Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-03-04T20:42:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 304353.pdf: 28322357 bytes, checksum: 34efb2d7cd1ad9803a2f6b3055f26206 (MD5) / O conhecimento do processo de lubrificação das partes móveis dos compressores alternativos herméticos, sobretudo do pistão, é de importância fundamental na concepção de sistemas de refrigeração mais eficientes. A existência de uma pequena folga entre o pistão e o cilindro permite que movimentos radiais do pistão afetem a espessura do filme lubrificante e o regime de lubrificação do conjunto. Adicionalmente, os fenômenos de cavitação e restauração do filme considerando a interação óleo/refrigerante ainda não são totalmente compreendidos e merecem mais estudos para que melhorias no projeto do compressor sejam atingidas. Neste contexto, o presente trabalho propõe um estudo teórico e experimental do escoamento de óleo e refrigerante pela folga pistão-cilindro de compressores alternativos utilizados em sistemas de refrigeração de pequena capacidade. Inicialmente é proposta a construção de uma bancada para estudo experimental das características do escoamento na geometria da folga pistão-cilindro com o pistão estático. A bancada experimental é composta por uma seção de teste com um pistão e um cilindro transparente instrumentado com sensores de pressão e termopares em diversos pontos. O cilindro é apoiado sobre um conjunto de plataformas acionadas por micrômetros que permitem que a pressão do escoamento seja medida em várias posições para diferentes graus de desalinhamento entre o pistão e o cilindro. A análise teórica engloba três modelagens distintas. O primeiro modelo descreve o escoamento bifásico da mistura em equilíbrio local na geometria da folga para a situação onde o pistão é mantido estático. As equações de Reynolds e da conservação da energia foram resolvidas numericamente considerando a variação da propriedades físicas das fases para a determinação das distribuições de pressão e temperatura do escoamento. Os resultados obtidos foram comparados com os dados experimentais medidos na bancada, com o intuito de validar o modelo. O segundo modelo estende a metodologia anterior para descrever a lubrificação dinâmica do pistão, onde os movimentos do pistão e a transferência de calor no filme lubrificante foram incorporados. Parâmetros relativos ao movimento do pistão como a potência consumida e vazamento de refrigerante pela folga foram obtidos e comparados com os calculados por modelos que consideram o filme isotérmico. Por último, o terceiro modelo envolve a caracterização do processo de crescimento de bolhas individuais em misturas óleo-refrigerante submetidas a descompressões isotérmicas, onde as hipóteses de equilíbrio mecânico e termodinâmico são suspensas. Este modelo é apresentado como uma ferramenta promissora para a descrição do crescimento de bolhas que pode ocorrer no filme lubrificante relacionado à cavitação, e da formação de espuma no cárter durante a partida do compressor. / A detailed knowledge of lubrication process in reciprocating compressors, particularly the piston assembly lubrication, has a fundamental role in the design of more efficient refrigeration systems. A radial clearance between the piston and the cylinder walls allows piston oscillatory radial movements that affect both the lubricant film thickness and the lubrication regime. Furthermore, cavitation and restoration of the lubricant film considering the oil/refrigerant interaction are not totally understood and these issues deserve additional studies for future improvements in the design of compressors. With this in mind, this work proposes a theoretical/experimental study of the ow of oil and refrigerant through the piston-cylinder clearance of reciprocating compressors used in small capacity refrigeration systems. Firstly, the project of a experimental apparatus is proposed to study ow characteristics in the piston-cylinder geometry with the piston steady. The apparatus consists of a test section in which the piston is placed inside a translucent cylinder equipped with thermocouples and pressure sensors at defined positions. The cylinder is mounted upon a set of micrometerguided stages that allows pressure measurements at several positions for different piston-cylinder misalignment degrees. Theoretical analysis includes three