Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2421362 bytes, checksum: 6162f260770d9ee1bedb3c6f159b9e2a (MD5) Previous issue date: 2010-07-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Two methods for solving a direct heat diffusion problem inside a cylindrical enclosure are proposed, each one is applied with a linear and plus a non-linear solution. Besides, a experimental apparatus was developed for theoretical models validation purpose. Furthermore, as an application of the proposed system the inverse analysis (inverse problem) is used to determine the thermal diffusivity of a liquid (water). The physical experimental system consists of a hollow cylinder, made from metal material (aluminum), which is filled with a liquid fluid whose thermal diffusivity we want to estimate. A sensor element (PT 1000) should measure the temperature at the points that it must be acquired and controlled. The controller has to compare the actual temperature value with the desired one and send command to actuator (Peltier module), which is physically in contact with the metallic cylinder, responding by heating or cooling system. The temperature inside the liquid is measured by thermocouples and saved in a file through software. Temperature control must ensure the thermal conditions during the actual experimental procedure, what is also object of this study. Regarding the direct problem, heat conduction model, one-dimensional and cylindrical radial symmetry for the transient response of temperature measured at the center of a cylindrical cavity. Following the formal proceedings, the Generalized Integral Transform Technique is one of the methods used to solve the direct problem and thus determine the theoretical temperature field, yielding results of the standard type. Initially, considering the thermal diffusivity constant (linear problem) and, after, another approach considering a linear dependence of the parameter with temperature. A proposal for alternative solution is done using the Network Simulation Method (NSM), first in the classical version of linear solution, and afterward as an innovative version through the use of an element whose electrical resistance varies linearly with the voltage. In addition, the liquid medium is considered stationary, thus, any convective and radiative exchanges inside the medium are neglected. The feasibility of determining the unknown thermal diffusivity, through the proposed device is inferred by analyzing the mathematical representation of this system by comparing it with the experimental results. A MATLAB software was developed to enable the solution of the parameter estimation, which was solved using the norm minimization of the least-squares by Levenberg-Marquardt algorithm. The results show the feasibility of the proposed system. / São propostos dois métodos de resolução para um problema (direto) de difusão de calor no interior de uma cavidade cilíndrica, cada um dos métodos é aplicado com solução linear e outra não linear. Conjuntamente, é desenvolvido um aparato experimental para validação dos modelos teóricos. E, como uma aplicação do sistema proposto a análise inversa (problema inverso) é usada para determinar a difusividade térmica de um líquido (água). O sistema físico experimental consiste de uma cavidade cilíndrica de material metálico (alumínio) vazada, a ser preenchida com o material líquido do qual se quer estimar a difusividade térmica. Um elemento sensor (PT 1000) deve medir a temperatura no(s) ponto(s) em que a temperatura precisa ser medida e controlada. O controlador deve comparar a temperatura real com o valor desejado e enviar sinal de comando ao atuador (pastilha Peltier), o qual está fisicamente em contato com o cilindro metálico, respondendo pelo aquecimento ou resfriamento do sistema. A temperatura no interior do líquido é medida por termopares e salva em arquivo através de softwares. O controle de temperatura precisa manter as condições térmicas durante o procedimento experimental real, o que, também, é objeto deste estudo. No que concerne ao problema direto, modelo de condução de calor unidimensional e com simetria cilíndrica radial para obter a resposta transiente da temperatura medida no centro de uma célula cilíndrica. Seguindo os procedimentos formais, a Técnica da Transformada Integral Generalizada é um dos métodos utilizados para resolver o problema direto e, por conseguinte, determinar o campo de temperatura teórico, gerando resultados do tipo padrão. Inicialmente considerando-se a difusividade térmica constante, problema linear, e, em outra abordagem considerando-se uma dependência linear desta com a temperatura. Uma proposta para solução alternativa é feita utilizando-se o Método de Simulação de Rede (NSM), tanto na versão clássica de solução linear, quanto numa versão inovadora através do uso de um elemento cuja resistência elétrica varia linearmente com o potencial elétrico. Além disso, o meio líquido é considerado estacionário, assim, eventuais trocas convectivas e radiativas no interior do meio são negligenciadas. A viabilidade em se determinar a difusividade térmica desconhecida, através do dispositivo proposto, é inferida analisando a representação matemática deste sistema comparando-a com os resultados experimentais. Um software em MATLAB foi desenvolvido para viabilizar a solução do problema de estimativa de parâmetro para a difusividade térmica, o qual foi resolvido por meio da minimização da norma dos mínimos quadrados pelo algoritmo de Levenberg-Marquardt. Os resultados obtidos mostram a viabilidade do sistema proposto.

