prever as distribuições transientes e residuais das componentes de tensão e de deformação de um cilindro polimérico longo submetido a resfriamento brusco. Descrevem-se, ainda, os procedimentos experimentais adotados como intuito de se determinarem algumas propriedades térmicas e mecânicas do sistema epóxi DER331/XG0103/XB81215. Finalmente, comparam-se os resultados fornecidos pelo modelo teórico-numérico com resultados experimentais obtidos através da utilização de uma técnica extensométrica conhecida como Método de Sachs. / [en] This work presents the development of a theoretical and numerical model based on the Linear Viscoelastic Theory able to predict the transient and residual stress and deformation distributions in a long polymeric cylinder subject to a rapid cooling. The work describes the experimental procedures adopted aiming to determine some thermal and mechanical properties of the epoxy system DER331/XG0103/XB81215. Finally, the results from the theoretical numerical model are compared to the ones obtained experimentally by na extensometric technique known as Sachs’ Method.

[pt] No processo de transporte e produção de petróleo e seus derivados em linhas submarinas, o controle da transferência de calor entre o produto quente e o mar frio, é fundamental para a garantia do escoamento. Se a temperatura do produto cair abaixo de determinados valores críticos, problemas como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação podem ocorrer, levando ao bloqueio da linha e interrupção de produção, demandando altos custos. A perda de calor para o ambiente é minimizada, através de isolantes térmicos projetados para operações em regime permanente. Nestes casos, devido às altas velocidades do escoamento axial, o qual é tipicamente turbulento, o processo de transferência de calor dominante é o de convecção forçada. Porém, durante uma operação de manutenção de algum equipamento, a produção pode ser interrompida e o fluido ficando parado no interior da linha, tende a resfriar-se podendo atingir uma temperatura crítica. Durante este resfriamento, na ausência de bombeio, o processo de convecção natural passa a dominar. O presente trabalho analisa o processo de transferência de calor após a parada de bombeio, considerando os efeitos da convecção natural no resfriamento do produto, assim como a influência da capacidade térmica da parede do duto e das camadas de revestimento no transiente térmico. Inicialmente, considera-se que o escoamento axial é rapidamente levado ao repouso e utiliza-se um modelo bidimensional da seção transversal do duto, utilizando três produtos típicos: um óleo leve, um óleo pesado, e um gás. Os campos de velocidade e temperatura são obtidos numericamente utilizando o software FLUENT, considerando a hipótese de Boussinesq para avaliar a convecção natural. A taxa de resfriamento obtida é comparada com a previsão de um modelo unidimensional na direção axial, que utiliza correlações empíricas para avaliar a transferência de calor entre o fluido a parede da tubulação, em função do regime de escoamento. Boa concordância entre as simulações para a seção central da linha é obtida. No entanto, como as variações axiais para o caso do gás são maiores, para este produto, um modelo tridimensional também foi analisado, onde se considerou os efeitos combinados da convecção forçada e natural. Adicionalmente, a hipótese de Boussinesq foi eliminada, e a equação de gás ideal foi considerada. / [en] Heat transfer control is crucial for flow assurance in transport as well as production operations of oil and its derivatives in subsea lines. If the product temperature falls below certain critical values, problems such as hydrate formation or wax deposition in the pipelines walls can occur, inducing line blockage and interruption of production, demanding high costs. The heat loss to the environment is minimized by employing thermal insulation, which are designed for stead state operations. For these cases, due to high axial velocities, the flow is typically turbulent, and the dominant heat transfer mechanism is due to convection forced. However, during maintenance operation of some equipment, the production can be interrupted and the stagnant fluid in the interior of the line tends to cool down and it can reach a critical temperature. During this cooling, in the absence of pumps, the process of natural convection begins to dominate. The present work analyzes the heat transfer process after flow shutdown, considering the effect of the natural convection, as well as the influence in the thermal transient of the thermal capacity of the duct wall and insulation layers. Initially, it is considered that the axial flow is set to rest very quickly and a two-dimensional model of the transversal section of the duct is employed, using three typical products: light oil, heavy oil and pressurized gas. The velocity and temperature filed are obtained using the numerical software FLUENT, considering the hypothesis of Boussinesq to evaluate the natural convection. The cooling rate is compared with the forecast of a unidimensional model in the axial direction based on empirical correlations, function of the flow regime, to evaluate the heat transfer between the fluid and the duct wall. Good agreement is obtained between the solutions of the 2-D model and the pipeline central cross section of the 1-D model. However, as the axial variations for the gas case are significant, for this product, a three-dimensional model also was analyzed, where it was considered the effects of the forced and natural convection. Additionally, the hypothesis of Boussinesq was eliminated, and the ideal gas equation was considered.