different models. The first one is an equilibrium model to describe the two-phase ow of the mixture through the clearance in which the piston is steady. The Reynolds and the energy conservation equations were solved numerically considering the variation of the physical properties in both phases in order to calculate the film pressure and temperature. The numerical results were compared with the experimental ones in order to validate the model. The second model extends the previous methodology to describe the piston dynamic lubrication in which piston movements and the heat transfer effect in the film were considered. The performance parameters related to piston movement, such as the power consumption and refrigerant leakage, were obtained and compared with those ones calculated by isothermal models. Finally, the third model regards characterization of growth process of individual bubbles in oil-refrigerant mixtures under isothermal depressurization, in which assumptions of mechanical and thermodynamic equilibrium were suppressed. This model is introduced as a potential tool to predict bubble growth that may occur as a result of cavitation in film, and the foamming process in the oil sump during compressor start-up.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Gradução em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T22:34:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 237031.pdf: 14512398 bytes, checksum: 9f328c449a344b356f573fe4aed4a01f (MD5) / O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma bancada experimental utilizada para avaliar o comportamento de mancais radiais lubrificados hidrodinamicamente quando submetidos a carregamentos estáticos, dinâmicos e a desalinhamentos de montagem. Em carregamento estático, é dada atenção à pressão hidrodinâmica gerada no filme de lubrificante bem como à região de cavitação e comparações com resultados teóricos são apresentadas. Uma metodologia de volumes finitos é utilizada para a integração da equação de Reynolds que governa o problema de lubrificação. Adicionalmente, visualizações foram realizadas para que os fenômenos físicos associados a região de cavitação pudessem ser melhor compreendidos. Em carregamento dinâmico, a órbita do mancal foi monitorada e comparada com resultados numéricos obtidos pela utilização de uma metodologia de elementos finitos para a integração da equação de Reynolds. Adicionalmente, as evidências experimentais permitiram que alterações na equação de Reynolds fossem sugeridas para que a região de cavitação em carregamento dinâmico fosse melhor caracterizada. Por fim, uma metodologia numérica é apresentada para a simulação acoplada do mecanismo de compressão de um compressor hermético de refrigeração. Nesta formulação, todos os mancais hidrodinâmicos são modelados em carregamento dinâmico e os desalinhamentos são considerados. Resultados experimentais são apresentados para a potência consumida e para a órbita do eixo.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T15:18:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O presente trabalho apresenta uma análise de dois sistemas de bombeamento de óleo para compressores herméticos alternativos para refrigeração doméstica produzidos pela EMBRACO. O primeiro sistema é baseado em uma bomba espiral, enquanto que o segundo é baseado em uma bomba centrífuga. Ambos os sistemas também possuem um canal de alimentação espiral na parte final do sistema. Nas duas análises, optou-se pela formulação de modelos simplificados para estudar a dinâmica do óleo nos sistemas de bombeamento, uma vez que a utilização exclusiva de programas comerciais de CFD resultaria em custos computacionais proibitivos. Principalmente porque estes modelos de escoamento de óleo devem, futuramente, serem utilizados em conjunto algoritmos de otimização da geometria do sistema de bombeamento. Os sistemas de bombeamento para cada compressor foram divididos em duas partes, a bomba e o canal do eixo, modeladas separadamente. O canal do eixo, de geometria comum aos dois compressores, foi resolvido com base em um modelo diferencial para o escoamento laminar plenamente desenvolvido em um parafuso de extrusão (Campbell et alli, 1992; Li e Hsieh, 1996). Uma formulação semelhante foi proposta para a bomba espiral do compressor. Ambas as formulações foram resolvidas analiticamente a partir da Técnica