Orientador : Antonio Carlos Bannwart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-03T19:46:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Higa_Marcio_D.pdf: 956691 bytes, checksum: cf965ce291006a90790190cf1e7b5f5a (MD5) Previous issue date: 2003 / Doutorado

Orientador: Jorge Isaias Llagostera Beltran / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:16:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GarridoGallego_Antonio_D.pdf: 11320974 bytes, checksum: d1702116bf8e0ebf5054039fdb95c556 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: O setor de papel e celulose é um grande consumidor de energia, na forma de eletricidade e vapor de processo. Sistemas de cogeração têm sido utilizados em fábricas de produção de celulose, em particular o processo Kraft, sendo responsável por aproximadamente 50 por cento do total de eletricidade consumida em empresas de produção de celulose e em empresas integradas. O sistema geralmente usado é composto de caldeira de biomassa, queimando cavacos, cascas e resíduos de madeira, e caldeira de recuperação Tomlinson, queimando licor negro, que contém substâncias orgânicas (lignina) dissolvidas provenientes das fibras de celulose. Como a produção de ambos combustíveis depende da produção de celulose, o aumento da geração de potência é limitado com a tecnologia atual. Vários centros de pesquisa propõem novas tecnologias como: Sistema Integrado de Gaseificação de Biomassa e Ciclo Combinado (BIG/CC) e Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLG/CC) estas são tecnologias em desenvolvimento em países como Estados Unidos, Finlândia e Suécia. Estudos realizados indicam que a tecnologia de BLGCC tem potencial de aumentar significativamente a quantidade de eletricidade produzida a partir do licor negro. O Sistema de Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado(BLGCC) possui potencial de dobrar a energia elétrica a ser fomecida à indústria de celulose Kraft, além de melhores perspectivas ambientais e de custo se comparado com a caldeira de recuperação (caldeira Tomlinson) com turbina a vapor. Neste trabalho, diferentes configurações de Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLGCC) foram propostas: gaseificador a baixa temperatura operando a 700ºC e ar a baixa pressão (0,2 MPa), gaseificador a alta temperatura operando a 950ºC e ar pressurizado a 2,5 MPa, gaseificador a alta temperatura operando a l000ºC e oxigênio pressurizado a 2,5 MPa, e gaseificador a alta temperatura operando a 1400ºC e oxigênio pressurizado a 2,5 MPa. Essas quatro configurações são comparadas ao sistema com Caldeira Tomlinson e turbina a vapor. Para avaliar as características termodinâmicas das diferentes configurações de ciclos, um programa computacional foi desenvolvido para modelar os equipamentos do ciclo de potência como gaseificador, turbina a gás, caldeira de recuperação, e turbina a vapor. Os resultados permitiram avaliar a influência dos vários parâmetros de desempenho do ciclo a partir do uso da primeira lei e da segunda lei da Termodinâmica. O modelo desenvolvido possibilitou identificar as irreversibilidades nos sistemas e sub-sistemas, as vantagens e na discussão sobre perspectivas para implantação da Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLGCC) no setor de papel e celulose / Abstract: The pulp and paper industry is a large energy consumer, mainly in the forms of electricity and process steam. Cogeneration systems have long been applied in pulp mills, particularly in Kraft process, where they are responsible for roughly 50 per cent of the total of the electricity consumed by an pulp plant and integrated planto The most generally used system is composed of a biomass boiler, bmning bark, branches and waste wood and recovery Tomlison boiler, bmning black liquor which contains most of the organic substances (lignin) that must be dissolved in order to release the celulose fibbers. Since the production of both fuels depend on the pulp production, the increase in power generation is limited with the present technology. Many research centers have been proposing new technologies: the Biomass Integrated Gasifeir/Combined Cycle (BIG/CC) and Black Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLG/CC) are technologies in development in countries like United States, Finland and Sweden. Studies have indicated that BLG/CC technology have the potential for a significant increase in the amount of electricity produced ftom the b1ack liquor. B1ack Liquor Gasification with an integrated Combined Cycle (BLGCC) has the potential to double the amount of net electricity in a Kraft Pulp mill, with prospective environmental and capital cost benefits compared to a Recovery Boiler (Tomlison Boiler) with a steam turbine. In this work, a thermodynamic analysis of different proposals of B1ack Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLGCC) is made: low temperature gasifier, which operates at 700ºC and the air is blown at low pressure (0,2 MPa), high temperature gasifier operating at 950ºC and pressurized ar is blown at 2,5 MPa, high temperature gasifier operating at 1000°C and pressurized oxygen at 2,5 MPa and high temperature gasifier operating at 1400ºC and pressurized oxygen at 2,5 MPa. These four proposals are compared to a Tomlison Boiler with a steam turbine. To assess the thermodynamic characteristics of the different cycle configurations, a computer program was developed to model a power cycle equipped with a gasifier, a gas turbine, a heat recovery steam generator and a steam turbine. The resu1ts pennit to evaluate the influence of several parameters on the cycle performance according to the First and Second Laws of Thermodynamics. The developed modeling allowed the evaluated to identify the Ü'reversibilities in the systems and sub-systems, their advantages and to discuss the perspectives