Orientador: Fernando de Almeida França / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T21:15:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Amaral_GilmarDutraLeitedo_M.pdf: 4129101 bytes, checksum: 158cb95f0e4fa9111e692d4f3c9571dc (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Na indústria do petróleo, quando o bombeamento centrífugo submerso (BCS) é considerado como método de elevação artificial, existe a necessidade de determinar seu desempenho operando com óleos de média e alta viscosidades. O presente trabalho mostra uma proposta de criação de modelo de previsão de desempenho e comparação com dados experimentais, relativos ao desempenho de bombas centrífugas convencional e do tipo submersa, operando com fluidos viscosos. Para a construção do modelo, partiu-se das equações diferenciais da conservação da massa e quantidade de movimento para o escoamento no interior dos canais do rotor, usando abordagem unidimensional. Com o auxílio de dados experimentais, a transferência e transformação de energia no rotor, no difusor e outros elementos constituintes das bombas foram quantificadas e modeladas, compondo todo processo que ocorre em um estágio do equipamento. Para ajustar e validar o modelo teórico, foi construído um aparato laboratorial para realização de testes específicos em uma bomba centrífuga radial convencional e em dois diferentes modelos de BCSs, modelos GN 7000 e J350N, operando com água e glicerina como fluidos de trabalho. Foram adquiridos cerca de seiscentos pontos operacionais (vazão, pressão, rotação, torque e temperatura). Os testes abrangeram o seguinte universo de aplicação para as BCSs: rotação entre 1800 a 3500 rpm, vazões entre zero e 14.000 bbl/d, viscosidades de 1 cP, 60 cP, 270 cP, 720 cP e 1020 cP. Os resultados do modelo foram comparados com os valores medidos em laboratório nas três bombas testadas. Finalmente, foram comparadas também as curvas de desempenho das BCSs, obtidas no laboratório, com as curvas geradas a partir dos fatores de correção obtidos no ábaco do Hydraulics Institute-USA / Abstract: In the oil industry, when artificial lift using Electrical Submersible Pumps (ESP) is considered, there is a need to determine their performance for displacing oils of medium to high viscosity. This work proposes a model that is able to predict the performance of conventional centrifugal pumps and ESPs when pumping heavier oils (meaning oils of high viscosities). Data from experiments carried with conventional centrifugal pumps and ESPs displacing fluids of viscosity ranging from 1 cP to 1020 cP, model results and results provided by other researchers and commonly used in design procedures, were taken into account for comparisons and to provide insights for the model development. In some cases, specific and detailed measurements of pressure at different positions along the pump, from the inlet eye to the discharge section, were taken. They contributed to the model development and to understand the mechanics of the energy transfer and the conversion processes that the flow undergoes along a pump single stage or throughout the entire equipment. To obtain the experimental data a set-up was built, where one conventional centrifugal pump and two ESPs were tested. The test fluids were water (1 cP) and glycerin in different temperatures to vary the viscosity from 60 cP to 1020 cP. A heat pump and a heat exchanger were connected to the pumping system for that. The experimental results, data found in the literature and the benchmark results published by the manufacturers for pumps operating with water were compared with results calculated by the proposed model to validate it. Finally, a comparison between the experimental results and the data calculated using the procedures of the Hydraulic Institute - USA, to calculate centrifugal pump performance for viscous fluids, is presented / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Movimientos telúricos ocurridos en distintas partes del mundo han originado considerables pérdidas económicas y humanas. Es importante mencionar también que, durante estos últimos años, en los principales países desarrollados tales como Taiwán, Japón y Estados Unidos se ha venido implementando nuevas tecnologías para mejorar el desempeño en las estructuras frente a acciones sísmicas como son los sistemas de protección sísmica. Uno de estos avances son los disipadores de energía fluido viscoso cuya implementación muestra resultados óptimos para el incremento del amortiguamiento y reducción de desplazamientos laterales. Para cumplir con el objetivo principal de la investigación, se evaluó el diseño estructural del bloque A2 del Hospital Santa Rosa, una edificación esencial ubicada en el distrito de Pueblo Libre, Lima. Se realizó el modelo y análisis sísmico de la estructura existente, cuyos resultados muestras derivas ( ∆=5.98%o ) mayores al límite establecido en la Norma E.030 ( ∆=5%o ). Además, presenta efectos de columna corta que originan el agrietamiento de las unidades de albañilería, hecho que los hace vulnerables. Frente a los resultados presentados se realiza una nueva modelación y análisis sísmico del bloque en estudio, considerando como reforzamiento los disipadores de fluido viscoso. Para ello, se analiza nuevamente la estructura a través de un análisis tiempo historia tomando distintas consideraciones como el sismo de