Submitted by Rodrigo Lima Meira (rodrigolm18@gmail.com) on 2017-08-07T18:12:20Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 3745629 bytes, checksum: cb10f18eb9de18c98fe4df2621efbb58 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-08-09T15:27:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 3745629 bytes, checksum: cb10f18eb9de18c98fe4df2621efbb58 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T15:27:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 3745629 bytes, checksum: cb10f18eb9de18c98fe4df2621efbb58 (MD5) / CAPES / Os modelos fenomenológicos que descrevem o escoamento de fluidos compressíveis são complexos, devido à variação da densidade deve estar correlacionada com a variação de pressão. Isto faz com que sejam adotadas simplificações, como fator de compressibilidade médio, limitando a aplicação desses modelos. Assim, o objetivo deste trabalho é implementar modelos mais rigorosos de escoamento compressível tanto para compressores centrífugos quanto para o transporte de fluidos em longas distâncias, em específico com gás carbônico que vem sido empregado para recuperação de óleo na captura e estoque de carbono. Além disto, através do método de Monte Carlo a incerteza das simulações foram avaliadas, com o propósito de tomar decisões adequadas nos cenários estudados. Os resultados mostraram que a utilização de equação de estado para gás real e do escoamento compressível são relevantes nas curvas do compressor, contrário ao que literatura especializada frequentemente sugere, portanto esses sistemas não ficam bem representados por escoamento incompressível e gás ideal. As curvas de operação do compressor também foram definidas com avaliação da incerteza das curvas de surge e stonewall, obtendo uma região de operação, além de mais eficiente, que atenda a segurança operacional. Para a linha de pesquisa do transporte de gás carbônico, o diâmetro da linha foi dimensionamento, além do cálculo dos perfis de temperatura e pressão. Os resultados mostraram, também, que as simplificações comuns da literatura, como desprezo da energia cinética e considerar um fator de compressibilidade médio, nem sempre respondem adequadamente na obtenção dos perfis de pressão e temperatura. Também foi apresentada a avaliação da incerteza destes perfis, e definida a probabilidade do sistema não atingir as restrições de projeto, com o objetivo auxiliar em tomadas de decisões em projetos de transporte de fluidos. Desta forma influência de um modelo mais rigoroso foi estudada em diferentes casos de escoamento compressível, junto à avaliação de incerteza na tomada de decisão, e busca de processos mais eficientes.

Diante do expressivo aumento do número de refinarias de petróleo, bem como, com a crescente modernização das tecnologias de processo, englobando também o ramo petroquímico e de fertilizantes, notou-se que o consumo de energia de compressores centrífugos e suas eficiências tornaram-se de suma importância. Uma consequência desta nova realidade, está na necessidade de melhoria dos métodos estimativos para pré-dimensionamento e performance destas máquinas, o que necessariamente implica em uma previsão precisa de sua eficiência politrópica. Além disso, tais métodos devem também estimar as dimensões básicas de cada seção de compressão. A maior parte da literatura atual, versando sobre compressores centrífugos, tipo multiestágio, não está atualizada no que diz respeito à estimativa de eficiências politrópicas, quando comparadas com as eficiências alcançadas por compressores de fornecimento recente. Sendo assim, o principal objetivo da presente dissertação foi estimar um compressor centrífugo multiestágio, utilizando métodos adequados de cálculo. Isto implicou em comparar três métodos de estimativas, refletindo três procedimentos clássicos de cálculo, normalmente utilizados. Após pesquisa foram identificados três métodos, dois otimizados recentemente e um terceiro de abordagem mais antiga, proveniente de alguns fornecedores de compressores. Os métodos em análise são: Método das relações de Semelhança Otimizado por Sandberg (2016), Método de Lüdtke (2004), com correções propostas por Busaid e Pilidis (2016) e finalmente o Método dos Expoentes Politrópicos (N-Method), apresentado por Gresh (2001) e editado novamente em Gresh (2018). Os dois métodos mais recentes, embora baseados em diferentes critérios, apresentam estimativas de desempenho, dentro de uma precisão razoável, quando comparada aos dados reais de teste, enquanto que o método mais antigo, apresenta desvios significativos. Nesta dissertação, serão estimados seis casos reais de compressores, cujos resultados serão comparados aos estimados pelos três métodos de cálculo. Analisando os métodos, à luz dos desvios indicados nas tabelas para os seis casos, pode-se afirmar que o Método Simplificado e Corrigido de Lüdtke foi o que apresentou melhores resultados. O desvio relativo máximo apresentado foi na potência de eixo, cujo valor foi de 5,1%. Considerando o Método de Sandberg, verifica-se a partir dos desvios listados nas tabelas, que não cumpriu com o limite de aceitabilidade no tocante à potência no eixo para dois dos casos estudados. Entretanto, com exceção a estes dois casos, o método mostrou-se bastante satisfatório. Finalmente, analisando o Método dos Expoentes Politrópicos, citado por Gresh (2018), pode-se dizer que este método só foi aceitável para dois casos. Para os demais, segundo os desvios indicados nas tabelas, o método mostrou-se inadequado devido a desvios significativos na sua eficiência politrópica. / With the crescent number of modern fertilizer plants and hydrocracking process units in oil refineries, the consumption of energy and consequently the efficiency of centrifugal compressors were made of paramount importance in present day. A consequence of this new reality is the necessity of improvement of the methods that estimate the polytropic efficiency of these compressors. Furthermore, new methods also need to predict the basic geometric parameters of each machine. On the other side, most of the literature, which deals with polytropic efficiencies, is not up to date with the values performed by modern compressors. The main scope of present work is to provide background information and present a comparison between two up to date methods and a third classical old method, based on different approach, but capable to predict the performance and sizing of multistage centrifugal compressors. The methods under analysis are: Sandberg (2016) Optimized Similarity Method, Lüdtke\'s Method (2004), with corrections proposed by Busaid and Pilidis (2016) and finally the Politropic Exponent Method (N-Method), presented by Gresh (2001) and edited again in Gresh (2018). Both the newer methods present good agreement with the values performed by several compressors, as demonstrated when these methods are adopted, whilst the old method presents some deviations, mainly in the gas power. In this paper, six real cases will be estimated by the three methods and compared against supplier data; the results will be justified. Analyzing the methods, in respect of the deviations indicated in the tables for the six cases, it can be stated that the Simplified and Corrected Method of Lüdtke was the one that presented the best results. The maximum relative deviation presented was in the brake horsepower, whose value was of 5.1%. Considering the Sandberg Method, it can be verified from the deviations listed in the tables, that it did not meet the limit of acceptability regarding power on the axis for two of the cases studied. However, with the exception of these two cases, the method was quite satisfactory. Finally, analyzing the Politropic Exponents Method, quoted by Gresh (2018), it can be said that this method was only acceptable for two cases. For the others, according to the deviations indicated in the tables, the method proved to be inadequate, due to significant deviations in its polytropic efficiency.