for the implementation ofB1ack Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLGCC) in the pulp and paper sector / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T07:25:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paixao_LouryvalCoelho_M.pdf: 3782849 bytes, checksum: a8900089f4a65a6ee50cdc15b2dba208 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O processo de solidificação de um material de mudança de fase em uma região anular ao redor de um cilindro resfriado pela passagem de um fluido em seu interior é estudado numérica e experimentalmente, objetivando aplicações em sistemas de armazenamento de calor latente. A solução do problema de mudança de fase é feita utilizando o método de imobilização de fronteiras, onde se aplica a transformada de coordenadas de forma que no novo sistema a fronteira móvel e irregular seja fixa e paralela às demais. O método de volumes finitos é usado para discretização das equações do modelo matemático que em seguidas são resolvidas computacionalmente. Os experimentos são realizados para 4 temperaturas e 3 números de Reynolds do fluido de trabalho: -5, -10, -15, -20ºC e 741, 1484, 2280 respectivamente. Posteriormente, foi introduzido um promotor de turbulência helicoidal para aumentar o coeficiente de transferência de calor onde foram realizados 6 experimentos para temperaturas de -10, -15ºC e, com os mesmos números de Reynolds anteriores. Os resultados experimentais foram comparados com os resultados numéricos. / Abstract: The process of solidification of a material of change of phase in a region annular around of a cylinder cooled by fluid passing in its interior is studied numerical and experimentally, objectifying applications in systems of storage of latent heat. The boundary immobilization technique is used for solving for phase-change problem. The coordinate transformation is performed so that in the new system the moving and irregular boundary become fixes and parallel to the others. The finite-volume methodology is used discretization of the equation from the mathematical model witch are than solved by a computer program. The experiments are made for 4 temperatures and 3 Reynolds numbers of the fluid: 741, 1484, and 2280 respectively. A turbulence promoter was insert inner tube to enhancement the coefficient of heat transference, where 6 experiments were made to -10 and -15ºC temperature with the previous Reynolds numbers. The experimental results had been compared with the numerical results. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T03:46:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_RaykleisonIgordosReis_M.pdf: 1558122 bytes, checksum: e287784c470caf116d151f9f9cc61f17 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O presente trabalho procurou obter de uma forma detalhada o processo de formação de gelo no interior de cápsulas esféricas e geometrias alternativas recicláveis para o armazenamento de energia térmica, utilizando água e água-polietilenoglicol como PCM. Foi montada uma bancada de teste composta de um tanque de resfriamento e controlada com precisão de. As cápsulas utilizadas nos testes foram incrementadas com termopares tipo T, calibrados e localizados no centro da cápsula para investigar o efeito da solidificação do material. A faixa de variação de temperatura para os ensaios foram de - 25 à 5 ºC. Em seguida é apresentado um modelo matemático transiente em coordenadas esféricas e simulado usando a aproximação por diferenças finitas com o esquema da grade móvel. Os resultados experimentais são discutidos e as variáveis pesquisadas incluíram alguns parâmetros tais como: tempo de solidificação, temperatura do fluido de trabalho, concentração de polietilenoglicol, material da cápsula, velocidade, posição da frente de solidificação e o tamanho da cápsula no processo térmico de solidificação. O modelamento, junto com os resulta- dos experimentais forneceram parâmetros para construção de um armazenador modular para fins residenciais / Abstract: The present work looked for to get of a detailed form the similar process of icing in the interior of spherical capsules and geometrias for the storage of thermal energy being used water and water-polietilenoglicol as PCM. A composed group of benches of test of a controlled tank of cooling and with precision was mounted of ±1 ºC. Capsules used in the tests had been developed with thermocouples type T, calibrated and located in the center of the capsule to investigate the effect of the solidification of the material. The band of variation of temperature for the assays had been of 25 a 5 ºC. After that a transient in spherical coordinates is presented and simulated mathematic model using the approach for finite differences with the project of the movel scheme. The experimental results had been presented and argued some parameters such as: time for solidification, working fluid, concentration, capsule material , velocity and position of the solidification front and the size of the capsule in the thermal process of solidification. However, the together modeling with the experimental results had supplied parameters storing construction of a modular one for residential ends / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-03-28T13:08:25Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstudoAnaliticoExperimental.pdf: 2764706 bytes, checksum: 23a8474d6c0a8add2635345dfc0f84d0 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-04-02T14:17:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstudoAnaliticoExperimental.pdf: 2764706 bytes, checksum: 23a8474d6c0a8add2635345dfc0f84d0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-02T14:17:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_EstudoAnaliticoExperimental.pdf: 2764706 bytes, checksum: 23a8474d6c0a8add2635345dfc0f84d0 (MD5) Previous issue date: 1983 / O estudo proposto