diseño y las propiedades de los disipadores fluido viscoso en donde las derivas máximas se han reducido de 5.98%o a 3.30 %o. Adicionalmente, se analiza la estructura con una técnica de reforzamiento tradicional como son las placas de concreto armado, con el objetivo de evaluar la viabilidad de la primera propuesta. Los resultados indican que, con un reforzamiento de muros de concreto se obtiene una deriva de ∆=3.36%o y ∆=3.30%o empleando los disipadores viscosos, lo cual demuestra la viabilidad de la propuesta en respuestas estructurales. / Telluric movements in different parts of the world have caused considerable economic and human losses. It is also important to mention that, in recent years, in the main developed countries such as Taiwan, Japan and the United States, new technologies have been implemented to improve the performance of structures against seismic actions such as seismic protection systems. One of these advances are the viscous fluid energy dissipators whose implementation shows optimal results for increasing damping and reducing displacement. In order to comply with the main objective of the research, the structural design of block A2 of the Santa Rosa Hospital, an essential building located in the Pueblo Libre district, Lima, was evaluated. The seismic analysis and model of the existing structure was carried out, whose results show drifts ( ∆=5.98%o ) greater than the limit established in Standard E.030 ( ∆=5%o ). In addition, it presents short column effects that cause cracking of the masonry units, a fact that makes them vulnerable. In front of the presented results, a new modeling and seismic analysis of the block under study is performed, considering viscous fluid dissipators as reinforcement. For this, the structure is analyzed again through a time-history analysis taking different considerations such as the design earthquake and the properties of the viscous fluid heatsinks where the maximum drifts have been reduced from 5.98%o to 3 .30%o Additionally, the structure is analyzed with a traditional reinforcement technique such as reinforced concrete plates, with the aim of evaluating the feasibility of the first proposal. The results indicate that, with a reinforcement of concrete walls, a drift of ∆=3.36%o and ∆=3.30 is obtained using viscous heatsinks, which demonstrates the viability of the proposal in structural responses. / Tesis

[pt] Experimentos referentes ao movimento relativo entre partículas sólidas e um fluido viscoso confinado no interior de cilindros de seção reta arbitrária (circular, quadrangular) foram realizados. Para todos os casos experimentalmente investigados e, para escoamentos variando desde regimes de muito baixo Números de Reynolds (Re menor que 0,1) até um regime bem além do regime de Oseen, constatou-se que a razão entre a força de pressão e a força de arrasto viscoso (Delta P mais A/D) pode ser diretamente medida através de parâmetros do escoamento não perturbado (escoamento em ausência da partícula). De acordo com uma recente teoria (Brenner, 1962) a afirmativa acima que se baseia em uma linearização do tipo Oseen das equações de movimento, deveria apenas ser esperada para regimes de baixos Números de Reynolds (Re menor que 2). Brenner (1962), utilizando-se dos teoremas de momentum e energia, aplicados ao movimento relativo de uma partícula sólida e um fluido viscoso confinado por paredes sólidas, mostrou que, devido ao movimento relativo, uma força de cisalhamento atuando nas paredes do cilindro deve necessariamente existir, ainda que estas paredes estejam infinitamente distantes da perturbação induzida pela partícula. A generalidade da Teoria de Brenner, relativa à geometria da seção reta do cilindro, foi também verificada nos regimes de Stokes e de Oseen. Experimentos realizados em uma coluna curta (1 m) de seção reta circular forneceram um conjunto de dados que foram utilizados para se qualificar, a um baixo nível de incerteza experimental, a técnica experimental utilizada. Experimentos realizados em uma coluna longa (3 m) de seção reta quadrangular permitiram a verificação da teoria em regimes distantes do regime teórico. Medidas da diferença de pressão adicional induzida pelo movimento relativo entre a partícula e o líquido viscoso confinado no duto de seção quadrangular, claramente definiram três diferentes regiões: i) até Re~50, verificou-se que a razão Delta P+A/D aproximadamente 2,093, resultado este que deveria ser esperado apenas para Re < 2,0. Por consideração elementares de momentum aplicáveis a um volume de controle constituído do fluido viscoso no entorno da partícula, pode-se facilmente mostrar que o valor Delta P+A/D diferente de 1,0 confirma a existência de uma força de cisalhamento finita atuando nas paredes do duto infinitamente distantes da partícula; ii) além de Re ~ 50, uma transição abrupta se inicia forçando o valor Delta P+A/D a decrescer. A razão de força Delta P+A/D decresce assintoticamente para o valor 1,0, valor este que corresponde à situação de um fluido ilimitado (meio contínuo fluido sem fronteiras) conforme prescrito pelo Princípio de Momentum; iii) para Re > 2500, a razão Delta P+A/D fortemente aproxima-se do valor 1,0. O maior regime investigado foi Re ~ 36000 mas, fisicamente, não parece existir nenhum argumento que possa contradizer a permanência do comportamento acima descrito. Este trabalho