da Transformação Integral Generalizada (TTIG). A bomba centrífuga foi modelada considerando a existência de um escoamento bifásico em regime estratificado no interior do canal da bomba. O modelo foi resolvido de maneira híbrida, isto é, parte analiticamente e parte numericamente. Nos modelos para os dois sistemas de bombeamento, a vazão de óleo foi calculada a partir de um algoritmo computacional que emprega o método da bisseção para acoplar a vazão de óleo e a queda de pressão na bomba e no canal do eixo, respectivamente. As soluções para o escoamento nos sistemas de bombeamento de óleo foram validadas a partir de dados experimentais obtidos na EMBRACO e de simulações em CFD. Uma vez validados, os modelos foram utilizados em conjunto com programas comerciais de otimização para a obtenção de geometrias que resultassem em um melhor desempenho da vazão de óleo nos dois sistemas de bombeamento. No caso do sistema de bomba espiral, um aumento na vazão de óleo de cerca de 30% foi obtido com a otimização da geometria do sistema de bombeamento.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T06:35:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 194281.pdf: 11890898 bytes, checksum: a9b856f3927bfb91696f152e44eef628 (MD5) / Este trabalho, desenvolvido como tema de uma tese de doutorado sanduíche, no escopo da parceria do Laboratório de Mecânica de Precisão - LMP da UFSC, com o Laboratório de Máquinas Ferramentas - WZL da RWTH Aachen, apresenta um estudo das características de comportamento para o processo de usinagem da liga de titânio Ti6Al4V sob a condição de aplicação de Mínima Quantidade de Fluido de Corte - MQF. Para avaliar o efeito da lubrificação obtido com MQF foi escolhido o processo de furação, onde o fluido de corte foi aplicado por bicos externos e pelo interior da broca de metal-duro. Com o apoio dos fabricantes de ferramentas de corte foram efetuadas modificações na geometria das ferramentas, objetivando uma redução da quantidade de calor gerado na formação do cavaco, contribuindo para o sucesso da furação com MQF. Os resultados mostram um bom potencial na furação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais / Made available in DSpace on 2012-10-26T03:31:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 299925.pdf: 5581728 bytes, checksum: 581e31aaa0b1faf508cfdfa63644b998 (MD5) / Componentes com dois materiais vêm crescentemente sendo mais solicitados pela indústria como uma oportunidade para combinar diferentes propriedades em um único componente. Recentemente a Moldagem de Pós por Injeção (MPI) mostrou ser uma técnica viável para o processamento destes modernos componentes em uma única rota de processamento. Devido a vasta gama de pós disponíveis no mercado, diversos materiais podem vir a ser co-sinterizados para uma específica aplicação de engenharia. Neste contexto, o foco do presente trabalho experimental foi o estudo da fabricação de componentes sinterizados contendo dois distintos tipos de aços, um deles apresentando características autolubrificantes (baixo atrito e alta resistência mecânica/desgaste), mas possuindo resistência mecânica semelhante ao outro. Como materiais de alto desempenho tribológico foram utilizados as ligas autolubrificantes, recentemente desenvolvidas no LabMat da UFSC, onde nódulos de grafita são gerados "in situ" durante a sua sinterização via dissociação de carboneto de silício em uma matriz ferrosa. Estes materiais foram co-sinterizados com aços baixa liga típicos da MPI. Possivelmente, a combinação de um material que apresente promissoras características tribológicas com outro que tenha propriedades inferiores é uma grande alternativa aos caros conhecidos processos de tratamentos superficiais. Assim, o trabalho foi dividido em três etapas onde primeiramente procurou-se estudar a compatibilidade de sinterização de diferentes aços autolubrificantes com aços baixa liga via técnicas de sinterização em dilatômetro. Na sequência, foram estudadas a qualidade das interfaces em termos de defeitos e microestruturas obtidas. Por fim, a resistência dos corpos de prova multimateriais foi observada no ensaio de tração a fim de avaliar quantitativamente o desempenho mecânico das interfaces. Como resultados foram obtidos componentes multimateriais isentos de defeitos e com propriedades tão elevadas quanto a de componentes de apenas um único material.