neste trabalho está baseado num estudo de parâmetros influentes no processo de gaseificação ascendente ou Contra-Corrente. O gaseificador utilizado foi um prototipo modular. O módulo inferior com diâmetro externo de 50cm e diâmetro interno 42cm devido ao refratário e às paredes duplas para o pré-aquecimento do ar de entrada. O módulo superior de diâmetro externo de 55 cm e interno 50,6 cm é constituido também de paredes duplas por causa das extrações de gás estarem lozalizadas a duas alturas diferentes. Os dois módulos são acplados entre si de tal maneira que podemos variar a altura de carga do gaseificador, assim como, a altura da saída de gás. O processo utilizado na gaseificação foi o "gás de ar" ou "gás pobre". O estudo foi dividido em duas geometrias, variando entre elas a relação da altura da saída de gás pelo diâmetro do gaseificado. Quando a extração de gás se processou pelos furos superiores com uma relação δ = 3,09 denomina-mos de geometria superior e para δ = 2,14 de geometria inferior. Para cada uma das geometrias foram realizadas cinco experiências com vazões de ar diferentes. Foram medidas as temperaturas em três pontos distintos do gaseificados a fim de verificarmos o comportamento das zonas de reação de acordo com as temperaturas, assim como, os fluxos de ar, gás, carvão gaseificado e vapor d'água contido no ar foram medidos a fim de que as análises fossem feitas es termos de parâmetros adimensionais. A composição do gás foi analisada cromatograficamente para todos os experimentos a fim de determinarmos o poder calorífico do gás, as parcelas de energia de cada componente na mistura do gás resultante, a potência calorífica do gaseificador. Com relação a composição do gás de ar, devido as nossas condições ambientais a gaseificação comportou-se como se fosse uma composição de gás d'água apresentando em sua análise parcelas de hidrogênio e metano proporcionando assim um aumento no poder calorífico do gás e consequentemente aumento da potência calorífica do gaseificador. / The research subject proposed in this study is based on an examination of the parameters significant for the process of ascendent and counter-current gasification. The gasifier which was utilized was a module proto type. The lower module has an extenal diameter of 50 cm and an internail diameter of 42 cm, owing to the refractory and to the double walls designed for the heating of the incoming air. The upper module with an external diameter of 55 cm and an internal diameter of 50,6 cm, is similarly made of double walls in view of the extraction of gas being localized at different The two modules are joined to each other in such a way as to enable a variation in the height of the charging of the gasifier, as well as in the height of the outgoing gas. The process of gasification used in the study was that of air gas or low-BTU gas. The study was divided into two geometries by varying be tween them, the relation of the height of the outgoing gas and the diameter of the gasifier. When gas was extracted by the upper perforation with a relation δ = 3,09 it is denominated upper geometry andwhen δ=214, lower geometry. Five experimento involving different escapes of air were made for each of the geometries. Temperatus were measured at three different points of the gasifier in order to ascertain the behavior of the reaction zones according to the temperatures. The flows of air, gas, gasified coal and steam contained in the air were measured so that the analyses were made in terms of dimensional parameters. The composition of the gas was analyses chromografically in all the experiments undertaken, so as to determine the calorific potential of the gas, the percent of energy in each component of the resultant mixed gas, and the calorific power of the gasifier. In relation to the composition of air gas, the gasification behaved as if it were a mixture of water gas, owing to local ambiental condition. The composition presented, on analysis, parts of hydrogen and methane, thus contributing to an increase in the heating power of the gas and consequently, an increase in the heating potential of the gasifier.

CAPES / O escoamento em golfadas consiste na passagem intermitente de pistões de líquido e bolhas alongadas, sendo comum nas linhas de produção de petróleo e na indústria nuclear. Muitas pesquisas têm sido feitas nessa área, e mesmo assim, o entendimento desse padrão de escoamento ainda não está completamente esclarecido na literatura. Existem algumas dificuldades na modelagem do fenômeno de formação das golfadas e influência da mudança de direção. Além disso, o regime intermitente em escoamento descendente e a transição para o regime estratificado têm sido pouco estudados. Em um trabalho recente, Conte (2014) utilizou um modelo Lagrangiano, baseado no modelo de dois fluidos para o caso unidimensional e isotérmico, para simular a iniciação das golfadas. A desvantagem é o custo computacional relativamente elevado. Outra metodologia para simular a evolução das golfadas, também Lagrangiana e unidimensional, é o modelo de seguimento de pistões de Rodrigues (2009). A mesma possui um baixo custo computacional, porém necessita que as propriedades do escoamento na entrada da tubulação sejam conhecidas. A finalidade deste trabalho é apresentar uma metodologia para o acoplamento dos modelos de captura de golfadas e de seguimento de pistões e implementar uma rotina computacional capaz de trabalhar com ambos os modelos simultaneamente. Será possível simular a iniciação das golfadas na entrada da tubulação, e acompanhar o desenvolvimento das mesmas a um custo computacional mais baixo. Para isso, utiliza-se o modelo de captura de golfadas para simular a formação dos pistões e os efeitos quando há mudança de direção na tubulação. Já o modelo de seguimento de pistões rastreia as células unitárias em trechos