discute também um método bastante preciso conduzindo à medição do arrasto viscoso sobre a partícula e também uma técnica para se medir as pequenas quedas de pressão(~ 1 a 10 elevado à -3 mm Hg) induzidas pelo movimento da partícula. / [en] Experiments concerning the relative motion of solid particles and viscous fluids, confined within cylinders of arbitrary cross-section (circular and quadrangular) have been conducted. For all cases experimentally investigated and for a flow regime extending from a very low particle Reynolds Number (Re less than 0.1) up to far beyond the Oseen s Regime, it has been shown that the additional pressure force to viscous drag ratio (Delta plus A/D) can be directly evaluated by means of parameters of the unperturbed flow. Accordingly to a recent theory (Brenner, 1962) the above statement which uses a Oseen s type linearization of the equation of motion, should only be expected for the very low particle Reynolds Number regime (Re < 2). Brenner (1962), using momentum and energy theorems applied to the relative motion of a particle and a confined viscous fluid has shown that, as a result of the relative motion, a finete shearing force acting on the cylinder walls must existis, even if the walls are infinitely distant from the particle perturbation. The generality of Brenner s theory concerning the cylinder geometry was also verified in the Stokes and in the Oseen s regimes. Experiments conducted in a short (1 m) circular cylinder, filled with a Newtonian fluid, provided the base line data set used to qualify the experimental technique used, within very low experimental uncertainties. Experiments conducted in a long square cylinder (3 m), allowed verification of the theory far beyond the theorectical regime. Measurements of the additional pressure drop created by the relative motion between a solid particle and the viscous fluid, confined in the square cylinder, cleary defined three regions: i) up to about Re ~ 50 it was found that the pressure force to Viscous drag ratio Delta P+A/D approximately 2.093 which should be expected only for Re < 2. By elementary momentum considerations, applied to the fluid control volume around the particle present in the flow, it can easily be show that this value of Delta P+A/D diferente than 1 confirms the existence of a finete shearing force on the far walls of the cylinder; ii) beyond Re = 50 and up to Re ~ 2500 a very complex and not completely understood transition occurs. At about Re ~ 50 an abrupt transition takes place forcing the value of Delta P+A/D to decrease. The ratio Delta P+A/D decreases asymptotically towards the value 1.0 wich corresponds to the situation of an unbounded fluid as can be predicted by the Momentum Principle; iii) for particle Reynolds Number Re > 2500, the Delta P+A/D approaches very closely the value 1.0. The largest flow regime investigated was Re ~ 36000 but, physically, there seems to be no reason to expect any change in the described behaviour. This work also discusses an accurate method for directly measuring the viscous drag force and the diminute dynamic pressure (~ 1 to 10 (-3) mm Hg) created by the motion of the particle.

La investigación realizada se enfoca en la evaluación del pabellón B del Hospital Luis Negreiros Vega con planos modificados aplicando disipadores de fluido viscoso en la disposición chevron diagonal y horizontal. En el modelo numérico se aplicaron disipadores lineales y no lineales de acuerdo con las expresiones del FEMA, 356, con el fin de realizar una comparación de la disposición y valor de exponente de velocidad óptimo para una deriva objetivo y amortiguamiento efectivo planteado para cada dirección. Los resultados con los cuales se evaluó esta efectividad, son mejores reducciones de distorsiones, menores fuerzas de disipación, y reducción de la irregularidad torsional que presentaba la estructura inicialmente en la dirección Y. Finalmente, entre los resultados que presenta esta investigación, son que los disipadores chevron horizontales no lineales son los más recomendables, debido a que requieren menores valores de coeficiente de amortiguamiento, reducen distorsiones en mayor medida que los otros modelos, presentan menores valores de fuerzas de disipación y reducen la irregularidad torsional en los pisos inferiores. / The research carried out focuses on the evaluation of pavilion B of the Luis Negreiros Vega Hospital with modified planes applying viscous fluid dissipators in the diagonal and horizontal chevron arrangement. In the numerical model, linear and non-linear dissipators were applied according to the FEMA expressions, 356, in order to make a comparison of the arrangement and value of the optimum speed exponent for a target drift and effective damping proposed for each direction. The results with which this effectiveness was evaluated are better reductions of distortions, lower dissipation forces, and reduction of torsional irregularity that the structure initially presented in the Y direction. Finally, among the results presented by this research, are that the Non-linear horizontal chevron heatsinks are the most recommended, because they require lower values of damping coefficient, reduce distortions to a greater extent than other models, present lower values of dissipation forces and reduce torsional irregularity in the lower floors. / Trabajo de investigación