[pt] O estudo de escoamentos em espaço anular é de fundamental importância para o entendimento e otimização do processo de perfuração de poços. A lama de perfuração deve possuir propriedades reológicas e termofísicas tais que garantam um bom desempenho no carreamento de cascalho, na lubrificação e refrigeração das brocas, na limpeza do poço, manutenção da pressão da coluna de líquido para equilibrar a pressão das formações atravessadas e estabilizar as paredes do poço. Uma análise completa desta situação é extremamente complexa; o cilindro interno (coluna) pode estar girando, a geometria da parede do poço não é um cilindro perfeito, o espaço anular é excêntrico e a excentricidade varia ao longo do poço. Além disto, lamas de perfuração possuem um comportamento pseudoplástico, isto é a viscosidade é função decrescente da taxa de deformação. Os modelos que levam em conta todos esses fatores são extremamente complexos e caros computacionalmente. Os modelos disponíveis na literatura utilizam hipóteses simplificadoras para tornar a análise menos complexa. Muitos trabalhos consideram a rotação do cilindro interno e o comportamento não Newtoniano, mas desprezam a variação da excentricidade ao longo do poço. Mesmo com esta simplificação, os modelos apresentados, que consistem na solução da equação bidimensional para determinar o campo de velocidade axial e tangencial do escoamento desenvolvido em um espaço anular, possuem alto custo computacional. O modelo apresentado neste trabalho leva em conta a variação da excentricidade ao longo do poço, bem como o comportamento pseudoplástico da lama e a rotação do cilindro interno. As equações que governam o problema foram simplificadas utilizando a teoria de lubrificação. As equações diferenciais parciais que descrevem o perfil de velocidade e a pressão ao longo do poço foram resolvidas pelo método de diferenças finitas (diferenças centrais) e linearizadas pelo método de Newton. O modelo de lubrificação foi validado através da comparação dos resultados obtidos com trabalhos na literatura para escoamentos com excentricidade constante. Os resultados mostram o efeito da variação da excentricidade ao longo do poço, da rotação na coluna, das propriedades não Newtonianas no padrão do escoamento e no fator de atrito. / [en] Helical flow in annular space occurs in drilling operation of oil and gas wells. The correct prediction of the flow of the drilling mud in the annular space between the wellbore wall the the drill pipe is essential to determine the variation in the mud pressure within the wellbore, the frictional pressure drop and the efficiency of the transport of the rock drill cuttings. A complete analysis of this situation is extremely complex; the inner cylinder is usualy rotating, the wellbore wall will depart significantly from cylindrical, during driling operation the drill pipe is eccentric, and the eccentricity varies with position along the well. Moreover, drilling muds present pseudoplastic behavior, the viscosity is a strong function of the deformation rate. A complete analysis of this situation would require the solution of the three-dimensional momentum equation and would be computationally expensive and complex. Models available in the literature to study this situation do consider the rotation of the inner cylinder and the non Newtonian behavior of the liquid, but assume the position of the inner and outer cilinders fixed, i.e. they neglect the variation of the eccentricity along the length of the well, and assume the flow to be well developed. This approximation leads to a two-dimensional model to determine the three components of the velocity field in a cross-section of the annulus. The resulting differential equations have to be solved by some numerical method. The model presented in this work takes into account the variation of the eccentricity along the well; a more appropriate description of the geometric configuration of directional wells. As a consequence, the velocity field varies along the well length and the resulting flow model is three-dimensional. Lubrication theory is used to simplify the governing equations into a non-linear, two-dimensional Poisson Equation that describes the pressure field. Lubrication model was validated by comparing the predictions to reported results on fully developed flow on eccentric annular space. The results show the effect of varying eccentricity, non Newtonian behavior and inner cylinder rotation on the flow field and on the friction factor.