retos. A metodologia híbrida proposta neste trabalho se mostrou capaz de prever as principais variáveis do escoamento em qualquer posição da tubulação: comprimentos da bolha e do pistão, frequência das golfadas, pressão e fração de vazio na região da bolha. Uma boa concordância nos resultados foi observada, juntamente com um custo computacional inferior a 50% da metodologia híbrida em relação à de captura de golfadas. Pode-se também inicializar o programa com dados experimentais na entrada da tubulação utilizando o modelo de seguimento de pistões, e utilizar o modelo de captura de golfadas para avaliar a influência quando há mudança de direção de horizontal para descendente. Para esse segundo caso, os resultados foram comparados com dados experimentais, observando-se que a metodologia foi capaz de prever os casos em que há transição para o escoamento estratificado. / The slug flow consists of the intermittent repetition of liquid slugs and elongated bubbles, and it is a common flow regime in oil production and nuclear industry. Even though many studies have been conducted, the understanding of this flow pattern is not yet completely understood in the literature. There are some difficulties in modeling the phenomenon of slug initiation and influence of the change of direction. In addition, the intermittent downward flow and the transition to the stratified regime is not well understood. In a recent work, Conte (2014) used a Lagrangian model, based on the two-fluid model for the one-dimensional and isothermal case, to simulate the slug initiation. The disadvantage is the relatively high computational time. Another methodology to simulate the evolution of slugs, also Lagrangian and one-dimensional, is the Rodrigues (2009) slug tracking model. It has a low computational cost, but requires the properties of the flow at the inlet of the pipeline to be known. The purpose of this work is to present a methodology for the coupling of the slug capturing and slug tracking models and to implement a computational routine capable of working with both models simultaneously. It will be possible to simulate the slug initiation at the entrance of the pipeline, and to follow the development of the slugs at a lower computational cost. In order to do that, the slug capturing model is used to simulate the formation of the slugs and the effects when there is change of direction in the pipe. The slug tracking model tracks the unit cells in straight sections. The hybrid methodology proposed in this work was able to predict the main flow variables at any position in the pipeline: bubble and slug lengths, slug frequency, pressure and void fraction in the bubble region. A good agreement in the results was observed, along with a computational cost of less than 50% of the hybrid methodology in relation to a pure slug capturing. It is also possible to start-up the program with experimental data at the inlet of the pipeline using the slug tracking model, and to use the slug capturing to evaluate the influence when there is a change of direction from horizontal to descending. For this second case, the results were compared with experimental data, observing that the methodology was able to predict the cases in which there is transition to the stratified flow.

Os problemas de garantia de escoamento em tubulações de óleo e gás associados a hidratos de gás têm sido resolvidos tradicionalmente pela implementação de estratégias de “prevenção de hidratos”, ou seja, técnicas de remoção de água, isolamento e injeção de inibidores termodinâmicos. Para reduzir os custos de desenvolvimento e de operação na indústria, a técnica conhecida como “gestão de hidratos” vem se tornando uma alternativa viável. As estratégias de “gestão de hidratos” diferem da usual “prevenção de hidratos” uma vez que, ao invés de focarem na prevenção da formação de hidratos, tais estratégias objetivam minimizar o risco de obstrução e garantir o escoamento utilizando técnicas que permitem o transporte de suspensões de hidrato estáveis com o óleo produzido em condições de escoamento multifásico. A fim de implantar com segurança estratégias de gestão de hidratos, é necessário compreender mecanismos e processos ligados à formação e acumulação de hidrato em diferentes sistemas multifásicos, compostos por gás, óleo e água. Diversos experimentos objetivando aumentar o conhecimento dos diferentes processos resultando resultantes em condições de formação de bloqueio foram realizados. Utilizou-se uma célula de balanço com janela de visualização para mensurar e observar os vários estágios de formação, deposição e acumulação de hidratos em situações de mistura e movimento contínuos induzidos pela oscilação da célula. Os experimentos foram realizados em um cenário de gás limitado, considerando combinações de fluidos provenientes de uma mistura de gases v metano e etano, água e óleo mineral ou condensado como hidrocarboneto líquido. Os efeitos da adição de monoetilenoglicol (MEG) e um antiaglomerante modelo (AA) também foram estudados em alguns dos experimentos. Foram mensurados e observados vários estágios de formação e acumulo de hidratos com mistura contínua como um fator de várias variáveis (temperatura, pressão, presença de inibidores termodinâmicos e antiaglomerantes). Foram identificados fenômenos como deposição, desprendimento, crescimento de partículas de hidrato, aglomeração e formação de leito poroso. Neste trabalho, observou-se uma menor tendência de deposição em superfícies molhadas com óleo mineral, em comparação com as superfícies expostas ao condensado ou à fase gasosa. Contudo, a deposição de hidrato também foi observada no sistema de óleo, principalmente em superfícies expostas à fase gasosa. A formação de hidrato em um experimento com óleo mineral, 30% água de volume liquido e antiaglomerante resultou em suspensão de