In a Modular High Temperature Gas Reactor (MHGTR), the Pressurized Conduction Cooldown (PCC) event is an accident scenario in which there is a loss of forced convection of the coolant through the system but the pressure boundary remains intact. When the PCC event occurs, natural circulation onsets which results in a flow and temperature reversal, resulting in hot helium flowing into the upper plenum which could imping upon the upper plenum head. The High Temperature Test Facility (HTTF), which is being designed and constructed at Oregon State University, is a scaled thermal test facility of the MHTGR which is being built for both code validation purposes and to examine specific flow phenomena of the gas reactor. This study is being performed to determine how the HTTF simulates the same conditions as the MHTGR under this scenario through the use of scaling parameters and computational fluid dynamics. / Graduation date: 2013

[pt] Linhas submarinas são utilizadas na produção e transporte de petróleo e seus derivados. Em ambas as situações, o controle da transferência de calor do fluido para o ambiente externo pode ser um fator determinante para o escoamento. No caso de produção em águas profundas, o fluido aquecido perde calor para a água do mar gelada. A perda de calor é controlada através do isolamento térmico, o qual é projetado para operações de escoamento em regime permanente. Durante eventuais paradas de operação, o fluido estagnado no interior da tubulação ao perder calor para o ambiente frio, pode atingir níveis críticos de temperatura, acarretando graves problemas, tais como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação, o que pode levar ao bloqueio da linha e interrupção de produção. No transporte de produtos, o reinício de bombeio de fluidos muitos viscosos também é um problema crítico, devido ao aumento significativo da viscosidade com a redução da temperatura. O presente trabalho apresenta uma análise da influência da capacidade térmica da parede do tubo e das camadas de revestimento no transiente térmico de linhas com muito isolamento. A perda de calor da linha para o ambiente é determinada resolvendo-se a equação transiente de condução de calor para as camadas de revestimento da tubulação, utilizando um modelo uni-dimensional na direção radial. O método de volumes finitos é empregado para resolver o escoamento transiente no interior da tubulação acoplado com o transiente térmico na parede da tubulação, a partir do instante em que uma válvula é fechada na extremidade da tubulação interrompendo o fluxo. Comparações com as previsões de softwares comerciais foram realizadas e suas limitações são discutidas. Resultados obtidos das simulações para o escoamento tanto de líquidos quanto de gases, considerando e desprezando a capacidade térmica, mostram que o efeito da mesma é relevante na determinação do tempo de resfriamento da linha e do fluido em seu interior. / [en] Subsea pipelines are employed not only for production but also for transportation. In both situations, warm oil loses heat to the cold sea water. The heat loss to the ambient is controlled by means of thermal insulation, which is designed for steady state operations. During shutdowns, the stagnant fluid in the pipeline loses heat to the cold surrounding, eventually reaching some critical temperature. As a result, several problems can occur, such as formation of hydrates or deposition of high molecular weight paraffins on the inner wall of the subsea line, which can lead to flow line blockage and production shutdown. Restart of very viscous fluid after shutdown is also critical, since viscosity increases significantly with the reduction of the temperature. This work presents an analysis of the influence of the pipe wall thermal capacitance on the transient behavior of heavily insulated lines. The heat loss from the pipeline is determined, by solving the transient heat conduction equation for the pipewall layers, utilizing a simple one-dimensional model in the radial direction. The finite volume method is employed to solve the transient flow inside the pipeline, from the time instant that a valve at the end point of the line is closed, coupled with the pipe wall thermal transient. Comparisons with the prediction of commercial softwares were performed and their limitations are addressed. Numerical results obtained for flows of both liquid and gases, considering and neglecting the thermal capacitance, revealed that accounting for the thermal capacity of the wall is relevant to the determination of cooldown times