[pt] O conhecimento do escoamento no interior das Bombas de Cavidades Progressivas (BCP) é de grande importância para aprimorar o desenho e a aplicação destas bombas em poços de petróleo. A simulação do escoamento na BCP é extremamente complexa devido ao caráter transiente, à presença de paredes móveis e à diferença de escala do tamanho da folga entre o estator e o rotor. Esta complexidade torna impraticável o uso da simulação como ferramenta de projeto. Esta dissertação apresenta um modelo assintótico do escoamento no interior de BCP monolobular com estator metálico. O modelo foi desenvolvido para fluido newtoniano e utiliza a teoria da lubrificação para reduzir as equações tri-dimensionais de Navier-Stokes a uma equação de Poisson bi-dimensional, para o campo de pressão. As equações diferenciais do modelo, escritas com coordenadas cilíndricas, foram resolvidas numericamente pelo método de diferenças finitas de segunda ordem. O programa desenvolvido em Matlab oferece resultados que reproduzem satisfatoriamente os dados experimentais, com tempo de processamento e capacidade computacional significativamente inferiores aos modelos que resolvem o sistema completo de equações. Os resultados obtidos mostram o efeito de parâmetros geométricos e operacionais, tais com folga estator-rotor, número de estágios, viscosidade e densidade do fluido, rotação e diferencial de pressão, nas curvas de desempenho da bomba. / [en] The fundamental understanding of the flow inside Progressive Cavities Pumps (PCP) represents an important step to improve the efficiency of these pumps in the petroleum artificial lift industry. The simulation of the flow in the PCP is extremely complex due to the transient character of the flow, the moving boundaries and the difference in length scale of the channel height between the stator and rotor. This complexity makes the use of CFD as an engineering tool almost impossible. This dissertation presents an asymptotic model to describe a single phase flow through progressive cavities pumps, using the lubrication theory approach. The model was developed for Newtonian fluid and the lubrication theory was used to reduce the three-dimensional Navier-Stokes equations to a two-dimensional Poisson´s equation for the pressure field. The models differential equations were written in cylindrical coordinates and were numerically solved by the finite difference method. A program was developed in Matlab and the results reproduce the experimental data, with a significantly shorter processing time, which is orders of magnitude faster than the model that solves the complete set of equations. The results show the effect of geometry and operational parameters, such as the clearance between stator and rotor, the number of pitches, viscosity and density of the fluid, rotation and differential pressure, in the pump performance curves.

[pt] Uma das etapas do processo de perfuração de um poço de petróleo é a cimenta ção, ela prove o isolamento das zonas e a sustentação do revestimento. Durante o processo de cimentação é necessário a substituição da lama de perfuração pela pasta de cimento. Para evitar a mistura entre esses fluidos é normalmente utilizado um fluido espaçador. Dessa forma é comum que sejam bombeados 3 ou mais fluidos através do anular excêntrico formado pela parede da rocha e o revestimento. A análise completa do escoamento no espaço anular que ocorre durante o processo de cimentação é extremamente complexa, pois os fluidos em questão podem apresentar comportamento não-Newtoniano e o escoamento é tridimensional e em regime transiente. Desta forma, a análise computacional do processo é extremamente cara. Modelos simplificados para o processo estão disponéveis na literatura e são largamente utilizados em softwares comerciais pela industria de exploração de petróleo. No entanto, as muitas simplificações adotadas nestes modelos limitam os parâmetros nos quais são obtidos bons resultados. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo 2D para esse escoamento 3D utilizando as simplificações propostas pela teoria de lubrificação. O modelo desenvolvido considera a variação de inclinação e excentricidade ao longo do poço e as características não-Newtonianas dos fluidos envolvidos. Os resultados obtidos mostram como as propriedades dos fluidos e a geometria do poço afetam a eficiência do processo de bombeio. / [en] The cementation process is an important step in the construction of oil and gas wells. It provides zonal isolation and support for the well bore. During the cementation, it is necessary to displace the drilling mud by the cement slurry. To avoid mixing of these liquids, spacer fluids are usually used. Therefore, it is common to have three or more liquids flowing through the eccentric annular space. A complete analysis of the flow in the annular space that occurs during cementation is extreme complex, because of the presence of different liquids, that often present non-Newtonian characteristic and the flow is three dimensional and transient. Thus, a complete model has a prohibitive high computational cost. Simplified models are available in the literature and are used by the oil industry in commercial simulation software for cementation. However, the strong simplifying assumptions limit the range of parameters at which these models are accurate. In this work, a 2D model for this 3D flow was developed using the lubrication theory. The developed model considered the variation of the inclination and eccentricity along the well and the non-Newtonian behavior of the flowing liquids. The results show how the liquid properties and well geometry affect the efficiency of the displacement process.