hidratos transportável. Tanto o condensado como o óleo mineral não eram emulsionantes, mas a dispersão, estabilizada por cisalhamento das fases líquidas, foi criada antes da formação de hidrato, através da mistura induzida pelo movimento da célula. A dispersão das fases de óleo e água parecia estar completamente separada durante o escoamento constante devido ao início da formação de hidrato. Uma análise da porosidade foi realizada com base na avaliação visual da aparência de hidratos em imagens capturadas a partir das gravações de vídeo dos experimentos e da quantidade calculada de fase hidrato no sistema. Os depósitos de hidrato com alta porosidade formam-se em condições com um alto gradiente de temperatura entre os líquidos e a superfície, e condições de sub-resfriamento elevadas, sofrendo então desprendimento devido à absorção de água, ao peso do depósito e ao cisalhamento dos fluidos sobre depósito. No entanto, a análise dos experimentos com água pura demonstrou que o desprendimento não foi detectado em uma limitada janela operacional, definida por ambos o sub-resfriamento inferior a 4° C e o gradiente de temperatura na célula inferior a 1° C. A existência em potencial de uma janela operacional vi para condições sem desprendimento pode ser valiosa para o desenvolvimento de estratégias de gestão de hidratos para a produção sem ocorrência de bloqueios. Esta tese correlaciona os fenômenos observados (tais como deposição, desprendimento, aglomeração, leito poroso) com parâmetros como sub-resfriamento, porosidade e tipo de hidrocarboneto líquido no sistema. Um modelo conceitual revisado para a formação e acumulação de hidratos em sistemas não emulsionantes, que inclui mecanismos de separação de fases, aglomeração e deposição, foi desenvolvido com base nos resultados dos experimentos. / Potential flow assurance problems in oil and gas pipelines related to gas hydrates have traditionally been resolved by implementing hydrate avoidance strategies, such as water removal, insulation, and injection of thermodynamic inhibitors. As a means of lowering development and operational costs in the industry, hydrate management is becoming a more viable approach. “Hydrate Management” strategies differ from standard “Hydrate Avoidance” in the fact that, instead of focusing on preventing hydrate formation, these strategies focus on minimizing the risk of plugging and ensuring flow using methods that allow transportability of hydrate slurries with the hydrocarbon production fluids in multiphase flow conditions where hydrates are stable. In order to safely implement hydrate management strategies, it is required to understand mechanisms and processes connected to hydrate formation and accumulation in different multiphase systems involving gas, oil and water. A number of experiments have been performed using a visual rocking cell to measure and observe the various stages of hydrate formation, deposition and accumulation during continuous mixing and motion induced by the oscillation of the rocking cell to increase insight into the different processes leading to hydrate plug conditions. The experiments were performed in a gas-limited scenario considering the fluid combinations consisting of methaneethane gas mixture, water and mineral oil or condensate as hydrocarbon liquid. The effects of ii added monoethylene glycol (MEG) and a model anti-agglomerant (AA) were also studied in some of the experiments. Various stages of hydrate formation and accumulation were measured and observed under continuous mixing, as a function of several variables: temperature, pressure, presence of thermodynamic inhibitors and anti-agglomerants. Phenomena such as deposition, sloughing, hydrate particle growth, agglomeration and bedding were identified. In this work, a lower tendency of the hydrate to deposit on mineral oil wetted surfaces was observed, as compared to surfaces exposed to the condensate or the gas phase. Nevertheless, hydrate deposition was also observed in the oil system, mainly at surfaces only exposed to the gas phase. Hydrate formation in an experiment with mineral oil, 30% water cut and anti-agglomerant resulted in transportable hydrate slurry. Both the condensate and mineral oil tested were non-emulsifying, but shear-stabilized dispersion of the liquid phases was created prior to hydrate formation by mixing induced by the motion of the cell. The dispersion of the oil and water phases appeared to completely phase-separate during constant flow due to the incipient hydrate formation. A porosity analysis was performed based on analysis of visual appearance of hydrates in images captured from the video recordings of the experiments and calculated amount of hydrate phase in the system. Highly porous hydrate deposits formed in conditions with a large temperature gradient between the bulk and the surface, and high subcooling conditions, then suffering from sloughing due to the wetting and weight of the deposit and the shear of the fluids on the deposit. However, analysis of the experiments with fresh water demonstrated that sloughing was not detected in a narrow operational window defined by both subcooling lower than 4 °C and temperature gradient in the cell lower than 1 °C. The potential existence of an operational window for conditions without sloughing might be valuable for development of hydrate management strategies for blockage-free production. iii This thesis presents relationships between the phenomena observed (such as deposition, sloughing, glomeration, bedding) and parameters, such as subcooling, porosity and type of liquid hydrocarbon in the system. A revised conceptual model for hydrate formation and accumulation in non-emulsifying systems, which includes phase separation, agglomeration and deposition related mechanisms, has been developed based on the results from the experiments.