Centrifugal is the main compressor type used in process industries and pipelines. This work presents the design of a centrifugal compressor in three steps. The first step is the preliminary design that has an unidimensional treatment and is heavily based on empirical data. Then, using the quasi-ortogonals method, the flow in the meridional plane of the impeller channel is analysed and the blade geometry improved. The last step consists of the compressor flow analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques using a commercial software in order to verify any deficiencies in the methodology applied in the preliminary design.

No presente trabalho, são discutidos alguns aspectos do escoamento em turbomáquinas radiais, com ênfase nas análises teórica e experimental de rotores centrífugos. Na análise teórica, utilizando o método das singularidades, são apresentadas duas formulações para o escoamento potencial e incompressível no interior de rotores centrífugos com pás de largura variável. Na primeira formulação, apropriada para pás de espessura finita, o escoamento no plano físico, para qualquer geometria de rotor de turbomáquina, é mapeado para o plano da grade linear. A solução numérica da equação de Fredholm de segunda espécie, resultante dessa formulação no plano da grade linear, é obtida pelo método dos painéis, através de uma distribuição de vórtices de densidade uniforme em cada painel. Por meio de uma equação de transformação de velocidades, as características do escoamento são reconduzidas para o plano físico. Na segunda formulação, apropriada para pás infinitamente finas, as características do escoamento são obtidas no próprio plano da grade radial. A solução numérica da equação de Fredholm de primeira espécie resultante dessa formulação é obtida também pelo método dos painéis, porém com uma distribuição de vórtices de densidade linear em cada painel. Diversas características locais e globais do escoamento são determinadas para vários formatos de pás. Baseando-se no carregamento da pá, propõe-se um parâmetro adimensional que determina o número ótimo de pás. Na análise experimental, foram construídos cinco rotores centrífugos com diferentes formatos e números de pás. Também, foi construída uma seção especial de testes para ensaios de rotores centrífugos sem interferência externa irregular no seu escoamento. Para a determinação das características do escoamento, foram utilizados dois sistemas de medidas: um, com uma sonda aerodinâmica localizada na saída do rotor centrífugo e, o outro, com uma célula de carga para a medição da potência de eixo desse rotor. A comparação entre os resultados obtidos por esses dois sistemas de medidas mostra algumas características importantes como o fenômeno da recirculação do escoamento no rotor centrífugo. Os resultados numéricos e experimentais são comparados para uma ampla faixa de vazões. Diversas análises dos resultados são apresentadas e alguns comentários são feitos sobre a validade da aplicação de teorias invíscidas em rotores centrífugos. Conclui-se que o critério baseado no número de Richardson máximo é apropriado para indicar o número ótimo de pás de rotores centrífugos com pás curvadas para trás, por meio do cálculo do escoamento potencial.