[pt] A formação de emulsões está presente em diversas atividades industriais, incluindo o setor petrolífero. A análise de quebra de gota em capilares com garganta remete ao estudo da formação de emulsões e suas características em meios porosos. Esta dissertação apresenta um modelo numérico baseado nas equações de conservação, e na teoria da lubrificação. O modelo foi desenvolvido considerando as duas fases como fluidos Newtonianos, e o sistema de equações diferencias resultante foi resolvido pelo método de diferenças finitas centrais, implementado em ambiente MATLAB®. Determina-se o campo de pressão dos fluidos, bem como sua interface ao longo do tempo. A análise da influência de parâmetros, tanto da geometria do capilar quanto das propriedades dos fluidos, indicou comportamentos adequados em comparação com os dados disponíveis na literatura. Observou-se que a viscosidade do fluido da fase contínua possui maior influência no tempo de formação de gota, do que a viscosidade do fluido da fase dispersa. O tempo de quebra de gota da fase dispersa varia linearmente com a viscosidade da fase contínua. Observa-se que o raio da garganta do capilar influencia diretamente no tempo de quebra de gota, onde para raios menores, o tempo de formação de gota será menor do que para um raio de garganta maior, devido a um gradiente de pressão capilar mais elevado. / [en] The snap off of emulsion drops appears in several industrial activities, including the oil industry. The analysis snap off in a constricted capillary is related to the study of emulsion formation and its characteristics in a porous media. This thesis presents a numerical model based on the conservation equations and lubrification theory developed for Newtonians fluids. The resulting system of differential equations was solved by finite difference and the code implemented in MATLB®. The analysis of the effect of different parameters, such as the geometry of the capillary and the liquid proprieties, indicated appropriate behaviors in comparison to data in the literature. It was observed that the viscosity of the continuous phase fluid has a stronger influence in the snap off time than the viscosity of the dispersed phase fluid. The snap off time rises with the viscosity of the continuous phase fluid. It was observed that the variation of the radius of the neck directly influences the snap off time, where smaller throat radius leads to shorter snap-off time, due to stronger capillary pressure gradient.

[pt] Neste trabalho, apresenta-se uma modelagem numérica de um problema de contato unilateral com acoplamento elasto-hidrodinâmico. Emprega-se estruturas elásticas de baixa rigidez e apresenta-se o escoamento pela equação da lubrificação de Reynolds. O método dos elementos finitos é usado para discretização da estrutura e do campo de pressão hidrodinâmica. Um procedimento numérico para solução do problema proposto também é apresentado, que se baseia na projeção viável da direção de busca. O objetivo principal do trabalho é desenvolver uma ferramenta numérica para estudar as forças que oferecem resistência ao movimento de um pig em seu movimento no interior do duto. / [en] This work is concerned with numerical modeling of the unilateral contact problem involving low stiffness structures and a rigid surface under conditions of hydrodynamic lubrication. Reynolds fluid film lubrication theory is employed. The Finite Element Method is applied in the discretization of both the structure and the hydrodynamic pressure field. A numerical procedure to solve the proposed problem, based on the feasible projection search direction approach, is presented. The main motivation for the work reported in this dissertation is to develop a numerical tool to model the resistance forces acting against the motion of cleaning and inspecting pigs in pipelines.