No presente trabalho é apresentada a modelagem e solução numérica da convecção mista em cavidade aquecida por baixo com o topo deslizante, preenchida com meio poroso heterogêneo e homogêneo. Na abordagem heterogênea, o domínio do sólido é representado por blocos condutores de calor igualmente espaçados; a fase fluido circunda os blocos, limitada pelas paredes da cavidade. A abordagem homogênea ou poro-contínua é caracterizada através da porosidade e da permeabilidade da cavidade. As equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia são obtidas, adimensionalizadas e generalizadas de modo a representarem tanto o modelo contínuo quanto o poro-contínuo. A solução numérica é obtida através do método dos volumes finitos. As equações são discretizadas via esquema QUICK e é utilizado o algoritmo SIMPLE para o acoplamento pressão - velocidade. Visando o regime laminar, os parâmetros do escoamento são mantidos no intervalo de 102≤Re≤103 e 103≤Ra≤106 tanto para a abordagem heterogênea, quanto para a homogênea. Nas configurações testadas para o modelo contínuo, 9, 16, 36 e 64 blocos são considerados para cada combinação de Re e Ra e a porosidade microscópica é mantida constante φ=0,64 . No modelo poro-contínuo o número de Darcy (Da) é definido em função do número de blocos da cavidade heterogênea e da porosidade φ. Resultados numéricos do estudo comparativo entre a abordagem microscópica e a macroscópica são apresentados. Como resultado, correlações para o Nusselt médio para os modelos contínuo e poro-contínuo são obtidas em função do Ra modificado para cada Re. / In this work is presented mixed convection heat transfer inside a lid-driven cavity heated from below and filled with heterogeneous and homogeneous porous medium. In the heterogeneous approach, the solid domain is represented by heat conductive equally spaced blocks; the fluid phase surrounds the blocks being limited by the cavity walls. The homogeneous or pore-continuum approach is characterized by the cavity porosity and permeability. Generalized mass, momentum and energy conservation equations are obtained in dimensionless form to represent both the continuum and the pore-continuum models. The numerical solution is obtained via the finite volume method. QUICK interpolation scheme is set for numerical treatment of the advection terms and SIMPLE algorithm is applied for pressure-velocity coupling. Aiming the laminar regime, the flow parameters are kept in the range of 102≤Re≤103 and 103≤Ra≤106 for both the heterogeneous and homogeneous approaches. In the tested configurations for the continuous model, 9, 16, 36, and 64 blocks are considered for each combination of Re and Ra being the microscopic porosity set as constant φ=0,64 . For the pore-continuum model the Darcy number (Da) is set according to the number of blocks in the heterogeneous cavity and the φ. Numerical results of the comparative study between the microscopic and macroscopic approaches are presented. As a result, average Nusselt number equations for the continuum and the pore continuum models as a function of Ra and Re are obtained.

Os problemas de garantia de escoamento em tubulações de óleo e gás associados a hidratos de gás têm sido resolvidos tradicionalmente pela implementação de estratégias de “prevenção de hidratos”, ou seja, técnicas de remoção de água, isolamento e injeção de inibidores termodinâmicos. Para reduzir os custos de desenvolvimento e de operação na indústria, a técnica conhecida como “gestão de hidratos” vem se tornando uma alternativa viável. As estratégias de “gestão de hidratos” diferem da usual “prevenção de hidratos” uma vez que, ao invés de focarem na prevenção da formação de hidratos, tais estratégias objetivam minimizar o risco de obstrução e garantir o escoamento utilizando técnicas que permitem o transporte de suspensões de hidrato estáveis com o óleo produzido em condições de escoamento multifásico. A fim de implantar com segurança estratégias de gestão de hidratos, é necessário compreender mecanismos e processos ligados à formação e acumulação de hidrato em diferentes sistemas multifásicos, compostos por gás, óleo e água. Diversos experimentos objetivando aumentar o conhecimento dos diferentes processos resultando resultantes em condições de formação de bloqueio foram realizados. Utilizou-se uma célula de balanço com janela de visualização para mensurar e observar os vários estágios de formação, deposição e acumulação de hidratos em situações de mistura e movimento contínuos induzidos pela oscilação da célula. Os experimentos foram realizados em um cenário de gás limitado, considerando combinações de fluidos provenientes de uma mistura de gases v metano e etano, água e óleo mineral ou condensado como hidrocarboneto líquido. Os efeitos da adição de monoetilenoglicol (MEG) e um antiaglomerante modelo (AA) também foram estudados em alguns dos experimentos. Foram mensurados e observados vários estágios de formação e acumulo de hidratos com mistura contínua como um fator de várias variáveis (temperatura, pressão, presença de inibidores termodinâmicos e antiaglomerantes). Foram identificados fenômenos como deposição, desprendimento, crescimento de partículas de hidrato, aglomeração e formação de leito poroso. Neste trabalho, observou-se uma menor tendência de deposição em superfícies molhadas com óleo mineral, em comparação com as superfícies expostas ao condensado ou à fase gasosa. Contudo, a deposição de hidrato também foi observada no sistema de óleo, principalmente em superfícies expostas à fase gasosa. A formação de hidrato em um experimento com óleo mineral, 30% água de volume liquido e antiaglomerante resultou em suspensão de hidratos transportável. Tanto o condensado como o óleo mineral não eram emulsionantes, mas a dispersão, estabilizada por cisalhamento das fases líquidas, foi criada antes da formação de hidrato, através da mistura induzida pelo movimento da célula. A dispersão das fases de óleo e água parecia estar completamente separada durante o escoamento constante devido ao início da formação de hidrato. Uma análise da porosidade foi realizada com base na avaliação visual da aparência de hidratos em imagens capturadas a partir das gravações de vídeo dos experimentos e da quantidade calculada de fase hidrato no sistema. Os depósitos de hidrato com alta porosidade formam-se em condições com um alto gradiente de temperatura entre os líquidos e a superfície, e condições de sub-resfriamento elevadas, sofrendo então desprendimento devido à absorção de água, ao peso do depósito e ao cisalhamento dos fluidos sobre depósito. No entanto, a análise dos experimentos com água pura demonstrou que o desprendimento não foi detectado em uma limitada janela operacional, definida por ambos o sub-resfriamento inferior a 4° C e o gradiente de temperatura na célula inferior a 1° C. A existência em potencial de uma janela operacional vi para condições sem desprendimento pode ser valiosa para o desenvolvimento de estratégias de gestão de hidratos para a produção sem ocorrência de bloqueios. Esta tese correlaciona os fenômenos observados (tais como deposição, desprendimento, aglomeração, leito poroso) com parâmetros como sub-resfriamento, porosidade e tipo de hidrocarboneto líquido no sistema. Um modelo conceitual revisado para a formação e acumulação de hidratos em sistemas não emulsionantes, que inclui mecanismos de separação de fases, aglomeração e deposição, foi desenvolvido com base nos resultados dos experimentos. / Potential flow assurance problems in oil and gas pipelines related to gas hydrates have traditionally been resolved by implementing hydrate avoidance strategies, such as water removal, insulation, and injection of thermodynamic inhibitors. As a means of lowering development and operational costs in the industry, hydrate management is becoming a more viable approach. “Hydrate Management” strategies differ from standard “Hydrate Avoidance” in the fact that, instead of focusing on preventing hydrate formation, these strategies focus on minimizing the risk of plugging and ensuring flow using methods that allow transportability of hydrate slurries with the hydrocarbon production fluids in multiphase flow conditions where hydrates are stable. In order to safely implement hydrate management strategies, it is required to understand mechanisms and processes connected to hydrate formation and accumulation in different multiphase systems involving gas, oil and water. A number of experiments have been performed using a visual rocking cell to measure and observe the various stages of hydrate formation, deposition and accumulation during continuous mixing and motion induced by the oscillation of the rocking cell to increase insight into the different processes leading to hydrate plug conditions. The experiments were performed in a gas-limited scenario considering the fluid combinations consisting of methaneethane gas mixture, water and mineral oil or condensate as hydrocarbon liquid. The effects of ii added monoethylene glycol (MEG) and a model anti-agglomerant (AA) were also studied in some of the experiments. Various stages of hydrate formation and accumulation were measured and observed under continuous mixing, as a function of several variables: temperature, pressure, presence of thermodynamic inhibitors and anti-agglomerants. Phenomena such as deposition, sloughing, hydrate particle growth, agglomeration and bedding were identified. In this work, a lower tendency of the hydrate to deposit on mineral oil wetted surfaces was observed, as compared to surfaces exposed to the condensate or the gas phase. Nevertheless, hydrate deposition was also observed in the oil system, mainly at surfaces only exposed to the gas phase. Hydrate formation in an experiment with mineral oil, 30% water cut and anti-agglomerant resulted in transportable hydrate slurry. Both the condensate and mineral oil tested were non-emulsifying, but shear-stabilized dispersion of the liquid phases was created prior to hydrate formation by mixing induced by the motion of the cell. The dispersion of the oil and water phases appeared to completely phase-separate during constant flow due to the incipient hydrate formation. A porosity analysis was performed based on analysis of visual appearance of hydrates in images captured from the video recordings of the experiments and calculated amount of hydrate phase in the system. Highly porous hydrate deposits formed in conditions with a large temperature gradient between the bulk and the surface, and high subcooling conditions, then suffering from sloughing due to the wetting and weight of the deposit and the shear of the fluids on the deposit. However, analysis of the experiments with fresh water demonstrated that sloughing was not detected in a narrow operational window defined by both subcooling lower than 4 °C and temperature gradient in the cell lower than 1 °C. The potential existence of an operational window for conditions without sloughing might be valuable for development of hydrate management strategies for blockage-free production. iii This thesis presents relationships between the phenomena observed (such as deposition, sloughing, glomeration, bedding) and parameters, such as subcooling, porosity and type of liquid hydrocarbon in the system. A revised conceptual model for hydrate formation and accumulation in non-emulsifying systems, which includes phase separation, agglomeration and deposition related mechanisms, has been developed based on the results from the experiments.